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摘要： 分析技术手段不断向着更加简便、快速、灵敏的方向发展,人们的检测需求也不断提高,比如无需使用专业的大型设备和专业操作人员的辅助就能完成即时检测。目前用于金属离子、生物分子的分析方法包括有原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、比色法、电化学法、荧光分析法等。荧光分析法相较于其他方法具有灵敏度高,检测便捷,抗干扰能力强等优点,因而被广泛用于目标物的分析检测。本工作开发了三种荧光探针用于银离子、汞离子、多巴胺的检测,并在智能手机的辅助下,开发了便携的传感装置,为资源有限的地区提供了分析检测的手段。
比率荧光分析法是通过收集两个或以上不同发射波长处的荧光信号来完成待测物含量的分析。因此,随着目标物浓度的变化,传感体系会展现出颜色上的不同。基于此现象,将智能手机用于捕捉色度的变化,分析该变化与目标物浓度的线性关系,即可完成待测物的含量分析。此外,比率荧光分析法具有自校准特性,能够减少仪器波动和环境因素带来的误差,也使得分析结果更加准确可靠。基于上述优点,越来越多的领域出现了比率荧光分析法的身影,包括环境监测、食品安全、医学诊断等。因此,设计性能优异的传感探针,搭建分析速度快、准确率高、检测成本低的传感平台具有重要的现实意义。选择合适的荧光探针也有助于比率传感平台的构建。量子点因其具有制备简单、易于修饰、成本低廉等优点而被广泛用于荧光传感。利用量子点和其他荧光探针对金属离子和多巴胺检测的方法大多是基于荧光猝灭的现象,可能会存在假阳性信号的干扰。为解决上述问题,本论文进行了以下探究:
1.基于硒化镉量子点构建的开启型和关闭型荧光信号用于Ag+和Hg2+的顺序检测
重金属离子带来的污染问题给人类的生命健康带来的巨大的威胁。因此,监测环境中重金属离子的含量具有很大的现实意义。本章合成了具有良好水溶性的硒化镉量子点（Cd Se QDs）用于银离子（Ag+）和汞离子(Hg2+)的顺序检测,并将其成功应用于生活用品和环境水样中Ag+和Hg2+的定量分析。与常规金属量子点不同的是,本实验合成的Cd Se QDs具有较弱的初始荧光,而Ag+可以诱导Cd Se QDs发生聚集,Cd Se QDs的荧光强度被显著提高。通过分析各项表征数据得知,这一罕见的现象可归因于Ag+诱导Cd Se QDs产生的聚集诱导发射现象。基于这一现象构建的传感器在0.1-40μM的浓度范围内对Ag+显示出良好的线性,检出限为34 n M。此外,在混有Cd Se QDs和Ag+的体系中加入Hg2+,发现混合体系的荧光强度会进一步被Hg2+猝灭。利用这一特殊的现象,设计了顺序检测Ag+和Hg2+的荧光传感平台。这一探针与Hg2+在0.5-25μM的浓度范围内呈现良好的线性关系,检出限为93 n M。
为了实现这些重金属离子的可视化分析,引入了有机小分子喹诺酮衍生物7-氨基-4-甲基喹啉-2（1H）-酮（QL-NH2）作为内标分子,以Cd Se QDs作为传感探针搭建了比率荧光传感平台用作Ag+的分析检测,随着Ag+浓度的增加,体系从紫色逐渐变为黄色。此外还利用智能手机的拍照识别功能,建立了色度传感平台,完成了对Ag+的即时检测。该方法无需借助专业的仪器设备即可完成分析,为户外即时检测提供了解决思路。
2.碲化镉量子点构建的比率荧光探针用于环境水样中汞离子的可视化检测
Hg2+会随着生物链不断累积,最终影响人类生命健康。因此关注环境中Hg2+的浓度十分有必要。在上一个工作中,开发了一种荧光信号关闭的方法用于检测Hg2+,但这种单一信号的猝灭型响应可能会受到假阳性信号的影响,从而影响到测试结果的准确性。为解决这一问题,本章合成了两种荧光纳米材料用于Hg2+的检测。分别是具有红色发射的碲化镉量子点（Cd Te QDs）和蓝色发射的碳点（B-CDs）。Hg2+的加入通过阳离子交换反应猝灭了Cd Te QDs的荧光信号,相反,B-CDs的荧光强度得到提升,这是由于Hg2+抑制了B-CDs的能量转移。
基于这一相反的荧光信号变化,对Hg2+的浓度进行分析。此外,两个不同发射波长的信号变化也使得混合体系的颜色随着Hg2+的浓度而发生改变,在365 nm的紫外灯下,逐渐从红色向蓝色过渡。用智能手机提取其R（红色）G（绿色）B（蓝色）值后,发现在0.5-15μM的范围内,B/R值与Hg2+浓度有良好的线性关系。该方法的准确性也通过电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行了验证。这一策略也成功应用于环境水样中Hg2+的检测。该传感平台的搭建也为资源受限的地区提供了一种Hg2+的检测方法。
3.碲化镉量子点构建的比率荧光探针用于多巴胺的可视化检测
人的许多生理过程受多巴胺（DA）的调节,若DA浓度异常,可能会引起多种疾病。因此,设计高效便捷的分析方法用于DA浓度检测有一定的实际价值。本章利用碲化镉量子点（Cd Te QDs）和有机荧光小分子（AF）搭建了可视化传感平台用于DA的痕量检测,线性范围为1-1000 n M,检出限为98 p M。由于AF能与DA发生特定的缩合反应生成强荧光物质,微量的DA即可使得AF的荧光信号达到数倍的开启,而Cd Te QDs的荧光强度并不受影响,用作内标信号。混合探针的颜色随着DA的浓度逐渐从红色变为绿色,裸眼即可观察到这一现象。此外,用智能手机读取混合溶液的RGB值即可分析出DA的浓度。这一方法也成功应用在实际样品（盐酸多巴胺注射液）中DA含量的测定。该传感平台的成功搭建也说明该混合探针有应用在医药检测领域的潜力。
关键词: 荧光分析法 ；比率荧光探针 ；荧光纳米材料 ；量子点 ；可视化检测
摘要： 稀土金属因其特殊的电子层结构和独特的荧光特性,受到越来越多科研工作者的关注,被称为合成荧光探针的“材料库”。其中以Eu3+和Tb3+为代表的稀土离子与有机配体制备的稀土类荧光探针由于具有荧光颜色纯度高、检测灵敏度高、响应速度快等优点,在荧光检测领域引起了广泛关注。本论文使用两种廉价的、市售有机配体1,10-菲啰啉（Phen）和3,4,5,6-四氟邻苯二甲酸（H2TFPA）分别与Eu3+和Tb3+配位合成两个独特结构的稀土类荧光探针,利用这两个荧光探针构建了试纸与手机结合的可视化检测平台,并分别应用于食品中农药和兽药残留的快速可视化检测。此外,还制备了基于间苯二甲酸（H2IPA）配体的两个稀土配合物（Eu-1和Gd-2）,并将二者按照摩尔比为1:9的含量制备了一个比率荧光探针(Gd0.9@Eu0.1),利用该比率探针制备了结合智能手机和纸基探针的可视化荧光检测体系,并应用于食品中抗生素的荧光检测。
本研究主要分为三部分,具体研究内容和结果如下:
1.以Phen和H2TFPA为有机配体,以Eu3+为金属中心,采用水热合成法制备一个基于铕基金属有机框架（Eu-TFPA-MOF）的荧光探针。通过单晶X射线衍射、X射线粉末衍射（XRD）、元素分析仪和傅里叶红外光谱（FT-IR）对其结构和组成进行了表征。该荧光探针被成功应用于茶叶中氟虫腈的检测,其水悬浮液表现出强烈的红色荧光且荧光稳定性好。荧光实验结果表明,Eu-TFPA-MOF的红色荧光能被低浓度（0.24m M）的氟虫腈显著淬灭,且该荧光“熄灭”过程具有响应时间快（2 min）、灵敏度和选择性高、检出限低（4.4 n M）,线性范围宽（0-0.15 m M）的优点。多种实验手段表明该探针的荧光淬灭的机理主要归因于静态淬灭和激发能的竞争性吸收的共同作用。更重要的是,设计了一种简单、便携、低成本的智能手机辅助的试纸条检测平台,用于绿茶和乌龙茶样品中氟虫腈含量的荧光检测,且该检测方法具有回收率高（98.35-106.17%）、标准偏差低的优点。该手机辅助的纸基探针检测平台将有利于保证茶叶质量安全和人体健康,并有望在其他农产品安全领域得到应用。
2.以Phen和H2TFPA为有机配体与稀土Tb3+离子为发光中心,通过水热合成法制备了一个发射绿色荧光的Tb-TFPA-MOF荧光探针,并通过单晶X射线衍射、XRD、元素分析仪和FT-IR方法对其组成和结构进行了表征。该Tb-TFPA-MOF荧光探针被成功应用于鲫鱼和虾样品中孔雀石绿（MG）的检测,该检测过程具有响应速度快（1 min）、检出限低（12.7 n M）、线性范围宽（0-75μM）和可循环检测的特点。该荧光探针的荧光淬灭机理主要归因于荧光共振能量转移（FRET）和光诱导电子转移（PET）的联合作用。此外,设计了基于Tb-TFPA-MOF的琼脂基荧光探针与智能手机相结合的智能化测试平台,并用于真实鲫鱼和虾样品中孔雀石绿的可视化快速检测,该检测方法具有回收率高（99.6%-103.83%）,相对标偏差（n=3）低（<2.3%）的优点,且检测结果与高效液相色谱（HPLC）的检测结果一致,表明该检测平台在检测食品中的MG残留具有良好的可行性和可靠性。
3.以间苯二甲酸（H2IPA）作为有机配体,以Gd3+或Eu3+为发光中心,采用水热合成法成功制备了两个稀土配合物（Gd-2和Eu-1）。将两种稀土配合物按摩尔比1:9简单混合制备了一个双发射比率荧光探针Gd0.9@Eu0.1。通过单晶X射线衍射（仅适合Eu-1和Gd-2）、XRD、元素分析仪和FT-IR对该比率探针的结构和组成进行了表征。荧光滴定实验表明:随着TC的逐渐加入,Gd0.9@Eu0.1表现出一系列由蓝色到玫瑰红的敏感颜色变化,且该该检测过程具有线性范围宽（0-52μM）、检出限低（14 n M,6.2μg/kg）的优点。此外,设计了一种易于储存和携带的Gd0.9@Eu0.1基试纸条并结合智能手机的颜色识别软件用于猪肉中TC的可视化荧光检测,该检测平台具有回收率高（98.56%-102.78%）、标准偏差低（<1.8%）的优势,说明智能手机辅助的纸质比率荧光探针检测平台,适用于食品样品中TC的实时现场检测。
关键词: 稀土荧光探针 ；氟虫腈 ；孔雀石绿 ；四环素 ；食品检测
