熒光傳感器及其分子識(shí)別作用的研究進(jìn)展

王歡，高奕紅，張萍

(咸陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

分子識(shí)別可理解為底物與給定受體選擇性的鍵合，并具有專一性功能的過程，相應(yīng)于生物學(xué)中底物與受體。一般把分子識(shí)別過程中相互作用的化學(xué)物質(zhì)稱為底物及受體，較小的分子稱為底物，較大的分子稱為受體。識(shí)別過程可能引起體系的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及構(gòu)象的變化，從而導(dǎo)致化學(xué)信息的存儲(chǔ)、傳遞及處理。因此，分子識(shí)別在信息處理及傳遞、分子及超分子器件制備過程中起著重要作用［1］。

利用熒光傳感器進(jìn)行分子識(shí)別是近年來生命科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，它在酶促反應(yīng)、免疫反應(yīng)和蛋白質(zhì)的生物合成等許多生命化學(xué)過程中具有十分重要的意義，已用于環(huán)境污染物、藥物、氨基酸、手性分子、核苷酸等多種物質(zhì)的測(cè)定［1］。隨著DNA芯片研究工作的廣泛開展，蛋白質(zhì)芯片的研制也日益引起人們的關(guān)注。蛋白質(zhì)芯片可以在蛋白質(zhì)組成研究、酶、多膚、抗原和抗體的檢測(cè)中獲得廣泛的應(yīng)用。但其是否能夠得到更快更好的發(fā)展，在很大程度上取決于新型熒光傳感物質(zhì)的合成與開發(fā)。其中的熒光傳感物質(zhì)是分子識(shí)別的一個(gè)關(guān)鍵部分，一般要求其具有高的量子產(chǎn)率、高穩(wěn)定性、大的斯托克斯位移和長(zhǎng)發(fā)光壽命。

目前，國(guó)內(nèi)外在利用熒光傳感物質(zhì)進(jìn)行分子識(shí)別方面已經(jīng)進(jìn)行了大量研究工作。如利用有機(jī)熒光染料、杯芳烴、納米半導(dǎo)體量子點(diǎn)(如 CdS、CdSe、CdTe、ZnS等)以及石墨烯等，均取得了一定的進(jìn)展。以下主要圍繞幾種基于熒光傳感物質(zhì)的傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 幾種熒光傳感器

1.1 基于有機(jī)熒光染料的熒光傳感器

目前，大部分有機(jī)熒光染料探針采用喹琳類、熒光素和羅丹明類等。如熒光黃主要用來標(biāo)記抗體，標(biāo)記的各種免疫球蛋白已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。這類熒光探針量子產(chǎn)率較高，并且熒光分子的激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)一般都在紫外或可見光區(qū)域內(nèi)。一般來說，這種熒光染料通常是芳香性化合物，其共同特征是含有大共軛π鍵、具有剛性的平面結(jié)構(gòu)、最低的單線電子激發(fā)態(tài)為π-π＊型、芳香環(huán)上取代基一般為給電子的取代基團(tuán)。但是，這些熒光染料也存在著一些不足:如司托克斯位移較小，對(duì)樣品激發(fā)光的散射光敏感，其自發(fā)熒光導(dǎo)致噪音較高，使檢測(cè)靈敏度下降。此外，有機(jī)熒光染料分子如熒光素較易自猝滅。在一定范圍內(nèi)，熒光分子在一個(gè)蛋白分子上標(biāo)記的數(shù)目越多，其熒光強(qiáng)度反而下降。當(dāng)多個(gè)熒光分子連接到蛋白分子上時(shí)，熒光分子間會(huì)發(fā)生能量傳遞，也會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅［1］。

有機(jī)熒光染料探針其光譜性質(zhì)具有以下特點(diǎn):較窄的激發(fā)波長(zhǎng)使其對(duì)激發(fā)光源選擇性太強(qiáng)，很多情況下較難激發(fā)。而其寬的發(fā)射波長(zhǎng)范圍和在長(zhǎng)波區(qū)域的拖尾現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致在不同檢測(cè)通道之間帶來的光譜的相互干擾。此外，其激發(fā)、發(fā)射波長(zhǎng)較大程度的重疊，在檢測(cè)發(fā)射光時(shí)會(huì)受激發(fā)光的影響，從而影響檢測(cè)。在一些情況下，背景物質(zhì)在激發(fā)光源的激發(fā)下，本身也能發(fā)出熒光，導(dǎo)致背景與待檢測(cè)物質(zhì)的熒光相互干擾，給檢測(cè)造成一定的麻煩。目前，人們對(duì)有機(jī)熒光染料的不足之處提出了許多改進(jìn)措施，也取得了一定的進(jìn)展。許多基于熒光有機(jī)試劑的新型熒光傳感器也被開發(fā)。

