馬嘉欣, 連子如*, 何 橙, 王江濤, 于仁成

(1. 山東大學(xué)海洋學(xué)院, 山東 威海 264209; 2. 中國(guó)海洋大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院, 山東 青島 266100;3. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071)

量子點(diǎn)(quantum dots, QDs)是一種新型半導(dǎo)體熒光納米材料,其結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)異的光化學(xué)穩(wěn)定性、激發(fā)譜寬而發(fā)射譜窄以及較長(zhǎng)的熒光壽命等特點(diǎn)[1]。目前研究較多的量子點(diǎn)主要包括鎘系量子點(diǎn)如CdSe、CdS、CdTe,銦系量子點(diǎn)如InGaAs、InP、InAs,硅量子點(diǎn),碳量子點(diǎn)等,其中碳量子點(diǎn)(carbon dots, CDs)因具有高生物相容性和低細(xì)胞毒性而備受關(guān)注。量子點(diǎn)材料異于其他熒光材料的優(yōu)異光學(xué)特性使其極適合作為熒光探針用于傳感分析,量子點(diǎn)熒光傳感器靈敏度高、易于操作,近年來(lái)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、細(xì)胞成像、疾病診斷和治療等領(lǐng)域發(fā)展迅速。然而其存在一個(gè)突出的缺陷,即實(shí)際樣品基質(zhì)可能存在一些與目標(biāo)待測(cè)物發(fā)光響應(yīng)性質(zhì)相似的物質(zhì),導(dǎo)致熒光傳感器的選擇能力降低[2]。為解決這一問(wèn)題,研究人員將分子印跡技術(shù)(molecular imprinting technique, MIT)引入熒光傳感器。分子印跡技術(shù)是通過(guò)模擬天然分子識(shí)別現(xiàn)象,人工合成對(duì)模板分子能夠進(jìn)行特異性和選擇吸附的高分子功能材料即分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymers, MIPs)的一種新技術(shù)。在早期研究應(yīng)用中,MIPs通常用于萃取/分離,檢測(cè)分析仍需聯(lián)用色譜/質(zhì)譜等手段,無(wú)法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)[3]。分子印跡熒光傳感器以MIPs為識(shí)別元件、QDs為響應(yīng)元件,結(jié)合了QDs和MIT的優(yōu)勢(shì),具有高選擇性和高靈敏度,是一種易于操作的快速檢測(cè)新手段。本文就此介紹了目前基于量子點(diǎn)熒光材料的分子印跡傳感器的3種類(lèi)型,并綜述了近5年來(lái)該檢測(cè)技術(shù)的最新研究應(yīng)用結(jié)果。

1 量子點(diǎn)基分子印跡熒光傳感器的類(lèi)型

分子印跡熒光傳感器用于分析檢測(cè)各種物質(zhì)的過(guò)程大體為:當(dāng)待測(cè)物質(zhì)被分子印跡聚合物立體孔穴特異性吸附時(shí),熒光材料會(huì)發(fā)生光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(photoinduced electron transfer, PET)、熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)等物理化學(xué)變化,從而導(dǎo)致其熒光信號(hào)發(fā)生相應(yīng)變化,利用熒光分光光度計(jì)檢測(cè)得到的熒光光譜圖中靶敏信號(hào)的發(fā)射峰會(huì)發(fā)生峰值的改變,通過(guò)制得標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)即可檢測(cè)待測(cè)物質(zhì)。根據(jù)熒光光譜圖中發(fā)射峰個(gè)數(shù)的不同,分子印跡熒光傳感器大體可以分為3種:單發(fā)射分子印跡熒光傳感器、雙發(fā)射分子印跡熒光傳感器和三發(fā)射分子印跡熒光傳感器。

1.1 單發(fā)射分子印跡熒光傳感器

單發(fā)射分子印跡熒光傳感器指的是合成及檢測(cè)過(guò)程僅存在一種熒光物質(zhì),在特定激發(fā)波長(zhǎng)下熒光光譜圖中僅有一個(gè)發(fā)射峰為靶敏信號(hào),以其在吸附過(guò)程中的變化值作為衡量樣品中待測(cè)物質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)意義上的單發(fā)射分子印跡熒光傳感器通常由一鍋法制備,印跡位點(diǎn)多包埋于內(nèi)部,結(jié)合模板分子速率慢且洗脫困難,近年來(lái)基于表面印跡的核-殼型MIPs傳感器發(fā)展迅速。Amjadi等[4]以硅基為載體,通過(guò)反相微乳液法嵌入CdTe QDs,合成了一種基于PET原理檢測(cè)氯霉素(chloramphenicol, CAP)的新型熒光納米傳感器。由于CAP的紫外-可見(jiàn)吸收帶接近CdTe QDs的帶隙,因此在識(shí)別過(guò)程中,QDs可作為電子供體將電子轉(zhuǎn)移到CAP分子的最低未占有分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO),導(dǎo)致CdTe QDs在550 nm處的熒光猝滅。