摘要： pH是影响食品质量的重要因素。研究表明,食品中pH值的变化与食品的新鲜度、质量、安全性、外观和味道密切相关。例如,食品早期变质过程中常常会引起其pH值的微量变化。因此,开发一种新型智能工具来现场实时检测食品样品中pH的细微变化,对于评估食品的新鲜度、质量和安全性具有非常重要的意义。过氧化氢（H2O2）是一种重要的活性氧试剂（ROS）。由于其固有的杀菌和漂白特性,H2O2已被广泛应用于食品中。然而,食品样品中残留过量的H2O2不仅会对食品的营养价值产生不利影响,还会对人类健康造成巨大威胁。因此,开发出一种可靠的分析检测方法对食品样品中H2O2含量进行现场定量检测是非常有必要的。荧光探针具有灵敏度高、选择性好、定量能力强等特点,并且其信号输出可以很容易地通过肉眼获取,而不需要依赖昂贵的设备和繁琐的操作。因此,荧光探针非常适合应用于食品样品中对各种被分析物的实时现场检测。在本论文中,将开发出一种实时现场检测食品中pH微量变化的荧光探针和一种实时现场检测食品中H2O2含量的荧光探针,具体研究内容如下:1.监测微量pH变化的比色和近红外荧光探针的设计、合成及其在食品样品中的应用研究。在本研究中,合理设计并合成出一种新型的比色近红外荧光探针。该探针在近红外荧光波长区域显示出对pH的荧光响应,这有利于探针检测食品样品深层组织中的pH变化,并有效避免了食品样品中背景荧光的干扰。并且,基于开环形式和闭环形式的独特转换,探针对中性pH值附近的细微pH变化（0.1-0.2 pH单位）表现出高度敏感的荧光响应。此外,探针随着pH值的变化,产生明显的视觉比色变化,从而有利于现场实时可视化检测。实际应用研究表明,探针能够用于精准检测鲜榨果汁中的pH值。并且,通过制备试纸,该探针可以作为一种简单和智能的工具,实时现场检测包装猪肉在变质过程中的细微pH变化,因而可用于实时监测包装肉的新鲜度和质量。此外,通过荧光成像,探针成功监测感染银屑病的马铃薯组织中pH的微量变化,因此该探针可以进一步用于评估银屑病感染的马铃薯组织。2.智能手机辅助比色和近红外比率型荧光探针用于食品样品中H2O2的现场检测。在本研究中,合理设计并合成出一种新型有机小分子荧光探针,用于检测各种食品样品中的H2O2。该探针自身在近红外区域显示荧光,因此,可以有效地避免食品样品中背景荧光的干扰。与H2O2作用后,探针显示出对H2O2的比率近红外荧光响应,这有利于定量检测各种食品样品中的H2O2含量。此外,探针对H2O2表现出明显的比色响应,因此,探针可以显示对H2O2的比色和荧光双信号响应,提高检测食品样品中H2O2的可靠性。通过荧光成像,探针成功应用于检测活细胞中的外源性和内源性H2O2,说明探针检测H2O2时能够抵抗生物体系内各物质的干扰。并且,探针对感染晚疫病的马铃薯组织中H2O2浓度变化进行了实时检测。为了实现食品样品中H2O2浓度的现场定量检测,进一步制作了一种新型便携式、可现场部署的检测装置。将探针和自制的便携式检测装置以及智能手机相结合,对鸡翅和牛奶中的H2O2浓度进行了现场定量检测。
关键词: 荧光探针 ；近红外荧光 ；pH ；H2O2 ；食品样品
被引量
3
摘要： 四环素（TC）的滥用会对人类健康和生态环境造成严重影响,因此开发检测TC和去除环境污染TC的新方法至关重要。本课题基于双荧光发射以及视觉荧光变化,构建了比率荧光传感器用于四环素的高效检测以及智能手机识色辅助的便携检测。此外,由于其多孔结构和高比表面积,镧系元素官能化共价有机框架(COF-TD@Eu3+)表现出良好的吸附TC的能力。主要工作如下:
1、镧系共价有机框架的制备及表征
首先采用溶剂热法合成绿色荧光共价有机骨架（COF-TD）,然后进行合成后修饰Eu3+,制备COF-TD@Eu3+。通过XRD、FT-IR、XPS、TEM、SEM、BET和TGA表征方法对合成的材料进行形貌以及物理化学性质表征分析。结果表明成功制备了具有比表面积大、热稳定性好、结晶度高的COF-TD@Eu3+,为后续构建TC检测和吸附双平台提供了基础。
2、基于COF-TD@Eu3+比率荧光探针检测TC
基于COF-TD@Eu3+构建比率荧光传感平台用于检测TC。在该比率传感器中,Eu3+是TC的识别位点和特异性响应探针,由于天线效应,TC能增强Eu3+的红色荧光,而COF-TD的绿色荧光保持不变。通过将Eu3+固定在COF-TD上不仅能避免其他潜在干扰物与Eu3+的非选择性结合,而且使得传感单元与溶液的隔绝,避免溶剂分子造成Eu3+的非辐射猝灭。基于体系荧光信号的比率变化和荧光颜色由绿色到红色的变化,在1 min内实现了TC的高效比率传感和智能手机辅助便携式检测。结果表明,该方法对TC灵敏度高,选择性好,检出限为0.79μM,可应用于中药制剂中TC的检测。
3、基于COF-TD@Eu3+的四环素吸附研究
本章节主要探究了COF-TD@Eu3+吸附去除TC污染物的性能。分析方法为HPLC法,经验证,TC浓度在4.994-199.8μg/ml范围内与峰面积呈良好的线性关系,仪器精密度良好（RSD<0.2%）、重复性好（RSD=0.97%）、回收率范围97.62%-98.28%（RSD=0.52%）。通过检测经吸附剂吸附后的TC浓度得到吸附等温曲线以及吸附动力学曲线。结果表明该复合材料对TC的最大吸附量为137.3 mg·g-1,并且在30 min达到吸附平衡。
综上所述,本工作设计的新型镧系共价有机框架在测定和去除TC污染物方面显示出巨大的应用潜力。
关键词: 四环素 ；共价有机框架 ；铕 ；比率荧光检测 ；吸附
摘要： 对苯二甲醛是一种重要的精细化工原料,因其分子结构中包含两个高活性的醛基,广泛应用于荧光材料、催化剂载体及聚合物产品的合成。近年来,对苯二甲醛因其独特的化学性质,被广泛用于构建有机小分子荧光探针,用于检测环境污染物和生物活性分子等目标物质。在本文中,我们设计并合成了两种对苯二甲醛衍生物荧光探针,分别为4,4'-((2,5-双（2,2-二氰基乙烯基）-1,4-亚苯基)双（氧）)二丁酸二乙酯（FCN）和二乙基4,4'-(（2,5-二甲酰基-1,4-亚苯基）双（氧基）)（FPB）,并系统研究了两种荧光探针光物理性质及其在亚硫酸氢根（HSO3-）和过氧化氢（H2O2）检测方面的应用。主要内容如下: 首先,设计合成了一种ICT型荧光探针FCN。在2,5-二羟基对苯二甲醛的醛基位置引入的丙二腈基团既作为HSO3-的识别位点,也能增强分子内的ICT效应。根据FCN与HSO3-之间发生迈克尔加成反应后,测试体系荧光发射由588 nm的橙色荧光变为488 nm的蓝色荧光。作为一种比率型荧光探针,FCN可以实现对HSO3-的特异性检测。对检测HSO3-的实验条件,如溶剂配比、pH及反应时间等进行了优化。在最佳条件下,FCN表现出令人满意的检测性能,具有良好的选择性和抗干扰能力,反应时间迅速（<1 min）,并具有较宽的线性范围（1.0-100.0μM及100-400μM）。基于上述颜色变化,结合智能手机成像技术,可以实现对HSO3-更方便快捷的检测。此外还对FCN在生物成像方面的应用进行了研究。 其次,开发了一种AIE型荧光探针FPB。通过之前的工作我们发现在2,5-二羟基对苯二甲醛的羟基位置上连接丁酸乙酯侧链,通过分子间氢键相互作用,使FPB表现出明显的AIE效应,荧光发射强度出现了约七倍的增强,发射波长由470 nm红移至510 nm,量子产率及荧光寿命都出现了明显提高。在FPB分子中,醛基结构与HSO3-发生亲核加成反应后,产物2,5-双（4-乙氧基-4-氧代丁氧基）-1,4-亚苯基)双（羟甲基磺酸钠）(FPB-HSO3)表现出良好的水溶性,这种溶解性变化导致体系内分子聚集状态发生改变,从而引起荧光信号的变化。与此同时,通过向复合物FPB-HSO3体系中引入H2O2,可以实现探针FPB的再生,使测试体系的荧光信号有一定程度的恢复。因此,FPB可以实现对HSO3-和H2O2的连续检测。在最佳测试条件下,FPB对HSO3-和H2O2的检测具有良好的选择性和抗干扰能力,检出限分别为24.4 nM和29.7 nM,并成功应用于实际样品中HSO3-的定量检测以及细胞中H2O2的成像。
关键词: 荧光探针 ；对苯二甲醛衍生物 ；亚硫酸氢根 ；过氧化氢 ；细胞成像
摘要： 硫量子点（SQDs）作为一类新型的非金属荧光量子点,可以直接从廉价且丰富的元素S中合成。因其良好的生物相容性、低毒性和独特的表面性能而在生物成像和生物传感领域受到特别关注。量子点（QDs）可以与生物大分子发生反应,可能对生物系统造成不良的负面影响。因此,探索SQDs与生物大分子之间的相互作用非常重要。食品添加剂、抗生素残留等会直接或间接污染环境,最终危害人类健康,因此,准确检测这些物质的含量具有重要意义。本文合成了PEG-SQDs,用于研究SQDs与牛血清白蛋白（BSA）之间的相互作用以及构建检测姜黄素（Cur）的比例荧光探针;同时首次合成了PEI-SQDs,用于构建检测OTC的比例荧光传感体系。主要研究内容如下:1.使用牛血清白蛋白（BSA）作为模型蛋白,通过多光谱技术研究其与SQDs的相互作用。首先,SQDs可以有效地猝灭BSA荧光,并且证实了猝灭模式是动态的。此外,还获得了热力学参数ΔG、ΔH和ΔS,并证明疏水相互作用在自发相互作用中起着关键作用。计算了结合常数(Ksv≈10～3M-1)和结合位点（n≈1）。此外,紫外-可见吸收光谱（UV-Vis）、圆二色谱（CD）、傅里叶变换红外（FT-IR）和同步荧光光谱（SFS）结果揭示了BSA的构象变化。本研究有助于了解SQDs对生物分子的生物毒性及其在生物传感领域的潜在应用。2.开发了一种比例荧光传感器,首次以SQDs实现对Cur的快速灵敏的检测。通过H2O2辅助表面蚀刻法,以硫粉为硫源、PEG-400（聚乙二醇400）为封端剂,合成了PEG-SQDs。基于荧光共振能量转移（FRET）的原理,构建了快速、简便的比例荧光传感体系。Cur可以通过荧光共振能量转移来猝灭SQDs的蓝色荧光,同时Cur自身在525 nm处的黄色荧光进一步增强。以F525/F443为纵坐标与Cur的浓度为横坐标进行线性拟合,结果表明F525/F443的比值与Cur浓度在0～20.00μmol/L范围内成良好的线性关系,检测限低至30 nmol/L。此外,通过加标回收实验成功实现了在食物样品咖喱粉和姜黄粉中Cur的检测。3.以硫粉为硫源、PEI-600（聚乙烯亚胺600）为封端剂、NaClO为刻蚀剂,首次合成了的PEI-SQDs,并设计开发了SQDs-Eu3+比例荧光传感器,以快速灵敏监测OTC。基于内过滤效应（IFE）和“天线效应”（AE）,构建比例荧光双发射信号荧光传感器,OTC通过IFE效应猝灭SQDs蓝色荧光,同时通过AE效应增强Eu3+红色荧光,达到对OTC的比例荧光检测。以F623/F438为纵坐标与OTC的浓度为横坐标进行线性拟合,结果表明体系在F623/F438处的荧光比值与OTC浓度在0～20.00,20.00～100.0μmol/L的两段范围内有良好的线性关系,检出限为0.014μmol/L。此外,开发了便携式、低成本的智能手机辅助的纸基传感平台,实现了对OTC的可视化定量分析。
关键词: 硫量子点 ；牛血清白蛋白 ；姜黄素 ；土霉素 ；相互作用 ；荧光检测 ；可视化检测
被引量
2