Joydev Hatai等［2］報(bào)道了基于熒光傳感器的組氨酸用于檢測(cè)水溶液、紙條和細(xì)胞中的Hg2+，他們研究了一個(gè)硫代氨基甲酸酯支架附組氨酸基的化學(xué)傳感器對(duì)Hg2+具有明顯的選擇性識(shí)別。這種結(jié)合導(dǎo)致熒光光譜藍(lán)移50 nm和熒光量子產(chǎn)率增大19倍。除了在紫外線下可在溶液中可視的檢測(cè)汞離子外，該傳感器可組裝在紙帶上檢測(cè)水溶液樣品的汞離子。也可用于成年斑馬魚和人類上皮癌細(xì)胞中的Hg2+的成像。

Zhou Xiaoyan等［3］研究了一種高效的選擇性的基于喹啉衍生物的傳感器，用于鎘離子和鋅離子的區(qū)分。熒光傳感器N-(8-喹啉)-2-(喹啉-8-喹惡啉氧基)乙酰胺(HL)由8-氨基喹啉和8-羥基喹啉合成。該傳感器在乙醇溶液中對(duì)鎘離子的檢測(cè)顯示高選擇性和靈敏的熒光增強(qiáng)效應(yīng)。此外，這種傳感器通過兩種不同的傳感機(jī)理從鋅離子中區(qū)分鎘離子(對(duì)鎘的光電子轉(zhuǎn)移;對(duì)鋅的內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移)。熒光/吸收滴定法和X射線晶體學(xué)證實(shí)，這種組成復(fù)雜Cd2+/HL和Zn2+/L的復(fù)合物的結(jié)合比為1∶1。

目前，在熒光傳感器中，比率型的基于開-關(guān)型的傳感器成為研究熱點(diǎn)。Zhao Qiang等［4］報(bào)道了比率和選擇性的Zn2+熒光傳感器作為一種“關(guān)閉-打開-關(guān)閉”的轉(zhuǎn)換閥門，如圖1所示。這個(gè)新的傳感器中，含有4個(gè)吡啶的喹喔啉和冠醚基(1)，可作為Zn2+的比率和選擇性熒光檢測(cè)器。此外，在乙腈溶液中，向其添加Zn2+，可形成1∶2配體-金屬?gòu)?fù)合物(1-Zn2+)，在波長(zhǎng)為460 nm時(shí)，熒光發(fā)射明顯增強(qiáng)，由于內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理，在波長(zhǎng)396 nm時(shí)，熒光發(fā)射強(qiáng)度降低。由于光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)理，在K+存在的情況下，1和1-Zn2+的熒光猝滅光譜與此相反。這些結(jié)果表明，1不僅可作為禁止的閘門，也是一個(gè)通過Zn2+和 K+引發(fā)的“關(guān)閉-打開-關(guān)閉”分子開關(guān)。1-Zn2+的復(fù)雜結(jié)構(gòu)由單晶X-射線晶體學(xué)和核磁共振、質(zhì)譜、核磁共振滴定實(shí)驗(yàn)進(jìn)行表征。1和1-Zn2+復(fù)合物密度功能理論計(jì)算結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的符合。

圖1 比率和選擇性的Zn2+熒光傳感器Fig.1 Ratio and selectivity of Zn2+fluorescent sensor

Niu Liyya等［5］報(bào)道一個(gè)基于單氯化的氟硼吡咯比率熒光傳感器，可高選擇性檢測(cè)在半胱氨酸(Cys)/同型半胱氨酸(Hcy)中的谷胱甘肽(GSH)。單氯化的氟硼吡咯中的氯能通過巰基鹵素親核取代迅速被二硫醇類中的硫醇所取代。沒有谷胱甘肽的半胱氨酸/同型半胱氨酸的氨基可進(jìn)一步取代硫醇鹽，形成氨基取代的氟硼吡咯。硫和氨基取代氟硼吡咯有著不同的物理性質(zhì)，可用來區(qū)分在半胱氨酸和半胱氨酸的谷胱甘肽。傳感器用于檢測(cè)活細(xì)胞中谷胱甘肽。

