基于石墨烯量子點(diǎn)的傳感器在分析檢測(cè)中的應(yīng)用

基于石墨烯量子點(diǎn)的傳感器在分析檢測(cè)中的應(yīng)用姓名李麗娟學(xué)號(hào)S131110042摘要：石墨烯量子點(diǎn)優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)及石墨烯量子點(diǎn)邊緣的羧基或者氨基基團(tuán)使其易與多種有機(jī)的，聚合的，無(wú)機(jī)的或者生物種類(lèi)相互作用。本文主要介紹了石墨烯量子點(diǎn)的制備方法以及基于〔類(lèi)〕石墨烯量子點(diǎn)、〔類(lèi)〕石墨烯材料的熒光傳感器在分析檢測(cè)中的應(yīng)用，并詳細(xì)介紹了分析檢測(cè)的原理，以期為石墨烯量子點(diǎn)在分析檢測(cè)中的應(yīng)用提供相關(guān)參考與依據(jù)。關(guān)鍵詞：石墨烯量子點(diǎn)熒光檢測(cè)1引言最近，石墨烯獲得了廣泛的關(guān)注由于其獨(dú)特的電子光學(xué)機(jī)械以及熱學(xué)性質(zhì)。大量基于石墨烯的生物傳感器被開(kāi)發(fā)來(lái)檢測(cè)核酸，蛋白質(zhì)，毒素和生物分子。石墨烯片層的形態(tài)包括它們的大小，形狀以及厚度都可以有效的決定它們的性質(zhì)。例如，石墨烯片層側(cè)面尺寸小于100nm時(shí)被稱為石墨烯量子點(diǎn)〔GQDs〕，其許多新的化學(xué)和物理性質(zhì)都是由于量子尺寸效應(yīng)和邊緣效應(yīng)而引起的。GQDs毒性小，穩(wěn)定性高，溶解性好，光致發(fā)旋光性質(zhì)穩(wěn)定，生物兼容性較好，使得它們?cè)诠怆姺蚱餍?，生物傳感及成像上有很大的?yīng)用前景。本文著重介紹了石墨烯量子點(diǎn)的制備方法以及近年來(lái)基于石墨烯量子點(diǎn)與分析物發(fā)生作用的不同原理，如熒光共振能量轉(zhuǎn)移，化學(xué)共振能量轉(zhuǎn)移及石墨烯量子點(diǎn)外表性質(zhì)的變化等來(lái)檢測(cè)分析物質(zhì)，并做出了展望。2石墨烯量子點(diǎn)的制備FeiLiu等[1]成功地用化學(xué)剝離石墨納米顆粒的方法合成了高度均勻的GQDs和GOQDs〔氧化石墨烯量子點(diǎn)〕，如圖1所示。該方法獲得了高產(chǎn)率的直徑在4nm之內(nèi)的單層和圓形的GQDs和GOQDs。GOQDs的外表富含各種含氧官能團(tuán)，GQDs有純粹的sp2碳晶體結(jié)構(gòu)沒(méi)有含氧的缺陷，因此提供了一種理想的平臺(tái)來(lái)深入研究納米尺寸的石墨烯的光致發(fā)光的起源。通過(guò)描述GQDs和GOQDs的發(fā)旋光性質(zhì)，說(shuō)明了GOQDs的綠色光致發(fā)光來(lái)自于含氧官能團(tuán)的缺陷狀態(tài)，而GQDs的藍(lán)色發(fā)光是由高結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的內(nèi)稟態(tài)所主導(dǎo)的。此外，GQDs中的藍(lán)色發(fā)射顯示了一個(gè)快速的復(fù)合壽命相比于GOQDs中的綠色發(fā)射的復(fù)合壽命。相比于之前報(bào)道的GQD修飾的方法，該方法得到了穩(wěn)定的發(fā)冷光的原始的GQDs和GOQDs并且有高的產(chǎn)率和重現(xiàn)性。圖1：用化學(xué)剝離GNP〔石墨納米顆?！撤椒ê铣蒅QDs和GOQDs的方案〔含氧的位點(diǎn)用紅點(diǎn)示出〕3〔類(lèi)〕石墨烯量子點(diǎn)及〔類(lèi)〕石墨烯材料在分析檢測(cè)中的應(yīng)用3.1CdSe量子點(diǎn)的熒光轉(zhuǎn)移機(jī)制IanV.Lightcap等證明了CdSe量子點(diǎn)的熒光轉(zhuǎn)移到石墨烯和復(fù)原態(tài)的石墨烯的機(jī)制[2]。