摘要： 在荧光分析领域,制备长波发射和单一激发下多波长发射的荧光纳米材料成为近期的研究趋势。相比于单发射荧光材料,比率荧光探针以多个发射峰强度的比值为信号,可有效降低背景干扰。在加入分析物后,有些比率荧光探针会出现明显的颜色变化,更适合可视化检测。目前已有报道将半导体量子点（QDs）成功用于比率荧光体系。此外,作为一种新型荧光纳米材料,碳点以其较低的毒性、优异的荧光性能等优势,在分析传感领域有广阔的应用前景。基于此,本工作利用荧光纳米材料的特点与优势构建了几种不同类型的比率荧光传感体系,并将其成功用于分析检测领域。主要进行了以下三个方面的研究:1.一锅法制备双发射荧光碳点N-CDs并将其用于检测氧化还原性物质本工作使用溶剂热法制备了一种双发射荧光碳点,该碳点分别在548 nm和640 nm处有两个发射中心,其绿光发射对氧化性物质次氯酸（HClO）敏感,红光发射信号则无响应。与之相反,红光发射对还原性物质半胱氨酸（Cys）有响应,此时绿光发射信号保持稳定。该探针可成功用于人血清中HClO和Cys的检测。此外,N-CDs具有较低的细胞毒性,已成功用于细胞成像。2.新型荧光碳点Eu-CDs的制备及其在四环素类物质（TCs）检测中的应用本工作以柠檬酸和硝酸铕为前驱体通过热熔解法制备Eu-CDs,实验过程简便快速,可在20 min内完成。当TCs存在时,由于TCs包含β-二酮结构,它可以和Eu-CDs中的Eu3+形成稳定的配合物并通过“天线效应”将能量转移给Eu3+使其荧光发射(λem=616 nm)增强。而Eu-CDs在472 nm处的荧光发射由于内滤效应,强度出现不同程度的降低,基于此现象构建了比率荧光传感体系。此外,分散有该碳点的硅胶板在加入TCs前后在紫外灯下的颜色变化明显,其信号通过手机图像处理软件Image J处理后实现了TCs的快速、定量分析。3.制备比率荧光-比色双模式DCF-QDs/MnO2传感体系,并将其用于葡萄糖异构体的定量测定本工作制备了一种新型DCF-QDs/MnO2复合体系,并将其与生物酶的选择性催化反应结合,构建了一种免修饰、快速高效、能够选择性测定葡萄糖对映体的比率荧光传感体系。DCF-QDs/MnO2复合体系具有QDs以及DCF（2,7-二氯荧光素）的特征发射,葡萄糖氧化酶（GOx）存在时D-葡萄糖与其作用产生H2O2,导致MnO2纳米片分解,使DCF荧光恢复,而QDs荧光不变。同时,体系的颜色变化可以通过肉眼直接观察并借助UV-Vis吸收光谱进行定量测定。而加入L-葡萄糖后无此现象。该体系不仅可以区分两种葡萄糖对映体（D/L-葡萄糖）,而且可以通过比率荧光和比色两种模式定量检测D-葡萄糖。
关键词: 碳点 ；比率荧光 ；发光机理 ；可视化检测
摘要： 发展简单、快速、灵敏和高选择性的分析方法在环境监测、食品安全、临床诊断和公众健康等领域具有非常重要的意义。荧光分析法作为一种强有力的分析方法,具有灵敏度高、响应速度快、操作简便、易于实现可视化和实时分析等优点,已被广泛地应用于临床诊断、环境监测和食品安全等领域。传统的荧光分析法通常通过记录单个荧光信号的变化来实现分析检测。然而,基于单个荧光信号响应的荧光分析法易于受到环境因素和仪器效率等因素的干扰。幸运的是,比率荧光策略可以通过同时收集两个或多个不同波长的荧光信号变化来建立内标,从而可以减少或消除环境因素的干扰,实现对目标分析物更灵敏和更可靠的检测。并且,比率荧光分析法通常能根据不同荧光信号的变化对目标分析物输出一个明显的荧光颜色变化,从而可以实现对目标分析物的可视化检测。此外,由于比率荧光分析法高的灵敏度,以及对目标分析物能够展现出明显的荧光颜色变化,这就使得发展的比率荧光传感器能够与一些便携的设备,例如试纸和智能手机联用,实现对目标分析物的快速、免仪器和便携式检测,这极大地减小了检测成本和检测时间,为在现场和资源受限环境中的检测提供了一种有力的分析方法。因此设计和合成性能优异的荧光探针用于构建高效的比率荧光传感器,并结合一些便携的设备用于快速和可视化检测,对临床诊疗、环境监测、公众健康和食品安全等领域具有非常重要的意义。本论文围绕荧光纳米材料的合成、比率荧光探针的设计、传感体系的构建、传感机理与传感性能的研究及便携式传感平台的构建发展了一系列简单、灵敏和有效的荧光分析方法,并将其用于4-硝基苯酚、汞离子、磷酸根、四环素和吡啶二羧酸等环境污染物的比率荧光和可视化传感。主要研究内容总结如下:1.基于内滤效应诱导的p H调节的可逆荧光纳米开关用于选择性和可视化检测4-硝基苯酚4-硝基苯酚（4-NP）作为一种常见的有害废物,对人类和环境已经造成了严重的威胁。因此,发展一种简单和便携的设备用于快速和选择性检测4-NP具有重要的意义。本章通过使用水溶性荧光聚合物碳点（PCDs）作为荧光探针,设计了一种p H调节的可逆荧光纳米开关用于选择性地检测4-NP。由于PCDs的荧光激发光谱与4-NP的吸收光谱在碱性条件下存在着较大的重叠,4-NP能够通过内滤效应猝灭PCDs的荧光。然而,在酸性条件下4-NP的吸收峰发生明显的蓝移,使其吸收光谱与PCDs的激发光谱几乎没有重叠,造成了内滤效应的消失,从而导致PCDs的荧光恢复。基于这一原理,构建了一种p H调节的可逆荧光纳米开关,用于灵敏和选择性地检测4-NP。该方法对4-NP检测的线性范围为0.5–60μM,检出限低至0.26μM。此外,该方法也能够应用于实际水样中4-NP的检测,以及发展了一种便携式的聚酰胺薄膜传感器用于4-NP的可视化检测,这为在现场和资源贫乏地区中4-NP的检测提供了一种有前景的检测平台。2.基于目标物引发的对内滤效应的抑制作用构建比率荧光传感平台用于特异性和可视化检测汞离子灵敏和选择性地检测汞离子(Hg2+)对人类健康和环境监测是至关重要的。本章通过将绿色荧光聚合物碳点（PCDs）和红色荧光四苯基卟啉四磺酸（TPPS）结合起来,构建了一个有效的比率荧光传感平台用于特异性和可视化检测Hg2+。TPPS能够通过内滤效应猝灭PCDs的荧光。在Mn2+和Hg2+都存在的条件下,Hg2+能够加速TPPS与Mn2+络合,造成了TPPS的荧光和吸收都减弱,从而减弱了TPPS和PCDs之间内滤效应。同时,由于TPPS和PCDs之间内滤效应的减弱,PCDs的荧光恢复。基于不同荧光信号的变化,构建了一个比率荧光传感平台用于特异性和可视化检测Hg2+。该比率荧光分析法在10–200 n M的范围内对Hg2+的检测呈现出良好的线性关系,检出限为0.038 n M。此外,随着Hg2+浓度的增加,传感体系溶液的荧光颜色逐渐从红色变为绿色,肉眼可以清晰地观察到这一明显的荧光颜色变化,这为在现场和资源受限环境中Hg2+的定性识别和半定量检测提供了一种简单的方法。3.双配体镧系配位聚合物作为一个比率荧光探针用于快速和可视化检测磷酸根合成新型发光材料用于灵敏和快速的检测磷酸根（Pi）在临床诊断和水质监测中具有重要的意义。本章设计了一个基于镧系配位聚合物（NH2-BDC-Tb GMP CP）的比率荧光探针用于快速和可视化检测Pi。通过自组装双配体2-氨基对苯二甲酸（NH2-BDC）和单磷酸鸟苷（GMP）与铽离子(Tb3+)制备了NH2-BDC-Tb GMP CP。在NH2-BDC-Tb GMP CP形成后,NH2-BDC的荧光通过静态猝灭作用被猝灭,而不发光的Tb3+由于Tb3+与GMP之间的天线效应发出强烈的绿色荧光。当存在Pi时,Pi会与NH2-BDC和GMP竞争去与Tb3+结合,破坏了NH2-BDC-Tb GMP CP体系间的相互作用,进而导致Tb3+的荧光减弱和NH2-BDC的荧光增强。因此,可以通过同时记录两个荧光信号的变化来实现Pi的比率荧光检测。Tb3+与NH2-BDC的荧光强度比(F547/F425)与Pi的浓度在0.5–100μM范围内呈现出良好的线性关系,检出限为0.13μM。该策略提供了一种简单、快速和灵敏的方法用于比率荧光和可视化检测Pi。4.基于天线效应和内滤效应的协同作用构建智能手机和试纸辅助的比率荧光传感器用于半定量和可视化检测四环素发展高灵敏和选择性好的方法用于现场检测四环素（TC）,对于保障公众健康和食品安全具有重要的意义。本章通过使用石墨相氮化碳（g-C3N4）纳米片和铕离子(Eu3+)设计了一种有效的比率荧光策略用于检测TC。在这一策略中,Eu3+和g-C3N4纳米片都作为TC的识别单元,TC可以通过内滤效应（IFE）猝灭g-C3N4纳米片的蓝色荧光,同时TC也能够通过天线效应（AE）增强Eu3+的红色荧光。由于TC对g-C3N4/Eu3+比率荧光传感体系引发的天线效应和内滤效应的协同作用,使得该比率荧光分析法对TC的检测展现出了较宽的线性范围（0.25–80μM）和较低的检出限（6.5 n M）。此外,该比率荧光传感体系对不同浓度的TC展现出一个明显的从蓝色到红色的荧光颜色变化。鉴于其简单、免标记、选择性好、灵敏度高和肉眼可识别的颜色变化,也发展了一种基于智能手机和试纸的即时检测平台用于可视化检测TC。将智能手机和试纸集成在比率荧光传感器上,极大地减少了检测成本和检测时间,为现场TC的定性识别和半定量检测提供了一种有前景的方法。此外,通过对牛奶中TC的检测,验证了该方法的潜在应用价值。5.基于镧系双金属有机框架的多重比率荧光传感器用于灵敏和可视化检测炭疽生物标志物发展灵敏和快速的方法用于可靠的检测吡啶二甲酸（DPA）,对于人类健康和公共安全具有重要的意义。本章通过以2-羟基对苯二甲酸为配体,稀土离子Tb3+和Eu3+为中心金属离子,设计合成了一种双金属镧系金属有机框架（Tb/Eu-MOF）。所合成的Tb/Eu-MOF对DPA具有多个识别位点。在DPA存在下,DPA可以取代螯合水分子,然后与Tb3+和Eu3+螯合,将能量转移给Tb3+和Eu3+,通过天线效应（AE）敏化它们发光,造成Tb3+（546 nm）和Eu3+（617 nm）的荧光增强,而配体（432 nm）的荧光保持不变。基于Tb/Eu-MOF对DPA的多重荧光信号响应,发展了以(F546/F432)和(F617/F432)作为输出信号的多重比率荧光传感器用于灵敏和选择性的检测DPA。并且,通过整合Tb3+、Eu3+和配体的荧光信号以(F546+F617)/F432作为输出信号,引入一个内源的信号放大策略去实现对DPA更灵敏和更可靠的检测。得益于信号放大和多重荧光响应,该比率荧光分析法不仅对DPA的检测具有高的灵敏度,而且对不同浓度的DPA展现出明显的荧光颜色变化。该多重比率荧光策略提供了一种简单、灵敏、快速、便携和可靠的方法用于可视化检测DPA。
关键词: 荧光纳米材料 ；荧光分析 ；比率荧光 ；可视化传感
被引量
