量子點作為熒光離子探針應用的研究進展

1. 引言

量子點是一種準零維納米晶粒，因其三個維度均受到量子限域，從而表現出一些獨特的光學性能，如激發波長范圍寬、發射波長范圍窄且對稱、量子產率高、熒光壽命長、光學性能穩定等優點。量子點作為熒光離子探針在離子以及小分子檢測領域引起了許多研究人員的關注并且取得了不錯的進展。離子和無機小分子與量子點之間可發生的物理或者化學作用，導致量子點的表面結構或者表面電荷發生變化，影響了電子與空穴的復合效率，從而對量子點的熒光強度產生增強或者猝滅作用。量子點的熒光強度的變化與離子或者無機小分子的濃度之間往往存在一定的線性或者指數關系，利用這種數學關系就可以實現對離子或者無機小分子的定量測定。量子點在金屬離子、陰離子、氫離子以及其他無機小分子測定應用方面得到深入的探究，并且開發出基于量子點熒光增強測定離子的新方法，這一進展使得量子點熒光離子探針成為無機離子檢測的重要方法之一。量子點作為熒光離子探針，具有靈敏度高、使用量少、設備簡單和重現性好等優點，因此具有很大的發展潛力和應用前景。本文即是針對量子點熒光離子探針在金屬離子檢測、陰離子檢測、氫離子濃度檢測以及小分子檢測等方面的研究進展加以綜述。

2. 量子點熒光離子探針用于金屬離子檢測

量子點的獨特熒光性能主要取決于其表面狀態及其所處的物理化學環境。待檢測物通過各種各樣的物理化學作用，如吸附、共價鍵、靜電作用和能量轉移等方式與量子點發生相互作用，這將會改變量子點電子與空穴的復合效率，影響激子的產生，從而引起量子點熒光強度的變化。對于金屬離子而言，有些金屬離子可以通過填充表面態來鈍化量子點表面缺陷，從而使量子點熒光增強；有些金屬離子則能夠通過非輻射結合、電子轉移和內濾效應等方式猝滅量子點的熒光。金屬離子對量子點熒光強度的影響使量子點熒光離子探針檢測金屬離子成為可能。Isarov等首次報道了對金屬離子與量子點相互作用的機理，Cu²⁺可以猝滅CdS QDs的熒光，并且推測其猝滅機理是Cu²⁺集合到量子點的表面被還原為Cu⁺，而Cu⁺引起QD導帶的電子和價帶發生空穴重組，導致量子點的熒光猝滅。Rosenzweig等通過研究不同配體修飾的量子點對多種金屬離子的響應情況，發現配體能夠影響量子點對金屬離子的識別，由此可以實現了量子點對金屬離子的選擇性測定；根據Ag⁺和Cu²⁺對多肽修飾的量子點猝滅程度與離子濃度的關系來同時檢測Ag⁺和Cu²⁺ 。Yan等用谷胱甘肽(Glutathione, GSH)修飾的CdTe QDs檢測同種金屬不同價態的離子，這是因為Fe²⁺和Fe³⁺對GSH-CdTe QDs熒光猝滅程度不同，QDs對Fe²⁺的檢測及其淬滅機制參見圖1 。雖然量子點熒光離子探針對金屬離子含量的測定方法的靈敏度很高，潛力很大，但是由于量

(a) (b)

Figure 1. Schematic illustration for (a) Fe²⁺ induced hydroxyl generation and QDs based sensor for Fe²⁺detection; (b) the fluorescence quenching mechanism by electron transfer from the QDs to hydroxyl radicals

圖1. 量子點檢測Fe²⁺及其熒光猝滅機制示意圖：(a) Fe²⁺誘導羥基生成，量子點作為傳感器用于Fe²⁺檢測；(b) 電子從量子點轉移到羥基自由基上導致量子點熒光淬滅

子點熒光離子探針有時對金屬離子的選擇性欠佳，而且容易受到共存非待測物質的影響，因此改善和提高量子點熒光離子探針的選擇性是急需解決的問題。

3. 量子點離子探針用于陰離子檢測

量子點熒光離子探針用于檢測陰離子的研究起步比較晚，所檢測的陰離子種類有限，主要的研究對象是CN^?和I^?。碘化物能夠通過非輻射結合、內濾效應以及電子轉移等方式猝滅量子點的熒光。Lakowicz等通過實驗證明I^?能夠大幅度衰減CdS QDs的熒光強度，可以據此來測定溶液中的碘離子含量。Li等用硫脲型配體修飾的CdSe QDs，在氯仿和乙醇的混合液中對碘離子進行選擇性測定，檢出限可以達到1.5 nmol/L 。