Wang Mingqi等［6］報(bào)道了基于聯(lián)萘酚的熒光傳感器識(shí)別Cu(II)和硫化物，他們合成了一種基于大環(huán)多胺修飾的聯(lián)萘酚衍生物(1)的多功能熒光傳感器?？梢燥@示開-關(guān)類型的熒光轉(zhuǎn)換，在含有19個(gè)金屬離子的100%水溶液高選擇性識(shí)別銅(Ⅱ)。此外，由于硫離子的添加，導(dǎo)致原位生成1-銅(Ⅱ)熒光猝滅后可以恢復(fù)，在同樣介質(zhì)下，可開-關(guān)型識(shí)別硫化物，其檢測(cè)限為微摩爾級(jí)。其它二硫醇類和陰離子，包括半胱氨酸、谷胱甘肽、二硫蘇糖醇和硫酸鹽不干擾檢測(cè)，使它成為一個(gè)高度敏感和選擇性硫化物的探針。

Sachin A等［7］研究了基于三炔丙基胺芘疊氮點(diǎn)擊化合物的比率型開-關(guān)Zn2+熒光傳感器，從三炔丙基胺和芘通過Cu(I)-點(diǎn)擊化學(xué)設(shè)計(jì)合成了一個(gè)新的，易于準(zhǔn)備和高選擇性芘-聯(lián)苯三唑胺熒光化學(xué)傳感器，對(duì)Zn2+顯示出高度選擇性的識(shí)別，其熒光發(fā)射光譜比率性的改變。當(dāng)添加10 mol的Zn2+，傳感器基態(tài)到激發(fā)態(tài)的熒光相對(duì)強(qiáng)度(M376/E465)增加80 變?yōu)?16.9(其檢測(cè)限為0.2 μmol/L)。

Hou Jiali等［8］研究了原位生成1 ∶1 鋅(Ⅱ)-聚合物復(fù)合傳感器高對(duì)映選擇性識(shí)別N-丁氧羰基保護(hù)的丙氨酸。一種新型手性(S)-BINAM-基于熒光聚合物傳感器被設(shè)計(jì)和合成，這個(gè)手性聚合物傳感器顯示非常微弱的熒光，但與Zn2+反應(yīng)后顯示明顯的熒光增強(qiáng)。這種原位生成1∶1鋅(Ⅱ)-含有復(fù)雜的手性聚合物可作為熒光傳感器的高度手性識(shí)別N-丁氧羰基保護(hù)的丙氨酸，對(duì)映體熒光差異率可以高達(dá)6.90。這是第一次報(bào)道原位生成的手性高分子復(fù)合用作熒光傳感器高對(duì)映選擇性識(shí)別N-丁氧羰基保護(hù)的丙氨酸。

Yuan Lin等［9］報(bào)道了一種獨(dú)特的近紅外熒光傳感器，用于生物活體分子系統(tǒng)的成像，成為有前景的分子工具。他們發(fā)現(xiàn)了一類新的以1a/1c/1e為代表的近紅外熒光染料(見圖2)，由于保留了可視的可調(diào)節(jié)的羥基組，在近紅外區(qū)的吸收和發(fā)射均優(yōu)于傳統(tǒng)的7-羥基香豆素和熒光素。1a/1c/1e和烷氧基衍生物的光學(xué)特性的區(qū)別可采用6-31 G(d)為基組的B3LYP交換功能的量子化學(xué)計(jì)算進(jìn)行考察。具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)的新型熒光染料可開發(fā)為一個(gè)有發(fā)展前景的近紅外熒光傳感器。采用這種策略，兩種不同類型的NIR-過氧化氫，NIR-硫醇近紅外熒光傳感器被構(gòu)建，分別用于過氧化氫和硫醇的檢測(cè)。這種新型的傳感器在近紅外區(qū)對(duì)過氧化氫或硫醇作為近紅外熒光激發(fā)信號(hào)的開關(guān)有響應(yīng)。此外，NIR-過氧化氫、NIR-硫醇不僅在活細(xì)胞，而且在活的小鼠中，都能夠產(chǎn)生過氧化氫和硫醇內(nèi)源性成像。這種新型的近紅外染料開辟了在活的動(dòng)物中基于近紅外熒光傳感器的基礎(chǔ)上的羥基官能活性位點(diǎn)生物成像應(yīng)用的新的發(fā)展機(jī)遇。