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摘要： 纳米酶是一类具有类似天然酶催化活性的纳米材料,兼具酶的高效催化特性和纳米材料的独特理化性质。纳米酶活性稳定、易于储存、成本低廉,能够有效克服天然酶在应用中的限制。其中,过渡金属基纳米酶因其优异的类酶活性和特殊光电性质,在生物传感领域展现出重要应用价值。尽管如此,仍存在一些急需解决的关键问题和挑战,例如纳米酶催化活性单一、检测模式有限、检测步骤繁琐等。通过调控纳米材料的组成、结构和形貌,可精确调节其催化活性并赋予新功能。因此,本论文以开发新型多功能过渡金属基纳米酶为主要研究方向,借助多种制备手段,制备了几种具有优越性能的纳米酶,充分利用各纳米酶的特性构建了包括比色、荧光和智能手机辅助可视化检测在内的多种传感平台,并将其应用于生物分子、药物以及亚硝酸盐的灵敏检测。本论文主要研究内容概括如下: （1）本工作首先通过溶液还原法制备了具有类过氧化物酶活性的铁钴氧化物纳米片（FeCo-ONSs）,随后利用金纳米簇（His-AuNCs）与FeCo-ONSs之间的静电相互作用通过自组装法制备了复合纳米酶（His-AuNCs@FeCo-ONSs）。His-AuNCs@FeCo-ONSs不仅由于协同作用表现出增强的类过氧化物酶活性,而且结合了His-AuNCs固有的荧光信号。麦芽糖在α-葡萄糖苷酶和葡萄糖氧化酶的级联催化作用下会产生H2O2。在His-AuNCs@FeCo-ONSs的催化作用下,H2O2将3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）氧化为蓝色的ox TMB。同时,ox TMB可以通过内滤效应猝灭His-AuNCs@FeCo-ONSs的荧光。因此,基于由α-葡萄糖苷酶、葡萄糖氧化酶和His-AuNCs@FeCo-ONSs组成的生物酶-纳米酶酶级联反应,建立了α-葡萄糖苷酶的双模（比色/荧光）检测方法。该方法由于双响应信号可以进行自我校正,从而提高了分析精度。实验结果证明该方法可用于人血清样品中α-葡萄糖苷酶的测定和α-葡萄糖苷酶抑制剂的筛选。 （2）为了提高FeCo-ONSs纳米酶的类氧化酶活性及结构稳定性,本工作选择石墨烯结构良好且含氮量高的石墨氮化碳（g-C3N4）作为碳基底和氮源,将其与FeCo-ONSs通过高温热解,制备了氮掺杂碳层包裹的Fe/Co双金属纳米粒子（Fe/Co-NC）。碳载体的保护使得金属中心均匀分散并且加速了电子转移,氮掺杂提供了丰富的配位环境,促进了金属-氮活性位点的形成,因此Fe/Co-NC表现出优异且稳定的类氧化酶活性,可以催化溶解氧氧化TMB。将Fe/Co-NC整合到海藻酸钠/Ca2+水凝胶中,基于乙酰胆碱酯酶（ACh E）能催化硫代乙酰胆碱水解生成具有还原性的硫代胆碱,从而阻止TMB的氧化,构建了一种便携式水凝胶比色传感平台,实现了ACh E的可视化检测,并成功应用于人红细胞样品中ACh E的检测。此外,还利用该平台研究了农药三唑磷对ACh E的抑制作用。 （3）多杂原子掺杂是调整碳载体结构、提高纳米酶催化性能的有效策略之一。本工作以硫脲（thiourea）为硫源,将其包封入铜掺杂ZIF-8得到前驱体Th/Cu@ZIF-8,通过一步热解法合成了硫/氮共掺杂碳基铜纳米酶（S/Cu-NC）。得益于二元杂原子和三维多孔结构的协同作用,S/Cu-NC具有更多的活性位点,并表现出比Cu-NC更优异的类过氧化物酶活性。在S/Cu-NC和H2O2存在下,TMB和硫胺素分别被氧化为蓝色的ox TMB和具有强蓝色荧光的硫色素。作为自由基清除剂的褪黑素的加入阻止了上述两种底物的氧化,导致体系的吸光度或荧光强度降低。基于此,构建了一种双通道（比色/荧光）测定褪黑素的分析方法。同时,设计了一种简单便携的纸基传感装置,实现了紫外光和日光下通过颜色变化对褪黑素的方便检测,并成功应用于两种药物样品中褪黑素的检测,结果令人满意。 （4）为解决类过氧化物酶纳米酶在现场检测中受限于需添加外源H2O2的问题,本工作进一步在S/Cu-NC上原位合成了过氧化铜纳米点（CuO2）,成功制备了具有自供H2O2功能的新型复合纳米酶CuO2@S/Cu-NC。CuO2可以在酸性环境下产生H2O2,省去加入外源H2O2的步骤,并且原位形成的H2O2可以立即与S/Cu-NC的类过氧化物酶活性位点结合产生活性氧,因此以TMB为底物时CuO2@S/Cu-NC的最大反应速率比S/Cu-NC高10倍以上。由于H+诱导CuO2@S/Cu-NC产生H2O2的特性,p H值直接影响其催化氧化底物TMB的反应。基于组胺固有的碱性,建立了一种简便的组胺比色检测方法。此外,设计了一种便携式检测拭子实现了组胺的可视化检测与海鲜新鲜度的直观监测,显示了多功能纳米酶在食品监测领域的巨大潜力。 （5）在前面对纳米酶设计合成的研究基础上,本工作改变前驱体的形貌,合成二维片状的铜掺杂ZIF-L（Cu@ZIF-L）,并以Na2MoO4为二次金属源和形态调节剂,通过离子交换得到了更薄的二维Mo/Cu@ZIF。最后经高温热解制备了超薄铜/氮掺杂多孔碳（CuNC）包覆Mo2N纳米粒子的双金属碳基纳米酶（Mo2N@CuNC）,其超薄结构显著提升了碳基纳米酶的水分散性,并展现出较强的类过氧化物酶活性和类抗坏血酸氧化酶活性。利用Mo2N@CuNC的类过氧化物酶活性和NO2-引发的ox TMB重氮化反应设计了比率型比色传感平台用于亚硝酸盐检测;利用Mo2N@CuNC的类抗坏血酸氧化酶性质,将抗坏血酸催化氧化为脱氢抗坏血酸并与邻苯二胺反应生成具有蓝色荧光的喹喔啉衍生物,同时结合橙光碳点O-CDs作为参比信号,设计了比率荧光传感平台用于抗坏血酸的高选择性检测。此外还成功实现智能手机辅助的可视化检测,多酶活性纳米酶为环境和食品分析领域开辟了新的途径。
关键词: 过渡金属基纳米酶 ；比色检测 ；荧光检测 ；可视化检测 ；生物分子
摘要： 随着科技的不断发展,智能手机的功能性更强,人工智能技术也越来越成熟。基于智能手机的高分辨率摄像头和深度学习强大的图像处理能力,以智能手机来捕获和提取荧光色度图像,分析和量化目标物浓度,可构建用于目标物分析的即时检测平台。比率荧光传感具有内标可以进行自我校正,并且灵敏度高、精确性强,能用于可视化检测,可与数字图像比色法（DIC）结合开发即时检测（POCT）装置。借助深度学习的YOLOv5模型,实现对目标对象的高效检测和准确分类。YOLOv5模型对荧光图像的自动识别和和分析,提高了分析的自动化水平,增强了荧光分析的实时性。先进荧光材料的开发也为构建比率荧光传感提供了更多的选择。BCNO量子点（BCNO QDs）作为无毒无金属的优异光学纳米材料,具有良好的生物相容性、光谱可调、量子产率（QY）高和低毒性等优势。因此,我们基于BCNO QDs构建比率荧光探针,并使用深度学习辅助智能手机POCT设备开发了一系列灵敏、快速的检测方法,可应用于食品安全、环境监测、医学和生物传感等领域。本论文的主要研究内容概括如下:
1.开发了深度学习算法结合智能手机辅助的比率荧光探针（RF-probe）检测次黄嘌呤（Hx）的传感平台,具有灵敏度高、可现场即时检测和操作简单等优点。通过酶的级联反应,黄嘌呤氧化酶（XOD）将Hx分解为尿酸（UA）和H2O2,然后邻苯二胺（OPD）被辣根过氧化物酶（HRP）和H2O2催化氧化为2,3-二氨基酚嗪（DAP）。因为内滤效应（IFE）引起BCNO QDs在440 nm处的荧光猝灭,而DAP在570 nm处的荧光增强。随着Hx的加入,探针溶液的荧光颜色从蓝色变为黄色。荧光强度比值(I570/I440)与Hx的浓度在3-100μM范围内呈良好的线性关系,检测限为50 n M。采用自主研发的POCT设备结合智能手机捕获和提取溶液和试纸条的荧光彩色图像,可建立数字图像比色法（DIC）用于检测Hx。其溶液的线性关系范围分别为0-20μM和0-100μM,试纸条的线性范围为0-40μM。最后应用YOLOv5模型辅助识别、处理和预测图像,提高了准确性和灵敏度。该方法对于肉类新鲜度分析具有重要意义,可应用于食品安全领域的其他目标物分析。
2.设计了一种中空-吖嗪有机金属框架（HACOF）/BCNO QDs比率荧光膜探针检测生物胺（BAs）,借助POCT装置实时监测肉类新鲜度。生物胺荧光响应膜由荧光材料与传感薄膜组成,能够通过传感薄膜的荧光颜色变化对生物胺进行实时监测。通过加入氨水后HACOF的分子内氢键断裂,引起HACOF在635 nm处的荧光猝灭,而BCNO QDs在485 nm处荧光保持不变,据此可以构建比率荧光探针。HACOF和BCNO QDs的荧光强度比值(I635/I485)对28 ppm-15500 ppm范围内的氨水浓度的对数呈现良好的线性关系,检测限为0.56 ppm。通过智能手机拍摄荧光图片得到对应的RGB值,发现在12.5-12750 ppm范围氨水浓度的对数与B/R线性相关。我们将作为指示剂的HACOF和作为内参的BCNO QDs封装在聚二甲基硅氧烷（PDMS）溶液内,制备比率荧光膜。随着氨浓度的增加,膜的颜色逐渐从粉红色变为蓝色,在10 ppm-2.5×10～5 ppm的浓度范围内,B/R值与氨浓度的对数呈线性关系。通过对虾和鱼产生的挥发性胺进行检测,发现该HACOF/BCNO QDs比率荧光膜符合鱼和虾新鲜度的检测结果,可实现对食品新鲜度的现场即时检测。
3.发展了一种深度学习辅助的智能手机集成比率荧光便携式设备,用于可视化监测L-组氨酸（L-His）。制备Cu2+修饰的牛血清白蛋白-金纳米团簇（BSA-Au NCs）和透明质酸-BCNO量子点（HA-BCNO QDs）比率荧光探针,用于L-His的荧光检测。由于HA-BCNO QDs的荧光不变,BSA-Au NCs的荧光首先被Cu2+猝灭。然后,Cu2+可与L-His结合,将其从BSA-Au NCs表面移除,从而恢复BSA-Au NCs的荧光。这种结构确保了对L-His的无毒、低成本、无标记和灵敏检测。I640/I430与L-His浓度在0-26.5μM范围内呈良好的线性关系,检测限为50 n M。使用我们设计的便携式设备的智能手机采集并提取了溶液和试纸条的荧光彩色图像。该设备可用于建立数字图像比色法（DIC）检测L-His,在1-100μM范围内具有良好的线性。此外,通过深度学习YOLOv5模型辅助的智能手机集成便携式设备,可在现场对L-His进行即时检测。
关键词: BCNO QDs ；比率荧光探针 ；即时检测装置 ；数字图像比色法 ；深度学习