GO〔石墨烯〕和RGO〔復(fù)原態(tài)的石墨烯〕是電子受體，經(jīng)過(guò)光激發(fā)，CdSe量子點(diǎn)的熒光可以通過(guò)能量轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移到GO和RGO上，導(dǎo)致了GO的復(fù)原和電荷儲(chǔ)存。由于GO的復(fù)原和隨后的電子充電使得電子的獲得變難了。因此，下一個(gè)階段CdSeQD將通過(guò)能量轉(zhuǎn)移來(lái)淬滅熒光。能量轉(zhuǎn)移的供體是CdSe，受體是〔R〕GO，它們之間轉(zhuǎn)移的程度是基于接近的程度和光譜重疊的程度。GO是更有效的淬滅試劑，可能是因GO的電子接受能力以及它高度的相互作用的本質(zhì)?？偟膩?lái)說(shuō)，除了能量轉(zhuǎn)移之外，電子轉(zhuǎn)移途徑也控制了激發(fā)態(tài)的CdSe到GO和RGO的失活過(guò)程。3.2基于〔類(lèi)〕石墨烯材料的熒光傳感器對(duì)DNA和蛋白質(zhì)的檢測(cè)XiaoqingLiu等將功能化雜交材料〔氧化石墨烯/核酸穩(wěn)定的銀納米簇〕用于光學(xué)適配體傳感以及致病DNA的多重分析。[3]應(yīng)用兩種不同的類(lèi)型的AgNCs〔銀納米簇〕，一種包含紅外發(fā)射的AgNCs，另一種是近紅外發(fā)射的AgNCs。它們被核酸序列保護(hù)起來(lái)，然后再連接一個(gè)特異性的單鏈序列，這個(gè)復(fù)合物可以與GO〔氧化石墨烯〕結(jié)合，并且熒光被淬滅。當(dāng)參加互補(bǔ)序列或者ATP，或者凝血酶時(shí)，由于分別形成了雙鏈結(jié)構(gòu)和適配體-基質(zhì)復(fù)合物使得這個(gè)雜交整體從GO上解吸而使熒光恢復(fù)，因而可以用這個(gè)傳感體系來(lái)多重分析一系列的傳染性病原體的基因以及用于檢測(cè)ATP或者凝血酶。原理圖如圖2所示。圖2：氧化石墨烯/核酸穩(wěn)定的銀納米簇用于光學(xué)適配體傳感以及致病DNA的多重分析示意圖ChangfengZhu等用單層MoS2的納米探針在均相中檢測(cè)DNA和小分子。[4]原理圖如圖3所示。單層MoS2納米片顯示了較高的熒光淬滅能力，對(duì)ssDNA和dsDNA展示了不同的親和力。MoS2可以通過(guò)核酸堿基和MoS2之間的范德華力吸附染料標(biāo)記的ssDNA探針，隨后淬滅染料的熒光。當(dāng)參加與ssDNA互補(bǔ)的單鏈DNA時(shí)，由于核酸堿基包含在密集的帶負(fù)電的螺旋磷酸骨干結(jié)構(gòu)里面，所以使得dsDNA與MoS2之間的作用力減弱了，使得熒光恢復(fù)。這種“混合再檢測(cè)〞的方法模式簡(jiǎn)單并且可以在幾分鐘之內(nèi)完成。重要的是，這個(gè)實(shí)驗(yàn)僅僅可以在液體均相中檢測(cè)，使得這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以自動(dòng)化并且易于實(shí)時(shí)檢測(cè)。因此，這個(gè)方法可以開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單快速和低本錢(qián)的納米探針用于分子診斷。圖3：熒光檢測(cè)DNA的圖示HuiminZhao等通過(guò)調(diào)控石墨烯〔Gr〕和石墨烯量子點(diǎn)〔GQDs〕之間的相互作用提供了一個(gè)新的和通用的信號(hào)轉(zhuǎn)換方法用于免疫熒光檢測(cè)，并且證明了它對(duì)人免疫球蛋白的敏感檢測(cè)的可行性[5]，原理圖如圖4所示。