1.2 雙發(fā)射分子印跡熒光傳感器

雙發(fā)射分子印跡熒光傳感器指的是合成及檢測(cè)過(guò)程存在兩種熒光物質(zhì),在特定激發(fā)波長(zhǎng)下熒光光譜圖中有兩個(gè)發(fā)射峰(一個(gè)為參比信號(hào),一個(gè)為靶敏信號(hào)),在吸附過(guò)程中靶敏信號(hào)的峰值發(fā)生變化而參比信號(hào)的峰值保持不變或發(fā)生與前者相反的變化,以吸附過(guò)程中二者比值作為衡量樣品中待測(cè)物質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn),因此較上述單發(fā)射傳感器而言,雙發(fā)射傳感器具有自我校正功能,可以減少或消除人為及機(jī)器帶來(lái)的誤差。雙發(fā)射分子印跡熒光傳感器目前主要包括兩類(lèi),一類(lèi)是待測(cè)物本身帶有熒光,如Xu等[5]基于FRET識(shí)別原理構(gòu)建了一種用于檢測(cè)阿霉素的分子印跡熒光傳感器。由于其發(fā)射光譜與阿霉素的吸收光譜重疊,當(dāng)兩者在空間上距離<10 nm并接收一定波長(zhǎng)的光照射后,CDs熒光供體與阿霉素受體之間發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移,熒光供體的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到熒光受體上繼而使其被激發(fā),導(dǎo)致CDs熒光逐漸猝滅而阿霉素?zé)晒庵饾u增強(qiáng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)阿霉素快速地選擇性分析。另一類(lèi)是待測(cè)物不帶有熒光,如蘇立強(qiáng)團(tuán)隊(duì)[6]以CDs和CdSe QDs組成的雙熒光體系結(jié)合分子印跡技術(shù)制備比率型傳感器,在吸附過(guò)程中參比CdSe QDs由于包埋在SiO2中熒光強(qiáng)度幾乎不變,外層CDs熒光強(qiáng)度隨著待測(cè)物濃度而變化。

1.3 三發(fā)射分子印跡熒光傳感器

三發(fā)射分子印跡熒光傳感器指的是合成及檢測(cè)過(guò)程存在3種熒光物質(zhì),在比率型熒光傳感器基礎(chǔ)上增加一個(gè)新的熒光信號(hào),通過(guò)三元發(fā)射擴(kuò)大可視化窗口、提高裸眼檢測(cè)精確度,目前有關(guān)研究相對(duì)較少。Yang等[7]分別制備以綠色和紅色量子點(diǎn)(g-QDs和r-QDs)為熒光材料、葉酸為模板分子的核-殼型分子印跡熒光傳感器,然后以適當(dāng)?shù)谋壤旌系玫交赑ET的三重發(fā)射分子印跡熒光傳感器。在吸附過(guò)程中,葉酸的羥基和氨基與3-氨丙基三乙氧基硅烷的氨基之間形成氫鍵,葉酸具有接近g-QDs@MIPs和r-QDs@MIPs帶隙的紫外吸收峰,因此在QDs導(dǎo)帶處的激發(fā)電荷易轉(zhuǎn)移到葉酸的LUMO而無(wú)法回到QDs價(jià)帶,進(jìn)而引起QDs的綠色熒光和紅色熒光逐漸猝滅而葉酸熒光增強(qiáng)。通過(guò)條件優(yōu)化,使g-QDs和r-QDs之間的猝滅速率差異被擴(kuò)大,以獲得更寬范圍和豐富的熒光顏色演化,這種出色的可視化能力使得僅通過(guò)便攜式紫外燈裸眼準(zhǔn)確讀出葉酸濃度成為可能。

2 量子點(diǎn)基分子印跡熒光傳感器在快速檢測(cè)中的應(yīng)用

量子點(diǎn)基分子印跡熒光傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、生物等領(lǐng)域進(jìn)行痕量物質(zhì)甚至超痕量物質(zhì)的檢測(cè)分析。根據(jù)被檢測(cè)物質(zhì)性質(zhì),我們將從離子檢測(cè)、有機(jī)小分子檢測(cè)和生物大分子檢測(cè)3個(gè)方面來(lái)闡述其在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