摘要： 有机小分子荧光探针具有低成本、高灵敏度、高选择性、快速响应、操作简单等优点,在物质识别、环境监测以及生物成像等领域受到广泛关注。现有荧光探针还存在着抗干扰能力不强、猝灭型响应以及发射波长短等缺点,限制了探针在物质检测和生物成像方面的实用能力。鉴此,本文基于D-π-A分子骨架,从分子结构调控出发,设计了一系列具有氰根离子、过氧化氢、黏度、极性响应能力的荧光探针,探明取代基结构对探针性能的调控规律,主要研究内容如下: （1）氰化物（CN-）是生物毒性最强的化学物质之一,具有极低的致死量。针对高灵敏度CN-检测方法的开发需求,设计并合成了两个基于氰基乙烯基识别基团的荧光探针Probe 1和Probe 2。基于亲核加成反应机理,探针Probe 1和Probe 2实现了对CN-的特异性识别,且检测具有高选择性、高灵敏度和强抗干扰能力。探针Probe 1和Probe 2对CN-的检测限分别为12.4 n M和101 n M,低于饮用水中允许的CN-残留上限。分析探针结构对功能的作用,发现探针Probe 1和Probe 2分别以N,N-二甲基苯胺、三苯胺为给电子基团,其它部分均相同,结果却导致探针Probe 1以绿色荧光增强信号响应CN-,而探针Probe 2以红色荧光猝灭信号响应CN-,分子结构的微调造成了Probe 1和Probe 2发光性能与CN-检测效果的差异。此外,附着探针的试纸能够检测饮用水中的CN-,且探针具有低细胞毒性并实现了对活细胞中CN-的荧光响应,良好的实用性能赋予探针Probe 1和Probe 2在环境监测和生物成像领域的应用前景。 （2）过氧化氢（H2O2）是多种疾病的指标分子,响应H2O2的荧光探针能够用于疾病的诊断与监测,而荧光猝灭型探针在生物体系中易受到干扰,因此针对荧光增强型H2O2探针的开发需求,设计了五个基于乙酰基识别基团的分子3a,3b,3c,3d,3e,并根据光谱性质筛选出3a和3c两个适用于H2O2检测的探针开展进一步研究。探针3a和3c分子中的乙酰基引起分子内电荷转移（ICT）效应,导致探针无荧光发射;而当探针与H2O2反应后,乙酰基消去,红色荧光产生,因此实现对H2O2的荧光增强型响应,且检测具有高选择性、强抗干扰性和高灵敏度。分析结构对探针功能的作用,发现仅改变探针分子中给电子基团的取代位置,即可对探针H2O2检测能力和荧光发射波长造成较大影响。此外,探针3a和3c能够定量检测牛奶样本中的H2O2含量;探针3c响应H2O2后引起溶液颜色发生由绿到蓝的变化,据此能够利用智能手机辅助的分析平台实现对H2O2的定量检测;探针3a具有良好生物相容性,能对活细胞和斑马鱼中的H2O2进行荧光响应。这些性能进一步拓展了探针3a和3c的实用能力。 （3）黏度是细胞微环境的重要指标之一,细胞内黏度水平异常会引发多种疾病,所以黏度敏感探针能够用于诊断和监测与黏度相关的疾病。而在生物成像中,荧光波长较短的探针会受到更多干扰,且对生物体的光毒性更大,因此需要开发长波长发射的荧光探针,以达到强抗干扰能力和较小的光损伤。基于此,设计了两个具有黏度响应的探针J1和J2,探针分子中带有可旋转单键,在低黏度环境中,分子旋转引发扭曲分子内电荷转移（TICT）效应,导致无荧光发射,而在高黏度环境中,分子旋转受限引起荧光发射,因而实现对黏度的荧光增强型响应。通过改变π桥长度调节探针的结构,发现具有更大π共轭的探针J2具有更长的荧光波长,荧光发射达到近红外（NIR）,表明探针结构微调对于发光性能的影响。另外,探针J1和J2具有低细胞毒性,成功实现对活细胞黏度的荧光响应,有望用于生物体内的黏度检测。 （4）多响应探针可以对多种分析物进行检测,能够有效降低探针的开发成本,以及避免多个单响应探针同时工作时产生的相互干扰。针对多响应探针设计策略的研究需求,开发了一个能够同时响应极性和CN-的探针TPABT。探针以三苯胺为给电子基团、以二氰基乙烯基和苯并噻吩酮为吸电子基团,构建了一个强推拉电子体系,通过ICT机理实现极性响应,通过亲核加成反应机理实现CN-检测。值得注意的是,探针TPABT对极性和CN-的响应分别为NIR荧光增强（766 nm）和红色荧光增强（640 nm）,两个荧光信号通道相距较远,有效降低了相互干扰,达成了有效的双响应行为。探针对极性和CN-的检测各自具有较好的选择性和抗干扰能力,对CN-的检测限为22 n M,具有高灵敏度。此外,探针能利用癌细胞与正常细胞极性差异将二者通过荧光信号进行区分,并且能监测发生在活细胞中的极性变化。用探针制成检测试纸,成功用于多种真实水样中的CN-检测。结果表明,探针TPABT在环境监测和生物成像方面具有应用前景。
关键词: 荧光探针 ；高灵敏度 ；荧光增强型响应 ；抗干扰性 ；近红外
摘要： 传感器技术是国民经济的基础性、战略性技术,是信息化的源头。其中,拥有优异选择性、灵敏度极高的荧光传感器,已取得一些阶段性的成果。近年来,具有卓越荧光性质的纳米材料蓬勃发展使其在构建荧光传感平台方面具有很强的竞争力。由二维Ti3C2MXene为前体制备的新型碳化钛量子点（Ti3C2MQDs）赋有独特的光学优势、稳定可调的物理化学性质,也给荧光传感领域注入了新的活力。研究人员致力于探寻高效合成Ti3C2MQDs的策略、改良其荧光性质,以期构建新型的荧光传感体系。此外,随着数字图像比色技术的兴起,通过模型化目标物的浓度与荧光传感结合,进一步地实现了简便、现场化、可视的检测目的。因此,本文以Ti3C2MQDs的制备和调控为出发点,开发了一系列灵敏、快速的荧光传感器用于食品目标分析物的智能检测。本论文的主要研究内容概括如下:1.利用掺杂的方式对Ti3C2MQDs进行改性,提高量子产率,通过一步水热法合成了氮、硼掺杂的碳化钛量子点（N,B-Ti3C2MQDs）。N,B-Ti3C2MQDs表现出激发依赖的蓝色光致发光,最佳激发/发射峰在335/439 nm处,量子产率高达18.9%。利用N,B-Ti3C2MQDs与Eu3+耦合的方法,建立了比率荧光探针对四环素（TC）的检测。在Eu3+/N,B-Ti3C2MQDs体系中加入TC后,由于内滤效应和天线效应,N,B-Ti3C2MQDs的蓝色荧光发射被猝灭,Eu3+的红色荧光发射逐渐增强。在0.2-20μM的浓度范围内,探针对TC浓度的响应具有良好的线性关系,检出限为20 nM。在检测过程中,溶液荧光颜色的变化（由蓝到红）使得进一步的可视化检测成为可能,并结合便携式的试纸条和数字图像比色法实现可靠、即时的分析。通过牛奶样品中TC的定量检测,验证了该方法的实用性。2.为进一步拓展Ti3C2MQDs的应用范围,利用带正电荷碳点（CDs）和带负电荷Ti3C2MQDs之间的静电吸引作用,构建Ti3C2MQDs/CDs复合材料,制备了一种基于荧光共振能量转移（FRET）的新型比率荧光探针,用于可靠、灵敏地检测结晶紫（CV）。在单激发波长为340 nm的条件下,探针在440 nm和565 nm处呈现双发射峰,具有高效的FRET效率。CV使CDs的黄色荧光猝灭,而Ti3C2MQDs的蓝色荧光保持不变,使得I565/I440nm荧光比值发生变化。得到检测CV的线性范围为0.02-2.0μM,检出限为8.6 nM。该探针成功地应用于鱼肉样品中CV的检测,回收率为94.0-106.5%。采用数字图像比色分析,R/R+G+B值与CV浓度的线性关系良好。该方法提供了基于Ti3C2MQDs的复合荧光探针构建思路,并拓宽了Ti3C2MQDs的检测应用范围。3.首次以甲酰胺为溶剂,微波辅助法合成了具有绿色荧光的氮、磷掺杂Ti3C2MQDs（N,P-Ti3C2MQDs）,大大缩短了反应时间,并且改善了已报道Ti3C2MQDs荧光发光区域多集中于400-450 nm区间的问题,进而设计基于N,P-Ti3C2MQDs的亚硝酸根（NO2-）检测平台。1,10-邻二氮菲-铁（II）配合物(Phen-Fe2+)能通过内滤效应猝灭N,P-Ti3C2MQDs的荧光,加入NO2-后,NO2-与Fe2+发生氧化还原反应使得荧光恢复,伴随着溶液颜色由橙色到无色的变化。因此,我们建立了比色/荧光双模态检测NO2-的方法。此外,结合制备的试纸条,智能手机捕获探针照片,并通过RGB（Red,Green,Blue）模型量化NO2-的浓度,实现对NO2-的现场快速检测。同时,此方法对火腿肠里NO2-的含量进行分析,验证其实际应用中的可靠性。
关键词: 碳化钛量子点 ；荧光探针 ；双模态 ；数字图像比色法 ；试纸条
摘要： 目前,兽药在动物源性食品中的残留超标,严重危害人类健康,因此开发集分离、富集、识别于一体的高精准分析检测技术对于监测食品中残留兽药是至关重要的。荧光检测因具有操作简单、成本低、速度快、灵敏度高以及易于可视化分析等优势被广泛应用于食品中典型危害物的高效、灵敏检测。此外,随着纳米技术的发展,一些新型荧光仿生传感纳米探针的不断涌现,使荧光检测的选择性、稳定性、重现性和灵敏度得到了空前的发展。本研究以抗生素药物土霉素和抗病毒药物利巴韦林为研究对象,基于碳点和镧系金属有机框架独特的光学特性,结合“仿生抗体”纳米制备技术,构建了四种基于分子印迹仿生识别的高选择、高灵敏的荧光传感检测体系,并进一步探究目标物与探针互作机制,解决实际样品中基质干扰性问题,实现了动物源性食品中残留兽药的高选择性识别与精准检测。具体内容如下:1.基于Mg,N-CDs功能化仿生传感探针荧光检测土霉素研究以镁、氮共掺杂荧光增强策略制备的亮蓝色碳点(Mg,N-CDs)作为荧光响应信号,结合分子印迹技术,通过将Mg,N-CDs封装于印迹层形成了碳点功能化的新型荧光仿生传感探针(Mg,N-CDs@MIP),并利用内滤效应(IFE)实现了对土霉素(OTC)的高效、灵敏荧光检测。基于镁和氮共掺杂荧光增强策略,所构建的Mg,N-CDs@MIP对OTC表现出灵敏的荧光响应。同时,印迹位点的引入赋予Mg,N-CDs@MIP良好的特异性识别能力,避免了繁琐的样品前处理过程。与非印迹聚合物(Mg,N-CDs@NIP)相比,Mg,N-CDs@MIP由于整合了 Mg,N-CDs荧光选择性和MIP特异性识别能力使其对OTC表现出了更高的结合效率和亲和力。Mg,N-CDs@MIP的荧光强度与OTC浓度在0.125-40 μg mL-1范围内呈现出良好的线性关系,检出限为41.3 ng mL-1。最终,Mg,N-CDs@MIP被成功用于牛奶样品中OTC检测,其结果与HPLC结果具有良好的一致性。Mg,N-CDs@MIP在OTC定量分析方面显示出潜在的应用价值。2.基于Mg,N-CDs@MIL-101功能化仿生传感探针荧光检测土霉素研究以具有高孔隙率和表面积的金属有机框架(MIL-101)为载体,通过室温搅拌将荧光源Mg,N-CDs作为客体封装于主体MIL-101形成了复合材料Mg,N-CDs@MIL-101,并在含有OTC(目标分子)、3-氨基丙基三乙氧基硅烷(功能单体)和正硅酸乙酯(交联剂)的混合溶液中,结合溶胶-凝胶表面印迹技术制备了新型荧光仿生传感探针(Mg,N-CDs@MIL-101@MIP)。本研究中,MIL-101作为载体和Mg,N-CDs保护外壳不仅提高了探针的传质速率和吸附能力,还进一步增强了探针的稳定性。Mg,N-CDs由于其超小尺寸利于高效封装,避免了探针的多步修饰。而且Mg,N-CDs独特的荧光性能使Mg,N-CDs@MIL-101@MIP对OTC表现出了灵敏的荧光响应。印迹层的修饰进一步赋予Mg,N-CDs@MIL-101@MIP良好的抗干扰能力。在最佳检测条件下,Mg,N-CDs@MIL-101@MIP利用内滤效应实现了对OTC的快速、高效定量分析,其线性范围为0.05-40 μg mL-1,检出限为16.8 ng mL-1。Mg,N-CDs@MIL-101@MIP最终被用于牛奶样品中OTC的分析,所得结果与传统的HPLC方法具有良好的一致性。Mg,N-CDs@MIL-101@MIP可为实现实际样品基质中OTC监测提供了一个令人满意的检测平台。3.基于Mg,N-CDs/Eu-MOFs功能化仿生传感探针比率荧光检测土霉素研究以碳点功能化铕基金属有机框架与分子印迹聚合物结合,设计合成了一种简便、高效的双通道比率荧光仿生传感探针(Mg,N-CDs/Eu-MOFs@MIP),并实现了对痕量OTC特异性识别和灵敏检测。在目标物OTC存在下,由于内滤效应,Mg,N-CDs(445 nm)的蓝色荧光被有效淬灭,而Eu3+(620 nm)的红色荧光由于“天线效应”而显著增强。