Gr作為受體，鼠抗人免疫球蛋白G〔mIgG，抗體〕結(jié)合的GQDs作為供體被選為制造FRET的免疫傳感器，用來(lái)檢測(cè)人免疫球蛋白G〔IgG，抗原〕。當(dāng)參加Gr到mIgG-GQDs溶液中時(shí)，Gr和GQDs之間的π-π堆疊作用以及mIgG與Gr外表之間的非特異性結(jié)合相互作用使得Gr與GQDs之間的FRET距離接近，使得GQDs的熒光淬滅。在傳感過(guò)程中，由于特異性的抗體-抗原相互作用，添加人IgG將會(huì)結(jié)合mIgG，這將有效的增加mIgG-GQDs與Gr外表之間的距離從而阻止了FRET的過(guò)程，使得熒光得以恢復(fù)。在這種熒光翻開(kāi)的狀態(tài)下，全部的熒光響應(yīng)都是基于IgG在樣品中的含量，這就提供了一個(gè)有效的方法來(lái)定量的檢測(cè)目標(biāo)物。此外，mIgG與IgG之間的結(jié)合力可以保證這個(gè)檢測(cè)方法的特異性。通過(guò)簡(jiǎn)單地置換抗體，這個(gè)體系可以用來(lái)檢測(cè)其它抗原。這個(gè)方法將會(huì)為FRET技術(shù)的開(kāi)展提供新的時(shí)機(jī)并且促進(jìn)基于碳納米材料在免疫分析中的應(yīng)用。圖4：基于調(diào)控Gr和GQDs之間的相互作用的普遍的免疫傳感方法的圖示IsraaAl-Ogaidi等用化學(xué)發(fā)光共振能量〔CRET〕轉(zhuǎn)移到石墨烯量子點(diǎn)的方法來(lái)檢測(cè)卵巢癌生物標(biāo)記物CA-125。[6]原理圖如圖5所示，氨基修飾的玻璃薄片被APTMS硅烷化，GQDs隨后通過(guò)靜電吸引作用固定到帶正電荷的玻璃薄片的氨基上。對(duì)CA-125抗原特異性的捕獲抗體〔cAb〕通過(guò)酰胺鍵與GQDs共價(jià)交聯(lián)到一起。隨后參加BSA封鎖玻璃外表上未反響的點(diǎn)，形成GQDs-cAb薄片。免疫測(cè)定中沒(méi)有CA-125時(shí)，HRP〔辣根過(guò)氧化物酶〕酶催化了H2O2中活性氧的產(chǎn)生，它可以氧化魯米諾形成單線態(tài)二階陰離子，即產(chǎn)生了激發(fā)態(tài)電子。當(dāng)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，化學(xué)發(fā)光就產(chǎn)生了，用熒光板可以記錄發(fā)射的藍(lán)光的強(qiáng)度。這個(gè)化學(xué)反響是由HRP所催化的，反響產(chǎn)物與HRP接近，因此二階陰離子也與GQDs遠(yuǎn)離，因此在二階陰離子和GQDs之間沒(méi)有強(qiáng)烈的相互作用。當(dāng)體系中有CA-125時(shí)，形成了抗體-抗原復(fù)合物，該復(fù)合物暴露于Ab-HRP中時(shí)形成了三明治結(jié)構(gòu)。HRP與GQDs距離接近了，由HRP催化得到的二階陰離子與GQDs距離也近了，使得從二階陰離子到GQDs的共振能量轉(zhuǎn)移成為可能，淬滅了化學(xué)發(fā)光。使用CRET的特點(diǎn)是不需要激發(fā)光源，因此可以防止由外在的激發(fā)光源引起的背景熒光的干擾。GQDs作為能量受體可以防止光漂白的問(wèn)題，另外，使用GQDs使得NSET〔納米金屬的外表能量轉(zhuǎn)移〕機(jī)制成為可能---不需要能量受體和供體之間有光譜重疊，這就使得能量供體的選擇有了靈活性。這種傳感平臺(tái)可以進(jìn)一步修飾組裝成芯片用于高生產(chǎn)力的多重檢測(cè)。圖5：免疫測(cè)定的組裝圖及檢測(cè)原理3.3基于石墨烯量子點(diǎn)的熒光傳感器檢測(cè)重金屬離子及其他離子X(jué)iangRan等[7]用Ag納米顆粒修飾的石墨烯量子點(diǎn)高靈敏的、選擇性的檢測(cè)了Ag+和生物巰基化合物。