量子點用于檢測CN^?是基于氰化物能夠吸附在量子點薄膜的表面使其電子富集，從而導致量子點熒光猝滅。Sanz-Medel等用叔丁基-N-(巰基乙基)氨基甲酸酯修飾量子點來檢測氰化物，檢出限能夠達到1.1 × 10^?7 mol/L。由于氰化物傳感器只能以有機相作為介質，這一不足限制了他的廣泛應用。經過進一步的研究發現，用2-巰基乙烷磺酸修飾的量子點能夠直接用于測定水溶液中的氰化物含量。

量子點作為陰離子傳感器的研究正處于初期摸索階段，無論是測定陰離子的種類還是對量子點與陰離子作用機理的解釋都不夠完善，還需要進行廣泛而深入的探究。

4. 量子點離子探針基于氫離子濃度變化的檢測

量子點作為酸堿度探針用于氫離子濃度的定量檢測，是由于在一定酸度范圍內量子點熒光強度的變化與氫離子濃度的變化存在良好的線性關系。Susha等合成的CdTe QDs在pH為4~6范圍內熒光強度與溶液的酸度呈現正相關性，并且在此范圍內量子點的最大發射峰基本保持不變，因而CdTe QDs可以用于檢測氫離子。當然，量子點也可以用來檢測與溶液酸度變化相關的其他物質。Zhang 等用CdTe QDs 作為質子傳感器對產生ATP時質子濃度的變化進行了檢測。另外，通過檢測病毒參與免疫反應合成ATP時質子濃度的變化，可以間接測定病毒的含量 。Wang等則用CdTe QDs定量檢測了藥片中的酸性藥物硫普羅寧的含量，該檢測方法準確、快速、簡潔，為藥物檢測提供了一種好方法。Huang等用CdSe/ZnS QDs作為酸堿度探針通過檢測葡萄糖有氧代謝中間產物的濃度實現了對痕量葡萄糖的測定 。

量子點作為酸堿探針對某些藥物、病毒及葡萄糖代謝等物質的檢測，幾乎都是基于量子點熒光強度與氫離子濃度變化之間的關系。對于這一點的巧妙運用，大大拓寬了量子點的應用范圍，同時也為檢測那些與酸度變化相關物質提供了一種有效的方法。

5. 量子點作為小分子探針的應用

隨著量子點制備工藝的不斷提高，熒光性能優良量子點的合成及其表面化學修飾技術的進一步完善，量子點作為分子傳感器的研究也得到了快速發展，尤其是在檢測藥物小分子、有機小分子和氣體分子等物質。

5.1. 檢測藥物小分子

量子點熒光離子探針具有很高的靈敏度，在痕量藥物檢測方面有很大的優勢。Liang等利用CdSe QDs測定藥片中螺內酯的含量，CdSe QDs熒光強度的變化與加入螺內酯的濃度在6.0~1 680 μM范圍內呈現線性關系，檢出限可以達到0.48 μM；因為螺內酯含有親水性的硫醇基團，當親水性的硫醇取代CdSe QDs表面的有機胺配體會引起量子點的熒光猝滅。Ding等利用偶聯羊抗鼠二抗的紅色熒光量子點與恩諾沙星相互作用間接發射競爭性熒光-酶聯免疫吸附法(cFLISA)來檢測雞肌肉組織中恩諾沙星的含量，其檢測范圍是1~100 ng/mL，檢出限為2.5 ng/mL，該方法比HPLC和LC-MS等更加靈敏、快速 。量子點在藥物含量測定領域的應用前景值得期待。

5.2. 檢測有機小分子

量子點作為有機分子傳感器可用于檢測許多有機分子，Li等用石墨烯量子點(Graphene quantum dots, GQDs)對苯二酚進行了超靈敏定量檢測，在過氧化氫(H₂O₂)和辣根過氧化物酶(HRP)存在的情況下，苯二酚會被氧化成苯基喹啉，導致GQD熒光猝滅，據此達到檢測苯二酚的目的。另外，量子點也能夠對陽離子表面活性劑(如十六烷基三甲基溴化銨)、酚類化合物(如硝基苯酚和萘酚) 、硝基化合物(如硝基苯) 等進行檢測。Tan等發現在522 nm處山奈酚(kaempfrol, KAE)濃度與TGA-CdTe QDs熒光猝滅強度之間存在線性關系，據此對山奈酚進行了定量檢測，TGA-CdTe QDs與山奈酚的作用方式如圖2所示 。Khan S等用L-半胱氨酸修飾的ZnS QDs定量檢測L-甲狀腺素，檢出限可以達到20 nM。可以用CdSe/ZnS核殼量子點對抗組織谷氨酰胺轉移酶IgG抗體進行了原位定量檢測 。由于量子點作為新型光學生物傳感器具有檢測方法簡單、迅捷、靈敏度高等優點，所以量子點在這一領域的應用很有潛力。