2.1 離子的分析檢測(cè)

離子印跡是印跡聚合物的一個(gè)重要分支,由于環(huán)境中殘留重金屬對(duì)于人類(lèi)生命安全危害極大,因而目前對(duì)于離子印跡的研究多以鉛(Pb)、汞(Hg)、銅(Cu)等重金屬離子為模板,通過(guò)其特有的金屬配位作用制備得到具有特異性識(shí)別能力的離子印跡聚合物(ion imprinted polymers, IIPs),與靈敏熒光材料結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)離子的選擇性富集、快速痕量檢測(cè)。Patra等[8]構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)Ag+的新型紙基離子印跡熒光傳感器,將熒光素染料用作制備CDs的前驅(qū)體,該傳感器具有低毒性、高穩(wěn)定性和良好的量子產(chǎn)率。該CDs@MIPs改性濾紙條已成功地用于活細(xì)胞成像和Ag+的細(xì)胞內(nèi)分析,響應(yīng)時(shí)間<10 s。針對(duì)多種離子同時(shí)檢出問(wèn)題,Xu課題組[9]首次提出了同時(shí)檢測(cè)兩種金屬離子的雙參比離子印跡熒光傳感器,以分別對(duì)Fe3+和Cu2+有響應(yīng)的氨基修飾CDs和羧基修飾CdTe QDs為熒光團(tuán),通過(guò)一鍋法合成制備了介孔結(jié)構(gòu)雙模板雙參比離子印跡熒光探針。當(dāng)檢測(cè)Fe3+時(shí),以CDs為參比,CdTe QDs猝滅;而當(dāng)檢測(cè)Cu2+時(shí),以CdTe QDs為參比,CDs猝滅。使用這種雙模板雙參比策略,可以在真實(shí)水樣中同時(shí)檢測(cè)Fe3+和Cu2+。在保持IIPs靈敏度和選擇性的同時(shí),制備的雙參比熒光傳感器可以同時(shí)檢測(cè)兩種離子,大大提高了檢測(cè)效率,同時(shí)該工作創(chuàng)新了印跡傳感器領(lǐng)域的信號(hào)輸出模式,為高通量檢測(cè)帶來(lái)了技術(shù)進(jìn)步。此外,同種離子具有不同價(jià)態(tài)且常同時(shí)存在,針對(duì)這一問(wèn)題,Jinadasa等[10]成功研制了一種室溫?zé)晒饣瘜W(xué)傳感器并應(yīng)用于魚(yú)類(lèi)樣品中無(wú)機(jī)砷(As3+和As6+)的選擇性檢測(cè)和定量分析。該方法操作簡(jiǎn)單,僅需較短的分析時(shí)間,可獲得良好的靈敏度和精密度。

2.2 有機(jī)小分子的分析檢測(cè)