作為一個(gè)新的發(fā)熒光材料，GQDs在紫外區(qū)域有較強(qiáng)的吸收并發(fā)射亮藍(lán)色或綠色的熒光。如圖6所示，GQDs被選為熒光指示器。在沒(méi)有Ag+或者生物巰基化合物存在時(shí)，GQDs顯示了較強(qiáng)的藍(lán)色熒光。當(dāng)參加Ag+時(shí)，Ag+通過(guò)靜電作用連接在GQDs的外表使得熒光淬滅，這是由于形成了AgNPs/GQDs的雜交物。再往溶液中參加生物巰基化合物時(shí)，生物巰基化合物在體系中作為復(fù)原劑并橋連了Ag納米顆粒，導(dǎo)致了GQD熒光的消失，這是由于生物巰基化合物與Ag之間形成了Ag-S鍵，它們之間強(qiáng)烈的相互作用導(dǎo)致熒光的消失。因此，利用觀測(cè)到的熒光變化可以設(shè)計(jì)一個(gè)靈巧的熒光傳感器檢測(cè)Ag+和生物巰基化合物。圖6：基于石墨烯量子點(diǎn)檢測(cè)Ag+和生物巰基化合物的機(jī)制DaweiHuang等[8]描述了一個(gè)時(shí)間門(mén)控〔time-gated〕熒光共振能量轉(zhuǎn)移〔TRFRET〕傳感方案--在水溶液中用長(zhǎng)壽命的熒光量子點(diǎn)和金納米顆粒來(lái)檢測(cè)痕量的Hg2+。摻雜Mn的量子點(diǎn)〔Mn-dopingQDs〕具有高的量子產(chǎn)率及長(zhǎng)的熒光壽命，金納米顆粒有高的消光系數(shù)并且在可見(jiàn)光下有較寬的吸收光譜可與常用的能量供體的發(fā)射光譜相重疊。結(jié)合金納米顆粒和Mn-dopingQDs的優(yōu)點(diǎn)及T-Hg2+-T結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和特異性，可設(shè)計(jì)如圖7所示的方案在水溶液中檢測(cè)Hg2+。水溶液中Mn-dopingQDs和金納米顆粒被兩個(gè)互補(bǔ)的ssDNA功能化，這兩個(gè)互補(bǔ)的ssDNA(單鏈DNA)含有四個(gè)特意設(shè)計(jì)的T-T錯(cuò)配堿基。Mn-dopingQDs作為能量轉(zhuǎn)移的供體，金納米顆粒作為能量轉(zhuǎn)移的受體。當(dāng)水溶液中有Hg2+存在時(shí)，將發(fā)生DNA雜交由于形成了T-Hg2+-T復(fù)合物。結(jié)果，Mn-dopingQDs和金納米顆粒距離被拉近，從而出現(xiàn)了從Mn-dopingQDs到金納米顆粒之間的能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致了Mn-dopingQDs的熒光強(qiáng)度的明顯降低。降低的熒光強(qiáng)度與Hg2+的濃度成比例。在最優(yōu)的條件下，這個(gè)傳感體系對(duì)于Hg2+展示了從1×10?9到1×10?8M的線性范圍，在緩沖溶液中的檢測(cè)限是0.49nM，在自來(lái)水中的檢測(cè)限是0.87nM。這個(gè)傳感器也被用于檢測(cè)參加標(biāo)準(zhǔn)Hg2+的自來(lái)水，河水，和池水中的Hg2+樣品，結(jié)果與用原子熒光光譜測(cè)得的值相一致。相比于一些報(bào)道的比色和發(fā)熒光的傳感器，這個(gè)建議的方法顯示了較好的靈敏度。這個(gè)TGFRET傳感器也顯示了好的選擇性并且提供了檢測(cè)Hg2+圖7：在DNA雙鏈中以Hg2+為媒介用TGFRET方法傳感Hg2+的方案HimadriChakraborti等[9]用GQDs作為熒光化學(xué)傳感器檢測(cè)了水溶液中〔PH=7〕的Hg2+。此方法的創(chuàng)新之處在于Hg2+在GQDs外表的吸附使得探針的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，最終導(dǎo)致了GQDs熒光的淬滅，這個(gè)探針?lè)牡氖菬晒怅P(guān)閉〔turnoff〕機(jī)制。