圖2. TGA-CdTe量子點與山奈酚(KAE)的相互作用方式圖 

Figure 2. Mode of the interaction of TGA-CdTe QDs with KAE

5.3. 檢測氣體分子

量子點作為氣體傳感器檢測氣體分子的研究也取得的很大進展。Myung等發現溶解于氯仿中的氧氣可以使量子點的熒光強度增強，由此提出量子點成為氧氣傳感器的構想。Chizov等則用巰基丙酸修飾的CdSe QDs來敏化ZnO膜用于檢測NO₂。

6. 基于熒光增強的量子點“開關”熒光離子探針

量子點作為離子探針檢測金屬離子的研究取得了一系列的成果，但是該方法能夠檢測的離子種類及其選擇性比較有限。這主要受到兩方面的限制：一是量子點與金屬離子之間的反應沒有特異性；二是量子點本身不能直接與待測物質發生相互作用。雖然通過配體修飾量子點可以改善其對特定離子的選擇性，但是這些配體自身與待測離子之間的結合是否很牢固會直接影響到熒光離子探針對離子的檢測效果，再者對量子點進行改性也需要嚴密的設計和繁雜的操作。

量子點經過激發光輻射發射熒光，當其表面被某種配體修飾以后，若該配體能夠與激發態的量子點發生能量共振或電子轉移，量子點激發態能級的電子將無法回到基態，導致量子點的熒光猝滅；在此基礎上，加入特定待測物，當其與量子點表面的配體結合之后，使配體喪失與激發態量子點發成能量共振或電子轉移的作用，那么量子點猝滅的熒光得以恢復。這就是熒光增強型量子點“開關”熒光離子探針的作用原理(如圖3所示) 。這種以熒光增強為定量基礎的量子點熒光離子探針，可以大大的降低光學背景對檢測結果的影響，因此檢測的靈敏度會更高。

量子點熒光離子探針的“開關”轉換主要通過兩種途徑來實現：電子轉移和能量共振。量子點作為增強型熒光離子探針發生光誘導電子轉移的過程中，量子點本身既可作為電子供體也可作為電子受體。Miao等用巰基丙酸修飾的Mn (錳元素)摻雜ZnS QDs和阿霉素的納米復合物來檢測DNA，此方法是基于光誘導的電子轉移徑實現量子點的磷光增強，首先阿霉素作為猝滅劑在室溫下通過PIET使ZnS QDs的磷光猝滅，然后添加DNA使ZnS的磷光逐漸恢復，檢出限可以達到0.039 mg/L 。Sandros等通過量子點熒光增強的方法來檢測溶液中麥芽糖的含量，首先用麥芽糖結合蛋白與量子點結合猝滅量子點的熒光，隨后加入麥芽糖，當待測物麥芽糖與麥芽糖結合蛋白結合之后，麥芽糖結合蛋白的構象發生變化，從而與量子點分離使其熒光得以恢復 。Yan等用CdTe QDs作為熒光離子探針來檢測Cd²⁺，首先用EDTA作為猝滅劑將CdTe QDs的熒光猝滅，然后加入Cd²⁺使量子點的熒光恢復，通過該方法可以實現對Cd²⁺的選擇性定量檢測 。同樣，Song等通過電致化學發光開關的方法對Cd²⁺進行檢測，首先引入S^2?將CdTe QDs的熒光猝滅，然后在加入Cd²⁺是量子點的熒光恢復，檢出限可以達到2.1 nM 。抗壞血酸即維生素C (Vc)對維持人體健康具有重要作用，它可以預防人體血管的老化和許多慢性疾病的發生。可以用量子點熒光增強的方法對Vc進行間接檢測。首先利用高錳酸鉀將谷胱甘肽修飾的CdTe QDs的熒光完全猝滅，然后通過不斷的加入抗壞血酸是量子點的熒光不斷恢復，從而實現對Vc的定量測定，檢出限可達到74 nmol/L。

圖3. 熒光增強型量子點“開關”離子探針示意圖

Figure 3. Fluorescent enhanced quantum dot “switch ON-OFF” ion probe scheme

7. 展望

由于量子點作為離子探針具有很多優勢，所以在離子、小分子以及環境監測方面有很大的發展前景。量子點在該領域的研究時間雖然時間不長，但是取得了相當大的研究進展。量子點作為檢測無機離子以及一些小分子的一種重要手段，還存在一些不足的地方，如量子點熒光離子探針對檢測對象的選擇性不是很理想等，因此為了提高量子點的選擇性，消除基體和光散射的干擾，量子點磷光探針與近紅外熒光離子探針成為新的研究熱點。