基于IFE和AE协同作用的高效荧光传感机制使比率荧光探针Mg,N-CDs/Eu-MOFs@MIP 比单发射型荧光探针(Eu-MOFs@MIP)具有更宽的线性范围(0.02-50μg mL-1)、更低的检出限(6.6 ng mL-1)以及易于区分的荧光颜色转变(蓝到红)。同时,金属有机框架的高孔隙率和表面积使传感体系在2 min内达到吸附平衡,缩短样品分析时间。更重要的是,通过印迹层的修饰,Mg,N-CDs/Eu-MOFs@MIP在实际样品检测中依然对OTC表现出优异的结合效率和令人满意的特异性。为实现对目标物的现场、实时在线分析,将Mg,N-CDs/Eu-MOFs@MIP与便携式智能手机辅助的光学检测器件耦合,进一步构建了适用于牛奶样品中痕量OTC检测的智能化监测平台,为复杂食品中OTC现场快速检测提供了新的策略。4.基于BA-MOFs功能化仿生传感探针比率荧光检测利巴韦林研究以硼酸功能化的金属有机框架(BA-LMOF)作为载体和荧光源,结合分子印迹识别单元,采用硼亲和可控定向表面印迹策略,首次构建了具有双识别位点的比率荧光仿生传感探针BA-LMOFs@MIP,并利用天线效应实现了对痕量利巴韦林(RBV)的比率荧光检测。在该策略中,由于共价硼亲和识别位点与非共价印迹位点的协同作用使所开发的BA-LMOFs@MIP表现出高特异性、强亲和力和优异的结合效率。同时,BA-LMOFs作为载体和荧光源被引入赋予BA-LMOFs@MIP理想的表面积、双发射荧光响应信号以及优异的亲水性。在最佳检测条件下,所制备探针的荧光响应与RBV的浓度在25-1200 ng mL-1范围内呈现出良好的线性关系,检出限低至7.6 ng mL-1。最后,BA-LMOFs@MIP被应用于鸡蛋样品中RBV的检测,所得结果与传统的HPLC方法基本一致。本研究不仅丰富了构建具有高灵敏和高选择性的比率荧光传感探针的方法,还为实际样品中RBV的监测提供了一个高效、灵敏、专一性好的分析平台。
关键词: 碳点 ；发光金属有机框架 ；荧光仿生传感探针 ；荧光检测 ；土霉素 ；利巴韦林
摘要： 目的过氧化氢（Hydrogen peroxide,H2O2）作为许多酶催化反应的中间产物在食品科学、环境监测和疾病诊断中都起到关键作用,尤其是在人体免疫系统中由于其强氧化性,在许多生物进程中都存在。然而细胞内H2O2浓度异常会导致氧化应激反应,从而产生普遍的细胞损伤,越来越多的证据表明,H2O2水平异常与癌症和其他重大疾病有关。炭疽杆菌被认为是一种具有极高杀伤力的潜在生物战剂,炭疽杆菌释放孢子可以通过皮肤、肺、胃肠道三种途径进入人体从而引发严重的感染性疾病。其中2,6-吡啶二羧酸（2,6-pyridinedicarboxylic acid,DPA）为炭疽杆菌孢子主要成分,在炭疽杆菌孢子中占5-15%,是炭疽孢子的独特生物标志物。因此研发一种响应快、特异性强和样本消耗量少的分析方法用于检测人体内H2O2和DPA含量是至关重要的。方法本实验采用简单的溶剂搅拌法在室温下合成铕-金属有机框架（Europiummetal organic framework,Eu-MOF）,在280 nm激发下通过监测617 nm处荧光强度变化间接检测H2O2含量,并且优化了反应p H、温度、反应时长等条件获得Eu-MOF最佳反应灵敏度。同时将Eu-MOF重复浸泡至滤纸上制备了稳定的Eu-MOF便携式试纸条在借助颜色辅助分析装置实现过氧化氢现场检测。在Eu-MOF基础上,本课题通过自组装将碳量子点（Carbon quantum dots,CDs）嵌入Eu-MOF中合成CDs@Eu-MOF用于比率型检测DPA。CDs@EuMOF具有自校准功能,可对人血清样品中的DPA进行高灵敏度和选择性识别。发射蓝光的CDs被用于荧光参考,而Eu-MOF通过与DPA的配位相互作用红色荧光信号增强从而实现比率型DPA含量检测。结果Eu-MOF具有特征性红色荧光,随着H2O2的加入,H2O2的亲电性和亲核性会削弱有机配体向Eu3+之间的能量传递从而观察到显著的荧光淬灭。在优化条件下,Eu-MOF表现出高灵敏度和选择性,在1-150μM浓度范围内具有线性关系（R2>0.99）,检出限（Limit of detection,LOD）为0.65μM,可成功应用于检测人血清中H2O2含量检测。并且研发的荧光试纸条在智能手机颜色分析装置辅助下,仅需消耗5μL样品即可实现H2O2含量监测。CDs@Eu-MOF在280 nm的单波长激发下分别发出源自CDs和Eu-MOF的两种特征性荧光。在DPA存在下,它们分别用作参考信号和识别信号,CDs的荧光强度保持恒定,Eu-MOF的荧光强度随DPA浓度增加而增强,从而产生对DPA的比率荧光响应。获得的用于检测DPA的CDs@Eu-MOF表现出较宽的线性范围（0.3-4.5μM）和较低的LOD为0.09μM,具有高灵敏度、稳定性和选择性。结论Eu-MOF作为荧光探针可用于高灵敏度快速检测并且其荧光试纸条表现出长期稳定性、样品消耗量少、抗干扰能力强的优势可用于人血清中H2O2含量分析。与传统检测工作相比,这项工作不仅为H2O2检测提供了一种新颖实用的策略,而且为生物样品的传感提供了可靠的平台。作为一种H2O2便携式检测设备,是现场检测H2O2的最佳选择。CDs@Eu-MOF具有比率荧光纳米探针固有的优异特性,同时结合了CDs和Eu-MOF的优点。该荧光探针能有效克服外界环境因素的干扰,提高了传感器的稳定性和准确性,与基于单波长荧光的DPA检测策略相比具有显著的应用前景。总之,成功合成了新型荧光纳米探针CDs@Eu-MOF用于DPA比率荧光检测,传感器表现出快速响应、低检测限和宽线性范围的优势,对DPA检测具有高灵敏度和选择性,该方法可用于人血清中DPA的含量检测。
关键词: 铕金属有机框架 ；H2O2 ；荧光检测 ；试纸条 ；DPA ；人血清
摘要： 纳米酶是指可以模拟天然酶催化活性的纳米材料,相比于天然酶而言,它具有成本低、稳定性高和可大规模生产等优势。目前,针对单一类酶活性的纳米材料已被广泛研究,但对具有多种类酶活性的纳米材料的研究较少并且一般局限于模拟过氧化物酶、超氧化物歧化酶(SOD)和氧化酶。具有多酶模拟活性的纳米材料能够催化不同种类的底物,有利于扩大其应用范围或进一步实现级联催化反应。考虑到铜的含量丰富,价格低,具有与贵金属相当的优异性能,并且许多天然金属酶的催化活性中心含有铜。因此,本文期望探索一种制备方法简单,具有多酶活性的铜基纳米材料,并将其应用于果汁分析。本文围绕着铜(Ⅱ)-天冬氨酸纳米酶的多种类酶活性,将其与比色/荧光法相结合,构建了比色/荧光传感平台用于果汁中目标分析物的检测,并通过结合传感器阵列技术成功对果汁进行了区分和识别。主要工作如下:(1)基于铜和L-天冬氨酸配位自组装形成一种纤维状的纳米材料(CuAsp纳米纤维),首次证明了CuAsp纳米纤维可以模拟过氧化物酶、漆酶、过氧化氢酶、抗坏血酸氧化酶(AAO)以及SOD的催化活性。XPS分析表明CuAsp纳米纤维中同时含有Cu2+和Cu+,混合氧化价态铜的存在可能是CuAsp具有多酶活性的主要原因。CuAsp具有类过氧化物酶的活性主要源自其催化H2O2生成羟基自由基。此外,CuAsp纳米纤维的过氧化物酶和过氧化氢酶模拟活性可以通过p H进行调控,并不会产生干扰。动力学研究表明所合成CuAsp纳米纤维具有良好的底物亲和能力和催化反应速率。(2)基于CuAsp纳米纤维的类过氧化物酶活性建立一种比色传感器用于检测果汁总抗氧化能力。以3,3',5,5'-四甲基联苯胺(TMB)作为过氧化物酶的显色底物,CuAsp纳米纤维可以在体系中含有H2O2时将无色的TMB氧化成蓝色的ox TMB。而抗氧化剂如还原型谷胱甘肽(GSH)、L-半胱氨酸(Cys)以及抗坏血酸(AA)的引入会抑制上述颜色反应,进而能够实现对抗氧化剂的定量检测。该方法可以成功用于不同商品果汁的总抗氧化能力检测,结果准确性较高。(3)基于CuAsp纳米纤维模拟过氧化物酶活性,催化三种典型的过氧化物酶显色底物TMB、2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)和邻苯二胺(OPD)分别生成ox TMB、ox ABTS和ox OPD。以这三种不同颜色的氧化产物为传感探针,构建了用于区分抗氧化剂的三通道比色传感器阵列。果汁的口味、原料产地和加工方式的不同会导致其所含抗氧化剂的种类和含量存在差异。因此,利用所构建的比色传感阵列进一步实现对不同口味、不同品牌以及不同类别果汁的区分和识别。(4)基于CuAsp纳米纤维的类AAO和类漆酶活性,设计了一种用于检测AA的比率荧光传感平台。OPD可被CuAsp的类漆酶活性氧化生成具有黄色荧光的ox OPD,当AA加入后被CuAsp的类AAO活性氧化生成脱氢抗坏血酸(DHAA),DHAA会与OPD偶联生成蓝色的荧光产物,从而阻碍ox OPD的形成。该方法可以选择性检测AA,其线性检测范围为1-220μM,检出限为0.32μM,灵敏度较好。此外,可以基于智能手机和紫外灯下荧光颜色的变化进行AA的可视化检测,进而实现现场分析。并且该比率荧光传感平台也可以用于实际果汁中AA的检测,在实际应用中具有一定潜力。(5)基于CuAsp纳米纤维的类漆酶活性检测和去除果汁中的酚类化合物。利用CuAsp可以将儿茶素氧化成黄色产物并产生比色信号的原理,建立了一种比色传感器用于检测儿茶素。该方法抗干扰性强,对儿茶素检测的线性范围为20-1200μM,检出限为5.88μM。对CuAsp纳米纤维催化性能的考察结果表明纳米酶的p H、温度和储存时间的稳定性都优于天然漆酶,并且CuAsp纳米纤维可以通过离心进行回收,经过10次循环后CuAsp纳米纤维仍可以保持80%以上的初始活性。此外,该纳米酶可用于去除实际果汁样品中的酚类化合物,去除效果优于天然漆酶。即使在高温条件下,CuAsp纳米纤维依然能够有效去除果汁中的酚类化合物。
关键词: 纳米酶 ；多酶活性 ；果汁分析 ；传感器阵列 ；比色/荧光传感
被引量
1
摘要： 近年来,金属-有机框架（Metal-Organic Frameworks,MOFs）作为一种具有高度可调性和多功能性的晶体材料,已在各个领域引起了广泛关注。其独特的结构特征和出色的理化性质为构建高效的荧光探针提供了理想的平台。然而,目前大部分的MOFs基荧光探针仅限于单一的信号输出,对于复杂环境中的分析应用存在一定局限性。在这一背景下,构建MOFs基比率型荧光探针,利用MOFs的高度可调控性,不仅能够实现对特定分子的高效检测,还能够通过调控比率信号来提高检测的准确性和可靠性。本研究通过合理设计MOFs的结构,构建了一系列具有优异性能的MOFs基比率型荧光探针,实现了对特定目标物分子的高灵敏度和高选择性的荧光检测。通过引入不同的有机配体和金属节点,成功调控了MOFs的结构及其荧光性能,为构建具有可调控性和定向性的比率荧光探针提供了新的思路。