說(shuō)明GQDs是一個(gè)有效的化學(xué)傳感方法用于在100%水溶液中〔pH=7〕選擇性地檢測(cè)Hg2+。證明了Hg2+在GQDs外表的吸附是GQDs熒光淬滅的唯一原因。Yan-XiaQi等開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的基于石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合物的探針用于熒光法檢測(cè)Pb2+(LOD:9pM),并結(jié)合活體內(nèi)的微透析取樣技術(shù)在大鼠的腦紋狀體上檢測(cè)Pb2+[10]。色氨酸可以通過(guò)氨基和羧基與金屬離子配位。色氨酸的吲哚環(huán)會(huì)與金屬離子通過(guò)非共價(jià)鍵的結(jié)合力相互作用。最近，由于色氨酸特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及自然的熒光，色氨酸吸引了許多研究者的注意力。Yan-XiaQi等合成了一個(gè)新的GQD衍生的復(fù)合物，DMA〔3,9-dithia-6-monoazaundecane〕功能化的GQDs〔GQD-DMA〕，使用DMA功能化的氧化石墨烯〔GO-DMA〕經(jīng)水熱法合成。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，結(jié)合制備好的GQD-DMA的獨(dú)特性質(zhì)及色氨酸的自然熒光，設(shè)計(jì)了一個(gè)選擇性的和靈敏的方法來(lái)檢測(cè)Pb2+基于GQD-DMA-色胺酸體系，如圖8所示。圖8：基于GQD-DMA-色胺酸復(fù)合物體系檢測(cè)Pb2+的圖示如圖8所示，在有GQD-DMA時(shí)，Pb2+可以與色氨酸上的羧基配位并與GQD-DMA外表上的硫原子通過(guò)靜電作用結(jié)合到一起。此時(shí)，色氨酸的吲哚環(huán)和Pb2+之間的配位形成了。隨后，色氨酸的吲哚環(huán)與GQD-DMA芳香環(huán)之間通過(guò)π-π相互作用配位。當(dāng)Pb2+存在時(shí)，Pb2+作為一個(gè)交聯(lián)劑，在色氨酸和GQD-DMA之間形成一個(gè)剛性結(jié)構(gòu)，使得GQD-DMA-色氨酸復(fù)合物體系熒光增強(qiáng)，這是由于色氨酸和GQD-DMA之間強(qiáng)烈的能量轉(zhuǎn)移作用。這種方法可以快速的檢測(cè)Pb2+，并且對(duì)于鉛離子的檢測(cè)相對(duì)于其它干擾離子都顯示出了特異性。9pM的檢測(cè)限相比于之前報(bào)道的傳感器都有很大的降低。這種方法在鼠的腦脊髓流體中檢測(cè)鉛離子獲得了可信的結(jié)果。在生物和環(huán)境領(lǐng)域展示出了高選擇性和高靈敏的檢測(cè)鉛離子的應(yīng)用前景。HanjunSun等用光致發(fā)光的的氨基功能化的石墨烯量子點(diǎn)用于傳感銅離子。[11]具有較低量子產(chǎn)率〔2.5%〕的發(fā)黃綠色熒光的GQDs〔gGQDs〕在氨水中用水熱法處理后，被轉(zhuǎn)換成氨基功能化的GQDs〔afGQDs〕并具有較高的量子產(chǎn)率〔16.4%〕。由于Cu2+相比于其它過(guò)渡金屬與afGQDs外表上的N和O具有更高的親和力和更快的螯合動(dòng)力學(xué)，因此afGQDs對(duì)于Cu2+相對(duì)于gGQDs具更高的選擇性。afGQDs對(duì)于Cu2+的高選擇性是由于Cu2+相對(duì)于其它過(guò)渡金屬與afGQDs上的N和O基團(tuán)有更高的結(jié)合能力和更快的螯合動(dòng)力學(xué)。氨基化轉(zhuǎn)換了GQDs外表的電荷(從負(fù)電荷到正電荷)，使得afGQDs更易進(jìn)入細(xì)胞。