圖2 帶有可調(diào)諧羥基基團(tuán)的新型和經(jīng)典近紅外熒光染料的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.2 The chemical structures of the classic and new dyes bear an optically tunable hydroxyl group

Guo Zhiqian等［10］介紹了一種新型的檢測(cè)CO2的熒光和比色的化學(xué)傳感器。這種系統(tǒng)在外源存在下利用氟化物激發(fā)四丙基高氯酸銨，根據(jù)光譜學(xué)和理論分析，目前這種系統(tǒng)的作用模式主要是由于N-雜環(huán)卡賓中間反應(yīng)的二氧化碳形成咪唑羧酸而引起的氟化物誘發(fā)形成。

Francisco Oton 等［11］報(bào)道了基于不對(duì)稱 1，1-二取代二茂鐵'-三唑衍生物離子對(duì)識(shí)別受體，二茂鐵三唑衍生物4，可從1'-雙(二疊氮基)二茂鐵通過點(diǎn)擊化學(xué)和施陶丁格反應(yīng)連續(xù)功能化而得到，它被作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)室分子選擇性識(shí)別HP2O3－7和Hg2+。4受體作為一個(gè)HP2O3－7比率熒光探針，具有比其他陰離子好的選擇性，而在Hg2+修飾的熒光發(fā)射芘的存在下，可作為一種選擇性開啟關(guān)閉熒光傳感器對(duì)Hg2+進(jìn)行識(shí)別，其檢測(cè)限低。化合物4的最突出的特點(diǎn)是作為一個(gè)好的光電離子對(duì)識(shí)別受體通過多通道干擾氧化還原電位的二茂鐵單元、發(fā)射光譜和從黃色變?yōu)榫G色的明顯的顏色變化能同時(shí)識(shí)別HP2存在下的Pb2+。

1.2 基于杯芳烴、葫蘆脲的熒光傳感器

杯芳烴是一類由苯酚單元通過亞甲基連接起來的環(huán)狀低聚物，具有獨(dú)特的空穴結(jié)構(gòu)，是繼冠醚和環(huán)糊精之后的第3代超分子化合物。它能與離子、中性分子形成主客體包結(jié)物，這是集冠醚(客體為離子)和環(huán)糊精(客體為中性分子)兩者之長(zhǎng)。杯芳烴的空穴大小的調(diào)節(jié)具有較大的自由度，目前已合成了4～20個(gè)苯酚單元所構(gòu)成的不同環(huán)腔尺寸的杯芳烴。杯芳烴下緣的酚羥基、上緣的苯環(huán)對(duì)位及連接苯環(huán)單元的亞甲基都能進(jìn)行各種選擇性功能化，得到不同的衍生物。美、日、德、英等國(guó)化學(xué)家先后就其合成與性能開展了系列研究。杯芳烴及其衍生物在配位化學(xué)、傳感器應(yīng)用、環(huán)境廢水檢測(cè)及模擬酶等方面也有廣泛的應(yīng)用［12-16］。當(dāng)杯芳烴上修飾上熒光基團(tuán)，如蒽、芘、苯并噻唑基團(tuán)后，可以利用其與客體分子形成包結(jié)物后熒光發(fā)射光譜及熒光強(qiáng)度的改變來識(shí)別客體分子。大部分杯芳烴熒光試劑的設(shè)計(jì)都是以光誘導(dǎo)離子鍵合物理光學(xué)變化為基礎(chǔ)，主要方式有光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(PET)、光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移(PCT)、激發(fā)物或激態(tài)配合物的形成與消失、能量的轉(zhuǎn)移［17］?；谝陨咸攸c(diǎn)，含有熒光基團(tuán)的杯芳烴衍生物為基礎(chǔ)的熒光試劑有著廣闊的應(yīng)用前景。