第一章:简要概述了MOFs基荧光探针的发光机理、检测类型、MOFs基比率型荧光探针的合成方法及构筑策略,并对MOFs基比率型荧光探针的分析应用研究进行了综述。
第二章:利用溶剂热的方法将Eu3+引入Al-MOF中,制备了具有Eu3+和1,4-萘二甲酸配体双发光中心的Eu/Al-MOF探针。荧光探针Eu/Al-MOF与组氨酸作用后,增强了配体与Eu3+之间的能量转移,导致Eu3+的荧光强度增加,配体的荧光强度降低。基于此,以配体和Eu3+的荧光强度比作为输出信号,构建了一种基于Eu/Al-MOF的荧光传感平台,实现了对组氨酸的比率荧光检测,线性范围为0.1-400μM,检测限为0.04μM,并可用于人尿液中组氨酸的检测。此外,有机溶剂中微量水存在的情况下,水可以诱导配体的分子内电荷转移,进而抑制配体向Eu3+的能量转移,导致Eu3+的特征红色荧光在有机溶剂中被水猝灭。由此建立了用于有机溶剂中微量水的比率荧光检测方法。在乙醇和DMF中,微量水的检测范围分别为0.1-20%和0.5-20%。进一步的研究表明,Eu/Al-MOF特有的红色固态荧光还可以高效地实现指纹的可视化识别,为其作为一种多功能荧光探针提供了可能。
第三章:通过在Ui O-66型MOF中引入2-氨基对苯二甲酸（BDC-NH2）和Tb3+离子,成功制备了比率荧光探针Tb@Ui O-66-（COOH）2/NH2。探针中-NH2基团会与精氨酸形成氢键,导致BDC-NH2的荧光强度增加,而Tb3+的特征荧光发射强度不变,以此构建了一种对精氨酸敏感的荧光分析方法,检测限为5.44μM。相比之下,在2,6-吡啶二羧酸（DPA）存在时,Tb3+会与DPA形成稳定的复合物,从而引起“天线效应”增强,Tb3+的荧光发射显著增强,而配体BDC-NH2的荧光保持不变。基于此响应机理,该探针能够实现对DPA的比率荧光检测,检测限为0.05μM。进一步将探针应用在血清中精氨酸和DPA的检测,实验结果表明探针具有良好的实际应用能力。此外,构建了智能手机辅助的比色传感平台,实现了对精氨酸和DPA的快速准确识别。同时,探针固有的绿色固态荧光还可以用于指纹的可视化识别,丰富了其作为多功能荧光探针的应用。
第四章:构建了一种基于Mn2+离子修饰双配体Zr-MOF（Zr-TCPP-bpydc）的荧光探针（Mn@Zr-MOF）,用于过氧化氢（H2O2）的灵敏检测。Zr-MOF中的配体2,2′-联吡啶-5,5′-二羧酸（H2bpydc）含有Mn2+的结合位点,与Mn2+结合后可赋予Zr-MOF过氧化物酶催化活性。Mn@Zr-MOF会与H2O2发生类芬顿反应产生羟基自由基,进而催化邻苯二胺氧化生成黄色荧光产物2,3-二氨基吩嗪（DAP）,而Mn@Zr-MOF中来自配体中-四-（4-羧基苯基）卟吩（TCPP）的红色荧光保持不变。以DAP和TCPP的荧光强度比作为输出信号,建立起用于定量H2O2的荧光传感平台,线性检测范围为0-50μM,检测限为0.04μM。该探针还可实时检测刺激物诱导下活细胞中H2O2的释放量。此外,将附有探针的试纸条与智能手机相结合构建了用于H2O2检测的比色传感平台,可作为简便快速检测H2O2的便携式工具。
第五章:通过外延生长法将Ui O-66（OH）2固定在稀土基MOF（Y-TCPP）上,构建了双识别模式的比率荧光探针Ui O-66（OH）2@Y-TCPP用于检测Al（Ⅲ）和pH。Al（Ⅲ）与Ui O-66（OH）2中的羟基配位后,抑制了激发态分子内质子转移过程,进而导致Ui O-66（OH）2的荧光信号显著增强,而Y-TCPP的荧光信号保持不变。基于此响应机理,实现了对Al（Ⅲ）敏感的比率荧光检测,线性范围为0.1-1000μM,检测限为0.06μM。该探针还可用于铝碳酸镁咀嚼片中Al（Ⅲ）的含量检测。此外,该探针以Ui O-66（OH）2的荧光信号为内置参比,基于Y-TCPP中配体的亚氨基去质子化引起的荧光信号增强,实现了对pH在7-13范围内的比率荧光传感。进一步制备了附有探针的试纸条,并结合智能手机上的颜色识别软件,开发了可用于实时便捷检测pH的比色传感平台。
关键词: 金属有机框架 ；比率荧光探针 ；比色传感 ；指纹识别
摘要： 随着工业化和现代化进程的快速发展,采矿、建材、冶金、化工制造等重污染行业向自然界释放大量有毒金属离子,对水环境和人体健康构成严重威胁,因此本文基于比率荧光方法和荧光传感器阵列构建了灵敏检测水中金属离子的传感方法,主要研究内容及结论如下:
（1）基于3,3',5,5'-四甲基联苯胺（TMB）和钙黄绿素,开发了一种成本低廉、选择性好的检测水中Fe2+比率型荧光传感方法。酸性条件下TMB被芬顿反应生成的·OH氧化生成氧化3,3',5,5'-四甲基联苯胺（ox TMB）,钙黄绿素与芬顿反应生成的Fe3+配位生成了Fe3+-钙黄绿素复合物。随Fe2+浓度增加,ox TMB在415nm处的蓝色荧光强度与钙黄绿素在515 nm处的绿色荧光强度比I515/I415线性下降,通过分析I515/I415的大小对Fe2+检测的灵敏性与选择性进行评估,检出限低至0.12μM。此外还验证了本方法在水样中检测Fe2+的能力。
（2）开发一种携带方便、灵敏度高的现场即时检测传感平台检测Fe2+是十分有必要的。本章构建了一种基于钙黄绿素和对苯二甲酸的检测Fe2+比率荧光传感方法,酸性条件下,Fe2+与钙黄绿素和对苯二甲酸配位生成Fe2+-钙黄绿素、Fe2+-对苯二甲酸配合物,Fe2+-钙黄绿素配合物与H2O2发生芬顿反应自身被氧化为Fe3+-CA复合物,生成的·OH氧化本体系中游离的TPA生成2-羟基对苯二甲酸,·OH同时还氧化了CA以及Fe3+-CA。随Fe2+浓度增加,Fe2+-对苯二甲酸配合物与2-羟基对苯二甲酸在420nm处的蓝色荧光强度与钙黄绿素在515 nm处的绿色荧光强度比I420/I515线性上升,结合智能手机辅助,成功构建了水中Fe2+现场即时检测平台。检测范围为0-2.25 m M,检出限为1.1μM。在水样检测中该现场即时检测平台也实现了较为良好的回收率。
（3）由于多种重金属离子的协同和叠加毒理效应,越来越多的复合污染严重影响人类健康,在复杂水环境中快速鉴别多种重金属离子仍然是一个重大挑战。本章构建了一种由单个S,N-GQDs（硫氮共掺杂碳量子点）探针构建的荧光阵列传感器用于快速准确地识别重金属离子。由于S,N-GQDs与金属离子之间的相互作用不同,产生独特的荧光响应图谱,通过线性判别分析（LDA）和分层聚类分析（HCA）进行分析处理,实现了对10种重金属离子及重金属离子混合物的高效、快速、准确的区分和定量检测。水样中金属离子检测的优良回收率验证了该传感器阵列的实际应用价值。
关键词: 比率荧光 ；荧光传感器阵列 ；金属离子 ；水样
摘要： 随着社会经济的发展和科技的进步,人们对健康问题的关注度不断提高。尽管现代医疗水平得到了显著提升,但是医院作为主要的医疗资源仍然存在一定限制。在日常生活中,人们对于健康管理需求更加多样化和个性化。即时检测（Point-of-Care Testing,POCT）技术的出现,为实现人们的日常家庭医疗检测提供了可能。如今,智能手机已经成为人们日常生活中不可或缺的工具之一,并且具有广泛普及率,在推动POCT发展方面也起到了重要作用。随着电化学生物传感技术与智能手机平台的结合,POCT检测技术迎来了新的发展机遇。基于智能手机的电化学生物传感平台是一种方便、快速、准确的现场检测工具,它将生物学、电化学和智能终端相结合,可以在短时间内提供准确的结果。本课题的重点是利用纳米材料对传感界面的调控及酶信号放大技术,同时利用印刷电极的多元分析能力,并结合电化学生物传感和智能手机自身的特点和优势,开发一种基于智能手机的便携式电化学生物传感即时检测平台,实现了对肿瘤标志物的高灵敏和高选择性检测。本论文的研究工作主要包括以下四部分:
（1）基于Bi-Sb复合材料的免标记电化学传感器用于HER-2的即时检测。
人表皮生长因子受体2（HER-2）作为乳腺癌的预后生物标志物,具有重要的诊断价值。本方法采用简单的等温技术合成了Bi-Sb AMs纳米复合材料,并将其滴在丝网印刷电极（SPE）上。由于Bi-Sb AMs具有高的电导率和大的比表面积,能够显著促进电子转移并为适配体探针提供更多的活性位点。随后,在壳聚糖和戊二醛的辅助下,将HER-2的适配体（Apt）固定在Bi-Sb AMs/SPE上。当HER-2存在时,Apt能够特异性地与HER-2结合形成Apt/HER-2复合物。由于HER-2具有较大的体积和较低的电导率,阻碍了[Fe（CN）6]3-/4-与工作电极表面之间的电子传递,从而导致[Fe（CN）6]3-/4-的氧化还原电流减小。基于加入HER-2前后[Fe（CN）6]3-/4-电流变化实现了对HER-2的检测。POCT装置由修饰的丝网印刷电极（SPE）(传感单元)、Sensit Smart USB电化学分析仪（信号传输单元）和智能手机（信号输出单元）组成。用Sensit Smart USB电化学分析仪和智能手机取代笨重的电化学站和计算机,这种便携式装置可以实现HER-2的即时检测。在乳腺癌的预防、诊断、治疗以及病人的预后实时监测中具有潜在的应用前景。
（2）基于Zr6MOFs信号放大的智能手机电化学传感用于CEA的即时检测。
癌胚抗原（CEA）是一种在癌细胞中高表达的生物标志物。CEA的高灵敏度、高选择性检测在恶性肿瘤的诊断、监测和疗效评价中具有重要的临床价值。本研究基于Zr6MOFs信号放大策略,开发了一种基于智能手机的电化学即时检测（POCT）平台,用于CEA的检测。将二茂铁标记的DNA链（Fc-DNA）固定在Zr6MOFs上,形成Fc-DNA/Zr6MOFs信号探针。通过Au-S键将捕获探针c DNA和CEA适配体形成的双链DNA（ds DNA）组装在丝网印刷电极上。当添加CEA时,适配体特异性地与CEA结合,导致c DNA暴露。然后,通过Fc-DNA与c DNA杂交,将Fc-DNA/Zr6MOFs信号探针引入电极表面。通过测定Fc的电化学响应,实现了对CEA的检测。由于Zr6MOFs表面可以结合大量Fc-DNA信号标签,可以显著增大Fc的电流强度,从而提高检测的灵敏度。该装置通过Sensit Smart U盘式电化学分析仪与智能手机连接可以对CEA进行即时检测。所构建的即时检测平台具有灵敏度高、线性范围宽和检出限低的特点。所开发的POCT平台已用于实际人血清样品中CEA的检测,结果满意,表明该平台在肿瘤的临床诊断和监测中具有一定的潜力。
（3）基于双信号输出新策略的智能电化学感应平台用于CEA的即时检测。