在食品殘留與環(huán)境污染問(wèn)題中主要目標(biāo)檢測(cè)物通常為有機(jī)小分子,因而目前分子印跡熒光傳感器研究較多的方面是針對(duì)有機(jī)小分子的痕量分析,但在傳感器制備技術(shù)上仍然存在一定問(wèn)題,近年來(lái)研究人員也提出了一些新策略。當(dāng)前,制備分子印跡熒光傳感器時(shí)主要還是采用包埋法將熒光材料裹于硅基中,該方法會(huì)大大降低熒光材料的熒光強(qiáng)度從而影響傳感器靈敏度。針對(duì)此問(wèn)題,Yu等[11]以甲基丙烯酸2-氨基乙酯鹽酸鹽作為表面活性劑修飾羧基CdTe QDs,并以被修飾QDs為支撐和熒光信號(hào)源,通過(guò)自由基聚合一鍋法直接合成了超薄4-硝基苯酚印跡層;該方法避免了合成及使用基質(zhì)材料包埋的過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于海水和湖水樣品中4-硝基苯酚的高檢測(cè)靈敏度。由于傳統(tǒng)硅基材料內(nèi)聚擴(kuò)展阻力會(huì)影響吸附位點(diǎn)對(duì)于待測(cè)物的識(shí)別,Amjadi等[12]設(shè)計(jì)了一種雙發(fā)射介孔結(jié)構(gòu)分子印跡熒光傳感器,用于殺菌劑烯唑醇的特異性識(shí)別和檢測(cè)。CdTe/CdS QDs被封裝在SiO2介孔中,識(shí)別過(guò)程中CdTe/CdS QDs的熒光被選擇性猝滅,介孔的存在降低了傳質(zhì)阻力、提高了位點(diǎn)選擇性,對(duì)烯唑醇的識(shí)別特異性明顯優(yōu)于其類(lèi)似物。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)的需求,多種分析物的同時(shí)檢測(cè)引起了研究人員極大的興趣,Wei等[13]通過(guò)在兩種不同顏色的QDs表面分別以不同模板分子制備MIPs,而后將所得MIPs等比例混合,建立了一種同時(shí)檢測(cè)去甲腎上腺素和腎上腺素的方法,這項(xiàng)工作為QDs@MIPs實(shí)際應(yīng)用中同時(shí)檢測(cè)不同分析物提供了新的思路。為了提高監(jiān)測(cè)設(shè)備的便攜性,Sari等[14]利用紙基納米復(fù)合體系制備了一種新型光傳感材料用于三丁基錫化合物的檢測(cè)。他們以硝酸纖維膜為支撐,采用微乳液聚合技術(shù)合成印跡納米顆粒,然后將石墨烯QDs耦合固定在納米粒子表面。結(jié)果表明,其對(duì)海水中的三丁基錫化合物具有良好的選擇性、高靈敏度和低檢出限。由于檢測(cè)基質(zhì)通常為液體環(huán)境,發(fā)展親水性傳感器勢(shì)在必行。Xu等[15]在制備過(guò)程中引入了親水聚甘油單甲基丙烯酸酯刷,通過(guò)自由基聚合構(gòu)建了“親水開(kāi)啟型”比率傳感器,可直接用于未被稀釋的純羊奶和牛奶中除草劑2,4-二氯苯氧乙酸的快速分析測(cè)定。傳統(tǒng)使用的量子點(diǎn)如CdTe QDs等含有重金屬元素,對(duì)于環(huán)境并不友好,新型綠色CDs應(yīng)運(yùn)而生,如Liu等[16]以桂花葉為碳源,分別采用乙醇和聚乙烯亞胺溶液萃取制備了兩種不同發(fā)射峰的高熒光CDs,并分別作為參比和靶敏信號(hào),構(gòu)建了比率熒光傳感器用于四環(huán)素的高選擇性、高靈敏度檢測(cè)。此外,Zhang等[17]成功制備了基于量子點(diǎn)接枝有機(jī)框架的雙功能分子印跡光聚合物(molecularly imprinted optopolymer, MIOP),使得通過(guò)光傳感和固相萃取-高效液相色譜同時(shí)檢測(cè)酪胺成為可能。在優(yōu)化條件下,酪胺含量在35～35 000 μg/kg時(shí),光傳感方法的相對(duì)熒光強(qiáng)度線(xiàn)性增加,檢出限為7.0 μg/kg;而對(duì)于固相萃取-高效液相色譜,線(xiàn)性范圍為20～2 000 μg/kg,檢出限為5.0 μg/kg。

2.3 生物大分子的分析檢測(cè)