Rakesh K 等［18］報(bào)道了 Mn2+，F(xiàn)e2+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+配合物與三唑聯(lián)結(jié)的亞氨基苯酚杯［4］芳烴基共軛的多傳感器陣列選擇性識(shí)別天冬氨酸、谷氨酸、半胱氨酸和組氨酸。三唑連結(jié)鄰亞氨基苯酚加共軛杯［4］芳烴對(duì)過渡金屬離子，如 Mn2+、Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+的結(jié)合和識(shí)別行為通過熒光，吸收和電噴霧質(zhì)譜技術(shù)被證明。這些離子的原位配合物，即［Mn2L］、［Fe2L］、［Co2L］、［Ni2L］、［Cu2L］和［Zn2L］對(duì)谷氨酸、天門冬氨酸、組氨酸和半胱氨酸也顯示出識(shí)別。因此，三唑連結(jié)鄰亞氨基苯酚加共軛杯［4］芳烴提供了一個(gè)多傳感分子工具，它可以識(shí)別生物活性氨基酸金屬蛋白所引起的特定金屬離子。

Preecha等［19］報(bào)道了偶氮［4］杯芳烴［4］吡咯作為氟的傳感器，當(dāng)添加F－，CH3C，PhC和H2P后，探針1的溶液顏色改變。然而，當(dāng)添加Ca2+，導(dǎo)致了顏色的變化從天藍(lán)色回到原來1的橙色，可高度特異性的檢測(cè)這些離子。

Tsuyoshi Minami等［20］研究了對(duì)具有致癌性的亞硝胺類檢測(cè)的超分子傳感器，一種基于兩種熒光葫蘆脲［n］環(huán)探頭超分子可對(duì)與癌相關(guān)聯(lián)的亞硝胺類中的亞硝胺的識(shí)別和定量，化合物的識(shí)別比較困難。交叉反應(yīng)的傳感器利用探針，金屬和客體弱相互作用和競(jìng)爭(zhēng)，產(chǎn)生出一個(gè)在信號(hào)輸出時(shí)高信息密度和可識(shí)別的結(jié)構(gòu)相似的客體。

1.3 基于納米量子點(diǎn)的熒光傳感器

利用納米半導(dǎo)體量子點(diǎn)作無機(jī)熒光發(fā)色基團(tuán)最近研究較多，因?yàn)樗鼈儽葌鹘y(tǒng)的熒光發(fā)色基團(tuán)具有更多的優(yōu)點(diǎn):①單個(gè)波長(zhǎng)可激發(fā)所有的量子點(diǎn)，而不同染料分子的熒光探針需多個(gè)激發(fā)波長(zhǎng);②量子點(diǎn)有廣泛的激活光譜范圍，從紫外線到紅光，其發(fā)射波長(zhǎng)可通過控制它的大小和組成來“調(diào)諧”;③量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，如其熒光強(qiáng)度是羅丹明6G的20倍，穩(wěn)定性是它的100倍，光譜線寬只有其1/3;④量子點(diǎn)具有很好的生物相容性，而有機(jī)熒光染料或鑭系配合物則不具有這種優(yōu)越性，而且量子點(diǎn)作為熒光基團(tuán)非常穩(wěn)定，不容易降解。但量子點(diǎn)作為生物材料應(yīng)用還有許多問題，例如量子點(diǎn)難以很好地包覆，使熒光信號(hào)容易猝滅，因此尋找量子點(diǎn)合適的包覆方法非常重要，而且確定量子點(diǎn)與生物分子的特異性結(jié)合模式也很重要。

Hiruta Yuki等［21］研究了基于兩種量子點(diǎn)與吸收pH指示劑相結(jié)合的高耐用性雙重凝膠-溶膠層比率熒光pH光學(xué)傳感器，長(zhǎng)期穩(wěn)定的基于雙層溶膠凝膠二氧化硅層比率熒光pH光學(xué)傳感器第一層嵌入兩種不同類型的量子點(diǎn)，而第二層嵌入光吸收的pH指示劑。該傳感器是由一個(gè)簡(jiǎn)單溶膠-凝膠涂敷的方法組裝。由此設(shè)計(jì)的雙層pH光學(xué)傳感器有長(zhǎng)的斯托克斯位移以及比率熒光發(fā)射強(qiáng)度，對(duì)水溶液中的不同pH值有響應(yīng)。這種光學(xué)傳感器連續(xù)暴露在光下具有高耐用性，即使在強(qiáng)酸性條件(1 mol/L鹽酸)下，能夠穩(wěn)定儲(chǔ)存超過6個(gè)月。表明雙層比率熒光傳感器對(duì)pH值可長(zhǎng)期傳感。將兩種不同pKa的酸堿指示劑以優(yōu)化配比嵌入到二層，就組裝成了雙層比率熒光傳感器，在超過6個(gè)單位的寬的pH值范圍(4～10)對(duì)pH有線性響應(yīng)。