目前所发展的电化学方法大多是单信号响应,单信号检测很容易受到某些因素的干扰而出现假阳性或假阴性的结果。因此,在基于单信号的系统中,一些假阳性或假阴性结果不能轻易排除。相比之下,双信号策略可以相互确证,能够有效避免假阳性或假阴性结果的产生,可靠性和准确度更高。本研究基于二茂铁（Fc）和Pd Pt@Zr6MOFs双信号标记策略,开发了一种基于智能手机的双信号输出电化学适配体传感平台,用于癌胚抗原（CEA）的即时检测（POCT）。制备的Pd Pt@Zr6MOFs纳米复合材料具有类酶性质,对H2O2的电还原反应表现出很强的催化性能。二茂铁标记的DNA链（Fc-DNA）与P-Apt杂交形成P-ds DNA,然后通过Au-S键将P-ds DNA固定在纳米金修饰的电极上。磷酸基标记的适配体（P-Apt）可以通过Zr-O-P键捕获Pd Pt@Zr6MOFs形成Pd Pt@Zr6MOFs-P-ds DNA。当CEA存在时,由于P-Apt与CEA之间特定的亲和力,迫使Pd Pt@Zr6MOFs-P-Apt离开电极表面,导致H2O2的还原电流减小。同时Fc-DNA链由直链变为发夹结构,将Fc拉近电极表面,导致Fc的氧化电流增大。因此,可以通过H2O2还原电流的减小和Fc氧化电流的增大这两个信号准确地测定CEA,避免了假阳/阴性信号的产生。在最优条件下,所制备的传感器对CEA的检测范围为1 pg·m L-1～100ng·m L-1,以Fc和Pd Pt@Zr6MOFs为信号标记,检出限分别为0.98 pg·m L-1和0.27 pg·m L-1。本研究开发的电化学适配体传感平台已经成功地证明了其在人血清样品中检测CEA的能力。结果表明,该传感平台在临床肿瘤诊断和监测方面具有很大的潜力。
（4）基于磁性FeCo@C空心纳米酶构建免固定比率型智能手机电化学传感平台用于CEA的即时检测。
电化学生物传感器基本上需要将生物识别元件固定在电极表面。优异的生物传感性能通常需要精确控制固定条件,以有效调节生物识别元件的组装密度。此外,溶液和电极表面两相界面上的生物识别容易影响生物识别效率和信号放大。综上所述,基于固定化的电化学生物传感受到修饰过程繁琐、操作难度加大、重现性和稳定性差的限制。因此,制定一项消除上述限制的理想战略是极为重要的。考虑到材料磁性、催化性以及选择性等因素。在这项工作中,基于磁性FeCo@C空心纳米酶,构建了一种免固定比率型智能手机电化学传感平台,用于CEA的即时检测。首先,在FeCo-PBA材料表面覆盖聚多巴胺（FeCo-PBA@PDA）,然后一步煅烧FeCo-PBA@PDA,合成了具有独特中空纳米结构的碳保护FeCo双金属氧化物（FeCo@C HCs）。由于PDA的碳保护框架和FeCo双金属氧化物的协同作用,该纳米酶具有出色的类过氧化物酶活性,可以有效催化过氧化氢分解。根据酶的模拟活性受到特异性适配体的显著抑制,因此可以通过适配体-靶标识别来恢复酶活性的传感策略,建立一种简单的免固定比率型智能手机电化学传感平台,用于CEA的即时检测。在最优条件下,所制备的比率传感器平台对CEA的检测范围为1 pg·m L-1～10 ng·m L-1,以Fc和FeCo@C HCs为双信号标记,检出限为0.33 pg·m L-1。本研究开发的免固定比率型智能手机电化学传感平台已经成功地证明了其在人血清样品中检测CEA的能力。这些结果表明,该传感平台在临床肿瘤诊断和监测方面具有很大的潜力。
关键词: 智能手机 ；即时检测 ；生物标志物 ；电化学生物传感器 ；U盘式分析仪
摘要： 人体的正常生理活动伴随着各种生物小分子的产生或消耗。它们的浓度水平可以反映出某些疾病的发展趋势。因此,准确监测生物小分子浓度水平具有非常重要的意义。荧光法操作简单、选择性良好和灵敏度高,在生物检测领域获得了广泛的应用。有必要开发用于准确检测生物小分子的荧光传感器。纳米酶是一类具有类酶活性的纳米材料,活性稳定,制备简单和成本低廉。量子点是一种传统的发光半导体材料,荧光性质稳定、水溶性良好以及发射光谱可调。本文基于纳米酶和量子点构建生物小分子发光生物传感器。具体研究内容如下:1.具有双类酶活性和荧光性质的氨基对苯二甲酸/CuFe/ATP纳米颗粒用于抗坏血酸检测在室温条件下,基于三种磷酸腺苷（AMP,ADP和ATP）与过渡金属离子(Cu2+和Fe3+)配位和吸附氨基对苯二甲酸（NH2-BDC）,制备了三种具有荧光性质、类过氧化物酶活性和类漆酶活性的纳米酶(NH2BDC/CuFe/ATP（NPs-1）、NH2BDC/CuFe/ADP（NPs-2）、NH2BDC/CuFe/AMP（NPs-3）)。由于空间构型不同,三种纳米酶具有不同的类漆酶活性。NPs-1具有最高的类过氧化物酶活性和稳定的发光性质。利用NPs-1的催化作用,H2O2可有效地将邻苯二胺（OPD）氧化为2,3-二氨基吩嗪（DAP）。基于DAP和NPs-1之间的内滤效应,DAP能有效地猝灭NPs-1的荧光(λem=445 nm)。在向检测体系加入抗坏血酸（AA）后,NPs-1的荧光恢复。基于NPs-1的类过氧化物酶活性和稳定的发光性质,构建了一种荧光传感器（NPs-1/OPD）,用于检测H2O2(线性范围:2.0-200.0μmol L-1,检出限:1.82μmol L-1)和AA(线性范围:4.0-300.0μmol L-1,检出限:2.92μmol L-1)。该荧光探针用于检测实际样品中的AA,表现出良好的性能。此外,还利用智能手机构建了一种测定AA的新方法。2.基于具有优异类氧化酶活性的Fe-N-C纳米酶构建新颖的荧光-散射比率传感器当猝灭剂的吸收光谱和散射体的一阶散射（FOS）重叠时,FOS将被猝灭。同时,二阶散射（SOS）本质上源于FOS的单缝衍射。基于该原理,通过耦合荧光信号（FL）和SOS信号,设计了一种新型的纳米酶传感器。通过甲酰胺缩合反应将Fe掺杂进入碳氮聚合物（HCNP）,制备得到Fe-N-C纳米酶（Fe-HCNP）。Fe-HCNP具有强的类氧化酶活性,可有效地将O2转化为·O2-和·OH。然后,基于Fe-HCNP和OPD组合的杂化体系,构建了一种用于测定AA的FL-SOS比率传感器。大尺寸的Fe-HCNP具有强的SOS。在AA加入Fe-HCNP/OPD体系后,由于Fe-HCNP具有类氧化酶活性,AA被快速氧化为脱氢抗坏血酸（DAA）。DAA和OPD继而发生缩合反应,产生具有荧光性质的喹喔啉衍生物（DFQ）,检测体系荧光增加。同时,由于Fe-HCNP的FOS与DFQ的吸收带重叠,FOS猝灭,从而引起SOS信号降低。FL-SOS比率型传感器具有检测过程简单、特异性高和检测速度快等优点。由此为设计纳米酶基比率型传感器提供了一种新策略。3.基于CdTe量子点构建一种简单的用于检测生物巯基小分子的荧光-散射比率传感器利用CdTe量子点（CdTe QDs）的FL和SOS,构建了一种简单的生物巯基小分子比率型发光传感器。在入射光照射下,具有许多表面陷阱态的CdTe QDs具有弱的FL。相反,由于共振增强瑞利散射（RRS）的发生,CdTe QDs具有强的SOS。在加入生物巯基小分子后,CdTe QDs的FL增强,而SOS猝灭。荧光增强可能是由于表面钝化。此外,为探究SOS猝灭的机理,计算散射猝灭过程的动力学和热力学参数。结果表明,RRS的静态猝灭过程可能是SOS猝灭的原因。该探针用于定量检测谷胱甘肽,具有较宽的线性范围(0.2-80.0μmol L-1)和较低的检出限(0.05μmol L-1)。该传感器响应快速（1 min）,检测过程简单,特异性强和灵敏度高,应用于检测实际样品中的总生物巯基小分子,结果满意。
关键词: 生物小分子 ；纳米酶 ；CdTe量子点 ；荧光
摘要： 生物传感器是将生物识别元件和物理化学检测器相结合的分析装置,可以用于检测生命化学物质并将其浓度等理化信息转换成可被定性定量检测信号。生物传感器具有操作简易、快速、特异性好、成本低和灵敏度高等优点,被广泛应用在生化分析、食品药品安全分析、医学临床诊断分析和环境监测等领域。核酸分子不仅是生物体遗传信息的载体,还有催化和特异性识别等生物学功能。功能核酸具有特异性高、生物相容性好、稳定性好、易于合成修饰以及灵敏度高的优点,在生物分析中得到了非常广泛的应用。本论文立足于以DNA为识别元件构建生物传感器这一基本命题,结合核酸染料、稀土铽离子以及纳米材料,构建了新型荧光调控策略,开发快速、灵敏、简便的分析方法用于过氧化氢和microRNA的检测,为基于DNA为识别元件的生物传感器的设计提供了新的思路。本论文由四个部分组成,具体如下:第一章绪论本章首先介绍了生物传感器的组成、分类及其在生化分析、食品药品、环境检测等领域中的应用,其次着重讨论了核酸生物传感器,随后概述了荧光分析方法及比率型荧光分析方法的发展,最后阐明本论文的研究思路和内容。第二章基于GelRed/[G3T]5/Tb3+的无标记比率型探针的设计及应用研究本章选用一段单链DNA天线配体[G3T]5敏化稀土铽离子Tb3+([G3T]5/Tb3+)做为信号响应单元,结合核酸染料GelRed嵌入[G3T]5（GelRed/[G3T]5）发出显著增强的明亮红光作为稳定的内参比,构建了无标记、比率型的GelRed/[G3T]5/Tb3+荧光探针。已知Hg2+会与胸腺嘧啶发生特异性结合形成稳定的T-Hg2+-T复合物且半胱氨酸（Cys）可通过巯基结合Hg2+,因此可利用Hg2+和Cys调控[G3T]5/Tb3+的荧光强度,而过氧化氢（H2O2）会氧化Cys为胱氨酸从而抑制[G3T]5/Tb3+的荧光,达到可视化检测H2O2的目的。葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖反应和乙酰胆碱酯酶/胆碱氧化酶组成的级联催化反应均能产生H2O2,因此该实验方案可以广泛应用在生化分析中。此外,结合智能手机取色软件,该方案可以实现实时快速的在线检测。第三章有机荧光染料掺杂硅球的制备及性质研究本章利用St?ber法制备得粒径均一且分散性能良好的异硫氰酸荧光素掺杂的二氧化硅纳米颗粒（FITC@SiO2）。FITC@SiO2水溶液具有良好的咖啡环效应,即溶液在玻璃基质表面自然蒸干时,由于液滴表面蒸发速度不同导致内部产生由内而外的毛细管流动,将FITC@SiO2颗粒携带至三相线处聚集从而沉积得环的现象。通过探究硅球浓度、玻璃基质、液滴量、环境温度、离子强度、表面活性剂和表面基团等因素对其咖啡环效应的影响,筛选了适宜的成环条件。利用咖啡环效应,DNA识别元件修饰的FITC@SiO2荧光纳米颗粒将在生物分析领域有更加广阔的发展空间。第四章基于DNA功能化FITC@SiO2荧光材料及咖啡环效应的分析方法设计及应用研究本章分别构建了DNA功能化的FITC@SiO2（Probe1-FITC@SiO2）和磁性纳米颗粒（Probe 2-MB）,利用FITC@SiO2显著的咖啡环效应和寡核苷酸互补配对原理,以荧光环的荧光强度为信号输出,实现了microRNA的可视化检测。在此基础上,以异硫氰酸罗丹明掺杂的二氧化硅纳米颗粒（Rhodamine@SiO2）为内参比,可构建比率型荧光环分析方法,实现microRNA比率型可视化的分析检测。
关键词: 核酸 ；生物分析 ；荧光调控 ；比率型 ；可视化
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