熒光淬滅過(guò)程包含動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的淬滅過(guò)程。因此，利用以上性質(zhì)制造了一個(gè)簡(jiǎn)單的熒光傳感器可以在水溶液中和活細(xì)胞中檢測(cè)Cu2+。原理圖如圖9所示。圖9：afGQDs的制備途徑以及其被銅離子淬滅的圖示YongqiangDong等用石墨烯量子點(diǎn)作為簡(jiǎn)單的傳感器用于檢測(cè)飲用水中游離氯。[12]原理圖如圖10所示。游離氯包括水溶液中溶解的Cl2，HClO，及ClO-的總量。GQDs是用熱解檸檬酸的方法得到的，這樣可以得到外表鈍化的GQDs，這種外表鈍化的GQDs的熒光強(qiáng)度較高。游離氯強(qiáng)烈的氧化作用破壞了GQDs外表鈍化層，導(dǎo)致了熒光的淬滅。這個(gè)傳感器的檢測(cè)限在報(bào)道過(guò)的檢測(cè)方法中是最低的，并且方法簡(jiǎn)單無(wú)污染，除了用到無(wú)毒的GQDs之外沒(méi)有用到其它試劑。這個(gè)檢測(cè)方法選擇性高，線性范圍廣，檢測(cè)迅速，已經(jīng)成功的應(yīng)用于自來(lái)水樣品中的游離氯的檢測(cè)，預(yù)期在飲用水質(zhì)量上的檢測(cè)有良好的應(yīng)用前景。圖10：游離氯淬滅GQDs熒光的原理圖BoTang等利用FAM–DNA–Au納米顆粒檢測(cè)羥基自由基以及它們?cè)诨罴?xì)胞中的成像。[13]AuNPs〔金納米顆?！吃跓晒馓结樦锌梢宰鳛榇銣缁鶊F(tuán)用于由細(xì)胞內(nèi)的羥基自由基所導(dǎo)致的DNA損傷。直徑為15nm的AuNPs被3＇末端帶有巰基，5＇端帶有熒光團(tuán)的DNA寡聚物修飾。AuNPs具有較高的消光系數(shù)，在熒光團(tuán)-AuNP復(fù)合物中是良好的熒光淬滅劑。FRET被關(guān)閉由于OH?誘導(dǎo)的DNA單鏈的破裂，恢復(fù)了淬滅的熒光團(tuán)的熒光，原理圖如圖11所示。在體外實(shí)驗(yàn)中用OH?(由Feton試劑產(chǎn)生)證明了熒光強(qiáng)度的增加，線性范圍是8.0nM到1.0μM，檢測(cè)限低到2.4nM。巨噬細(xì)胞和人肝細(xì)胞癌的共聚焦顯微成像顯示探針是可以透過(guò)細(xì)胞的并且細(xì)胞內(nèi)的羥基自由基是有響應(yīng)的。這個(gè)探針不僅有望應(yīng)用于活體的OH?的成像，且自發(fā)熒光的干擾較小，所以也能夠在活體外的生物體系中定量OH?。良好的選擇性和較高靈敏性建立了該探針為促進(jìn)OH?為媒介的細(xì)胞穩(wěn)態(tài)和損害檢測(cè)的潛在價(jià)值。圖11：FAM-DNA-AuNP的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及基于FRET機(jī)理的操作圖示3.4基于FRET的原理的熒光傳感器檢測(cè)TNT及其結(jié)構(gòu)類(lèi)似物L(fēng)ishuangFan等通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移方法〔FRET〕，將外表未修飾的GQDs作為一個(gè)有效的和簡(jiǎn)單的熒光傳感平臺(tái)在溶液中超靈敏的檢測(cè)2,4,6-三硝基甲苯〔TNT〕[14]，原理圖如圖12所示。發(fā)熒光的GQDs通過(guò)在GQDs和芳香環(huán)之間的π-π堆疊的相互作用特異性的結(jié)合TNT。當(dāng)它們?cè)诳臻g相互接近時(shí)，從GQDs供體到TNT受體通過(guò)分子內(nèi)的極-極相互作用，束縛在GQDs外表的合成的TNT能夠通過(guò)FRET機(jī)理強(qiáng)烈的抑制熒光發(fā)射。