Chen Yiping等［22］報(bào)道了量子點(diǎn)包覆分子印跡膜作為發(fā)光傳感器測(cè)定水和土壤中四溴雙酚A，分子印跡膜與雙酚酸(DPA)作為虛擬模板分子已接枝在摻錳硫化鋅量子點(diǎn)(QDs)的表面，建立一個(gè)選擇性的和靈敏快速測(cè)定水和土壤中的四溴雙酚A(TBBPA)的傳感器。DPA-MIP-QDs傳感器與四溴雙酚A具有高的選擇性和高結(jié)合力。這種傳感器的熒光猝滅常數(shù)對(duì)四溴雙酚 A濃度在 0.1～100 μmol/L內(nèi)呈現(xiàn)出了令人滿意的線性，其檢測(cè)限可達(dá)到0.015 μmol/L，成功地應(yīng)用于測(cè)定水和土壤樣品的四溴雙酚A，并在不同的四溴雙酚A平均回收率從80.2%增大到96.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差低于8.0%。提供了發(fā)展快速測(cè)定有復(fù)雜樣品中有害物質(zhì)的傳感器的思路。

Wan-Kyu-Oh等［23］報(bào)道了熒光聚合物納米顆粒選擇性的識(shí)別細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫，直徑50 nm熒光性的硼酸鹽修飾的聚丙烯腈(BPAN)納米粒子用于選擇性識(shí)別過氧化氫。相對(duì)于其他活性氧物質(zhì)，BPAN納米粒子選擇性與過氧化氫相互作用，該納米粒子的熒光強(qiáng)度改變，發(fā)射峰位置移動(dòng)。在希夫堿基團(tuán)和硼之間，BPAN納米粒子會(huì)發(fā)生光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移，熒光增強(qiáng)，使納米粒子適合選擇性識(shí)別活性氧。這些納米粒子作為檢測(cè)器檢測(cè)生物細(xì)胞內(nèi)的過氧化氫。這種BPAN納米粒子代表性的特點(diǎn)它們很容易被合成作為光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移傳感器，且對(duì)過氧化氫和活性氧極具吸引。與過氧化氫和其他活性氧反應(yīng)，它們表現(xiàn)出的特征發(fā)射峰值和峰位移有區(qū)別;相比有機(jī)化合物，BPAN聚合物納米粒子傳感器有更好的熱穩(wěn)定性，具有優(yōu)異的機(jī)械性能，可應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)。

Dong Yongqiang等［24］報(bào)道了一種綠色便捷的石墨烯傳感器對(duì)飲用水中游離氯的傳感，通過檸檬酸熱解而獲得的石墨烯量子點(diǎn)的鈍化表面能夠被游離氯摧毀，造成了很大熒光信號(hào)的猝滅。優(yōu)化一些實(shí)驗(yàn)條件(包括反應(yīng)時(shí)間、量子點(diǎn)的濃度和溶液pH值)后，基于量子點(diǎn)的猝滅效應(yīng)的綠色和便捷的傳感系統(tǒng)用于檢測(cè)水中的游離氯。這個(gè)傳感系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如反應(yīng)時(shí)間短、選擇性好、線性范圍寬、靈敏度高。游離氯的線性響應(yīng)范圍從 0.05～10 μmol/L(R2=0.992)，檢測(cè)限(S/N=3)低于0.05 μmol/L，這遠(yuǎn)低于使用最廣泛的 N-N-二乙基對(duì)苯二胺比色法。該傳感系統(tǒng)用來檢測(cè)當(dāng)?shù)刈詠硭畼悠分械臍堄嗦?，結(jié)果與用比色法一致，說明了這種新的、綠色、敏感和簡(jiǎn)便的傳感系統(tǒng)在飲用水質(zhì)檢測(cè)的潛力。