生物大分子、細(xì)菌和病毒等由于自身尺寸大、易變性且純天然模板難獲取,一直以來(lái)都是分子印跡技術(shù)的難點(diǎn),盡管困難重重,但是應(yīng)用前景廣闊。新型印跡方法如表面印跡、金屬螯合印跡、抗原印跡等的提出使生物大分子的分析檢測(cè)得到了一定發(fā)展,這其中對(duì)于蛋白質(zhì)的研究較多。陳令新課題組[18]構(gòu)建了基于QDs的選擇性靈敏檢測(cè)藻藍(lán)蛋白的印跡熒光納米傳感器,他們將以巰基乙酸和谷胱甘肽共同作為穩(wěn)定劑修飾的QDs作為功能單體,通過(guò)多巴胺自聚合有效地簡(jiǎn)化了印跡過(guò)程,同時(shí)識(shí)別位點(diǎn)更加容易接近,該納米傳感器在結(jié)合藻藍(lán)蛋白后16 s內(nèi)就顯示出明顯的熒光衰減,提供了一種通用的蛋白質(zhì)印跡策略。該課題組[19]還制備了一種熱敏比率印跡熒光納米傳感器,表現(xiàn)出良好的溫度響應(yīng)、高靈敏度和選擇性,實(shí)現(xiàn)了基于FRET的溫度調(diào)節(jié)傳感識(shí)別檢測(cè)藻藍(lán)蛋白。此外,為了擴(kuò)大可視化窗口,使裸眼檢測(cè)蛋白成為可能,Yang等[20]通過(guò)印跡后混合適當(dāng)比例的藍(lán)/綠/紅發(fā)射牛血紅蛋白(bovine hemoglobin, BHb)印跡材料,構(gòu)建了一種新型的三重發(fā)射熒光傳感器,識(shí)別時(shí)伴隨著寬范圍熒光顏色演變,覆蓋了綠色-紅色-藍(lán)色窗口,實(shí)現(xiàn)了對(duì)BHb的多重可視化檢測(cè)。以上對(duì)蛋白質(zhì)的檢測(cè)均在體外進(jìn)行,Cecchini等[21]報(bào)道了一種新型體內(nèi)識(shí)別蛋白質(zhì)的分子印跡熒光傳感器,以人血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子的83～91位氨基酸為模板、CdTe QDs為熒光信號(hào)源構(gòu)建印跡熒光納米傳感器,可在體內(nèi)腫瘤異種移植實(shí)驗(yàn)中定位過(guò)度表達(dá)人類(lèi)表皮生長(zhǎng)因子的腫瘤塊,該研究為印跡熒光傳感器體內(nèi)靶定分泌因子提供了新思路。除蛋白質(zhì)外,在DNA方面的印跡也取得了一定進(jìn)展。Arslan等[22]報(bào)道了一種適用于dsDNA快速檢測(cè)的比率印跡熒光傳感器,分別以Mn-ZnS QDs和陽(yáng)離子染料孔雀石綠為熒光信號(hào)源,識(shí)別dsDNA時(shí)孔雀石綠分子從QDs@MIPs表面逃逸并嵌入dsDNA、熒光增強(qiáng),同時(shí)QDs@MIPs的實(shí)時(shí)熒光開(kāi)啟,實(shí)現(xiàn)了dsDNA的快速選擇性檢測(cè),檢出限為19.48 ng/mL。在細(xì)菌檢測(cè)方面,Zhao等[23]建立了一種基于分子印跡熒光傳感器對(duì)單增李斯特菌的有效識(shí)別方法。該傳感器以經(jīng)過(guò)修飾的殼聚糖(NAC@CdTe QDs)為功能單體,制備過(guò)程中通過(guò)Pickering乳液聚合與分子印跡技術(shù)相結(jié)合,制備的印跡熒光傳感器能夠通過(guò)三維孔穴選擇性捕獲目標(biāo)細(xì)菌,并成功應(yīng)用于牛奶和豬肉樣品中單增李斯特菌的分析。在病毒檢測(cè)方面,Luo等[24]報(bào)道了一種混合分子印跡熒光傳感器,用于同時(shí)檢測(cè)甲型肝炎病毒(hepatitis A virus, HAV)和乙型肝炎病毒(hepatitis B virus, HBV)。該傳感器采用印跡后混合策略,分別以紅色、綠色QDs為熒光材料,HAV、HBV為模板分子制備MIPs而后以適當(dāng)比例混合。結(jié)果表明,對(duì)兩種病毒的檢測(cè)均達(dá)到了令人滿(mǎn)意的選擇性和靈敏度,HAV和HBV檢出限分別為3.4和5.3 pmol/L。

3 總結(jié)與展望

目前量子點(diǎn)基分子印跡熒光傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全和生物分析等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景,但該傳感器在制備、應(yīng)用等方面仍存在著一定的問(wèn)題:印跡過(guò)程需要用到大量模板分子,有些化合物價(jià)格昂貴,還有些化合物如代謝產(chǎn)物、生物活性物質(zhì)等不易得到,這大大限制了分子印跡熒光傳感器的制備和應(yīng)用;如何實(shí)現(xiàn)對(duì)于生物大分子以及病毒、細(xì)菌的印跡仍是重大挑戰(zhàn);在實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)時(shí),對(duì)于一個(gè)樣本需要同時(shí)檢測(cè)兩種或多種殘留物質(zhì)的情況十分普遍,開(kāi)發(fā)出能夠?qū)颖局卸喾N目標(biāo)物質(zhì)同時(shí)檢測(cè)的復(fù)合型傳感器,是該技術(shù)有待深入研究的一個(gè)重要方向?？傊?對(duì)于量子點(diǎn)基分子印跡熒光傳感器的相關(guān)研究開(kāi)展時(shí)間并不長(zhǎng),這項(xiàng)技術(shù)還需要學(xué)者不斷地探索和完善,以期獲得更大的發(fā)展和應(yīng)用。