在只使用1mlGQDs溶液時(shí)，未修飾的GQDs能夠靈敏的檢測(cè)到0.495ppm(2.2μM)的TNT。這種簡(jiǎn)單的基于FRET的GQDs展示了高的和穩(wěn)定的熒光。沒(méi)有處理或者修飾，這個(gè)方法簡(jiǎn)化和縮短了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并且該方法組裝靈活因此可以在檢測(cè)超痕量的分析物上有很多應(yīng)用。圖12：GQDs基于FRET方法檢測(cè)TNT的圖示KuiZhang等[15]證明了一個(gè)新的理論以及這個(gè)理論應(yīng)用于多種包裝材料上的TNT微粒的視覺(jué)檢測(cè)。這種理論就是用雙發(fā)射的量子點(diǎn)雜交物在多種外表上用比色熒光法及時(shí)的視覺(jué)檢測(cè)TNT微粒。這個(gè)理論利用了QDs的良好的熒旋光性質(zhì)---通過(guò)比率熒光用于可視化的信號(hào)輸出，對(duì)于TNT的化學(xué)識(shí)別QDs外表移植的可行性,以及指紋上升技術(shù)操作的簡(jiǎn)單性。兩種不同尺寸的CdTeQDs分別發(fā)射紅色和綠色熒光，通過(guò)將發(fā)紅色熒光的QDs嵌入到硅納米顆粒內(nèi)部和將發(fā)綠色熒光的QDs共價(jià)交聯(lián)到硅的外表來(lái)形成一個(gè)雙發(fā)射的熒光雜交納米顆粒。在硅顆粒內(nèi)部的紅量子點(diǎn)的熒光保持不變,而與聚胺功能化的綠量子點(diǎn)通過(guò)形成Meisenheimer復(fù)合物能夠選擇性的結(jié)合TNT，由于共振能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了綠色熒光淬滅?；谂c不同數(shù)量的TNT曝光，兩種熒光強(qiáng)度的比值顯示了從黃綠色到紅色的連續(xù)的顏色變化，如圖14所示。通過(guò)將探針固定在一片濾紙上,創(chuàng)新了一個(gè)指紋上升技術(shù),通過(guò)在紫外燈的黃綠色背景下出現(xiàn)不同顏色而在不同種外表上顯示痕量的TNT微粒.這個(gè)方法展示了高的選擇性和靈敏性，如圖15所示。這個(gè)方法雜交了兩種不同尺寸的量子點(diǎn)構(gòu)建了雙發(fā)射的量子點(diǎn)，它使用一種類(lèi)似于指紋上升技術(shù)的方法在不同種外表上應(yīng)用于視覺(jué)檢測(cè)TNT微粒。TNT微粒在外表上的出現(xiàn)可以通過(guò)熒光顏色的變化而顯示出來(lái)。這個(gè)方法用裸眼對(duì)信封上的TNT微粒展示了較高的選擇性和靈敏性。這里報(bào)道的理論可以通過(guò)在硅的外表功能化適宜的綠色量子點(diǎn)，將視覺(jué)檢測(cè)范圍延伸到有機(jī)和生物分子上。圖13：比率熒光探針的圖示以及視覺(jué)檢測(cè)TNT的工作原理。下端的圖表示的是雜交探針的熒光變化〔在紫外燈照射下〕。圖14：〔上方的圖〕使用固定在濾紙上的比率熒光探針視覺(jué)檢測(cè)TNT的策略圖?！蚕旅娴膱D〕捕獲的痕量TNT微粒從不同種基質(zhì)中上升的圖像?！睞〕粗糙外表〔B〕馬尼拉信封分別由5ng，25ng，125ng和750ng的TNT〔C〕合成的布袋分別由10ng,50ng,250ng，和1000ng的TNT。YingZhou等[16]合成一個(gè)石墨烯量子點(diǎn)〔GQDs〕的熒光傳感器用于水樣品中對(duì)硝基苯酚〔4-NP〕的檢測(cè)，第一次將分子印跡聚合物〔MIP〕合并到以GQDs為根底的傳感體系當(dāng)中，原理圖如圖16所示。用水熱法來(lái)制作硅殼包裹的GQDs。通過(guò)使用3-氨基丙基三乙氧基硅烷作為功能單體以及四乙氧基硅烷作為交聯(lián)劑將MIP層附著到硅殼包裹的GQDs上開(kāi)發(fā)了最終的合成物。