Aniruddha Kundu等［25］研究了高熒光的石墨烯聚乙烯(乙烯醇)復(fù)合材料:對(duì)Au3+的特種傳感材料，在酸性介質(zhì)(pH=4)下，制成了一種新的高熒光強(qiáng)度的石墨烯氧化物/聚(乙烯醇)復(fù)合材料。傅里葉變換紅外光譜表明，在聚乙烯醇的羥基和石墨烯的羥基之間形成了氫鍵。拉曼光譜表明，由于氫鍵的鈍化，這種復(fù)合材料的熒光強(qiáng)度高。這種復(fù)合材料的量子產(chǎn)率高于石墨烯。熒光顯微鏡圖像標(biāo)明，這種復(fù)合材料呈現(xiàn)出纖維形態(tài)，可發(fā)射高的綠色熒光。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡也顯示出了這種復(fù)合材料的纖維形態(tài)，這主要是由于石墨烯聚乙烯復(fù)合物復(fù)雜的超分子結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的。高熒光的石墨烯聚乙烯復(fù)合物被用來選擇性檢測(cè)水溶液中的Au3+離子，其檢出限約275 ×10－9。在 Au3+離子(300 μmol/L)中與濃度為 600 μm 的離子(Cu2+、Ag+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、K+、Pb2+、Co2+、Ni2+、Pd2+、Fe2+、Fe3+和Cr3+)同時(shí)存在時(shí)，表現(xiàn)出敏感、獨(dú)特的熒光猝滅效應(yīng)，其猝滅效率為76%。與生物類似的混合物(D-賴氨酸、牛血清白蛋白、葡萄糖、Na+，K+，Ca2+、Mg2+、Zn2+)(每個(gè) 600 μmol/L)，其猝滅效率73%，這表明，石墨烯聚乙烯復(fù)合材料是一個(gè)有效的Au3+離子傳感器。在pH=4時(shí)，石墨烯聚乙烯復(fù)合材料中石墨烯的平均壽命增加表明形成一個(gè)穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，但隨著金鹽溶液使用量的增加，混合溶液表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)猝滅。對(duì)金的選擇傳感性能是由于其減少電位高于其他金屬離子，含有Au3+300 μmol/L的石墨烯聚乙烯復(fù)合材料的光電子能譜數(shù)據(jù)表明，由于Au3+被還原為AuO而導(dǎo)致Au3+減少，由于復(fù)合物激發(fā)態(tài)的轉(zhuǎn)移，促進(jìn)選擇性光致發(fā)光猝滅。

1.4 基于芯片、紙質(zhì)的熒光傳感器

小型化是目前環(huán)境和食品監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要趨勢(shì)，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)方面擁有廣闊的前景。Juan Du等［26］研究了高靈敏度、選擇性的檢測(cè)汞離子的芯片熒光傳感器，報(bào)道了兩種隨時(shí)可用的基于芯片的熒光傳感器，在開啟和關(guān)閉操作模式可檢測(cè)汞離子(Hg2+)，這種傳感器結(jié)合芯片技術(shù)具有無試劑、一步、快速、高靈敏和選擇性的特點(diǎn)。關(guān)閉傳感器比開啟傳感器更敏感，其檢測(cè)限分別為3.6，8.6 nm，這都低于美國(guó)環(huán)境保護(hù)局標(biāo)準(zhǔn)飲用水限制［Hg2+］(10 nm，2×10－6)。與關(guān)閉傳感器的動(dòng)態(tài)汞檢測(cè)范圍從3.6 nm 到10 μm(R2=0.99)相比，開啟傳感器有一個(gè)廣泛的動(dòng)態(tài)汞離子檢測(cè)范圍，8.6 nm到100 μm(R2=0.996)。這兩個(gè)傳感器比其他報(bào)道的檢測(cè)汞離子胸腺嘧啶探針傳感器對(duì)汞離子的檢測(cè)具有高的選擇性。此外，芯片傳感器的實(shí)際應(yīng)用于加Hg2+的飲用水和新鮮牛奶。該傳感器由于其操作方便、簡(jiǎn)單、速度快和便攜性，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)具有很大的潛力。

Ma Yingxin等［27］報(bào)道了高靈敏性和選擇性的熒光紙傳感器對(duì)硝基芳香炸藥的檢測(cè)，在國(guó)土安全和公共安全的高要求下，一個(gè)小巧的紙傳感器可快速、靈敏和選擇性檢測(cè)2，4，6-三硝基甲苯(TNT)和2，4，6-苦味酸(TNP)炸藥。雖然許多方法已成功地用于檢測(cè)2，4，6-三硝基甲苯，但選擇性檢測(cè)三硝基苯的方法很少。在這項(xiàng)工作中，通過一個(gè)靈巧的和多功能的方法，通過劇烈攪拌和超聲輔助的方法，自組裝合成8-羥基喹啉鋁-藍(lán)綠色熒光復(fù)合納米微球。這種納米復(fù)合材料不僅在水中穩(wěn)定，且發(fā)光強(qiáng)度高。向納米復(fù)合材料水溶液添加三硝基苯，納米復(fù)合材料的熒光會(huì)迅速猝滅，建立了一個(gè)靈敏和強(qiáng)大的目視檢測(cè)硝基芳烴(包括三硝基甲苯、二硝基甲苯和硝基苯的混合物)中三硝基苯的平臺(tái)，熒光強(qiáng)度與硝基苯的濃度在0.05～7 μg/mL范圍內(nèi)成正比，其3σ檢測(cè)限為32.3 ng/mL。用三硝基苯溶液作為墨汁手寫在浸濕了的熒光納米復(fù)合材料濾紙上，藍(lán)綠熒光迅速猝滅和黑印留在紙上。因此，組裝了一個(gè)方便快捷的檢測(cè)2，4，6-三硝基甲苯紙傳感器。

另外，用傳感器對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)的研究也有報(bào)道。Anastasiya等研究了一種熒光傳感器作為GABA和合成的GABAB受體。γ-氨基丁酸(GABA)是主要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，而用來衡量活細(xì)胞中γ-氨基丁酸濃度的時(shí)空分辨率的工具還沒有出現(xiàn)。他們測(cè)定γ-氨基丁酸的第一比率熒光傳感器，被稱為GABA-snifit，它能夠高特異性和時(shí)空分辨的識(shí)別哺乳動(dòng)物細(xì)胞中表面的γ-氨基丁酸。GABA-snifit是一種半合成的含有受體GABA、SNAP和CLIP標(biāo)記，合成熒光團(tuán)和熒光受體拮抗劑的標(biāo)記蛋白。當(dāng)組裝在細(xì)胞表面，GABA-snifit顯示GABA依賴熒光發(fā)射光譜范圍在500～700 nm，它可識(shí)別微摩爾至毫摩爾濃度的氨基丁酸。這種傳感器在活細(xì)胞的比率轉(zhuǎn)換是1.8。此外，GABA-snifit可利用量化受體激動(dòng)劑、拮抗劑的相對(duì)結(jié)合親和力和變構(gòu)調(diào)節(jié)劑的影響。這些性能使gaba-snifit成為一個(gè)在生物系統(tǒng)中研究GABA和 GABAB 有用工具［28］。

2 結(jié)束語(yǔ)

理想的用于熒光傳感器的物質(zhì)應(yīng)該具備以下幾個(gè)特點(diǎn):①發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)該比較高，在激發(fā)光源的激發(fā)下，其熒光信號(hào)能夠容易檢測(cè)到;②斯托克斯位移應(yīng)盡量大，以使激發(fā)峰位和發(fā)射峰位距離較遠(yuǎn)，避免檢測(cè)發(fā)射信號(hào)時(shí)不受激發(fā)光散射的影響;③發(fā)射峰的最大半高寬應(yīng)該盡量小，以提高儀器檢測(cè)的靈敏度;④分子或顆粒應(yīng)該盡量小，并應(yīng)具有較好的生物相容性;⑤材料不應(yīng)被光漂白，其激發(fā)波長(zhǎng)盡量處于長(zhǎng)波范圍。設(shè)計(jì)、合成新型的高親和性、高專一性和具有耐熱、耐酸堿且長(zhǎng)期穩(wěn)定的熒光傳感材料，將在化學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面具有重要的科學(xué)意義。基于分子標(biāo)記技術(shù)和熒光檢測(cè)的仿生分子識(shí)別方法將有著十分廣闊的研究空間和良好的發(fā)展，傳感器的小型化、便攜化也是將來的發(fā)展趨勢(shì)。

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