GQDs與MIP的結(jié)合賦予了復(fù)合物穩(wěn)定的熒旋光性質(zhì)和模板選擇性。由于從GQDs〔供體〕到對(duì)硝基苯酚〔4-NP〕〔受體〕的共振能量轉(zhuǎn)移，當(dāng)4-NP到達(dá)結(jié)合位點(diǎn)時(shí)，MIP包裹的GQDs復(fù)合物的熒光能被有效的淬滅。這個(gè)復(fù)合物被應(yīng)用于檢測(cè)非輻射的4-NP并且在μg/ml的范圍展示了較好的線性關(guān)系，檢測(cè)限是9.00ng/ml(S/N=3)。這個(gè)新的傳感器擁有突出的優(yōu)點(diǎn)，例如穩(wěn)定的熒光，環(huán)境友好的性質(zhì)，快速響應(yīng)以及很好的識(shí)別特異性。另外，這個(gè)MIP包裹的GQDs傳感器有一個(gè)寬的線性范圍和低的檢測(cè)限，在環(huán)境檢測(cè)和評(píng)估方面展現(xiàn)了應(yīng)用前景。圖15：分子印跡聚合物〔MIP〕包裹的傳感器用于檢測(cè)對(duì)硝基苯酚〔4-NP〕的示意圖3.5基于石墨烯量子點(diǎn)的熒光傳感器檢測(cè)單糖Zhi-beiQu等[17]合成了三氨基苯硼酸功能化的石墨烯量子點(diǎn)〔APBA-GQDs，合成方法如圖16所示〕用作選擇性和靈敏性的檢測(cè)葡萄糖。與微量滲析相結(jié)合，成功地在鼠的腦紋狀體中檢測(cè)到了葡萄糖。圖16：用APBA功能化的GQDs的圖示該檢測(cè)方法的原理圖如圖17所示。外表被富氧官能團(tuán)所鈍化，APBA-GQDs全帶負(fù)電荷。另外，在葡萄糖識(shí)別后，葡萄糖分子結(jié)合APBA基團(tuán)形成帶負(fù)電的硼酸復(fù)合物。在這些APBA-GQDs之間發(fā)生了庫(kù)侖排斥。但是，另一方面，APBA-GQDs又被葡萄糖共價(jià)結(jié)合交聯(lián)到一起。靜電排斥和共價(jià)交聯(lián)將會(huì)使得葡萄糖和APBA-GQDs之間的作用力到達(dá)平衡。由這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的排斥和吸引力所導(dǎo)致的有彈性的張力將會(huì)拉開(kāi)APBA-GQDs形成外表狀態(tài)的界面，最終導(dǎo)致熒光有效的淬滅。與之前報(bào)道的檢測(cè)葡萄糖的體系相比，APBA-GQDs提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的和低本錢(qián)的檢測(cè)方法，并且具有高靈敏性和選擇性。圖17：識(shí)別葡萄糖的外表淬滅狀態(tài)的機(jī)制Ya-HuaLi等用石墨烯量子點(diǎn)與硼酸取代的雙吡啶鹽〔BBV〕來(lái)檢測(cè)水溶液中的單糖。[18]原理圖如圖18所示，在GQDs與BBV(帶正電荷的硼酸取代的雙吡啶鹽)之間的靜電吸引形成了基態(tài)的復(fù)合物,促進(jìn)了激發(fā)態(tài)的電子從GQDs轉(zhuǎn)移到雙吡啶鹽上，導(dǎo)致了GQDs熒光強(qiáng)度減弱。當(dāng)參加葡萄糖時(shí)，硼酸轉(zhuǎn)化成了帶負(fù)電荷的四面體的葡萄糖硼酸酯，有效的中和了雙吡啶鹽的正電荷，使得雙吡啶鹽的淬滅效率降低，因此GQDs的熒光得以恢復(fù)。因此，可以利用觀測(cè)到的熒光變化檢測(cè)葡萄糖和其它單糖的含量。這個(gè)方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單并提供了一個(gè)方便的“混合再檢測(cè)〞的方案來(lái)快速檢測(cè)葡萄糖，實(shí)際樣品中檢測(cè)葡萄糖的研究目前正在進(jìn)行中。圖18：基于BBV的接收器及發(fā)熒光的GQDs檢測(cè)葡萄糖的機(jī)制3.6基于石墨烯量子點(diǎn)的熒光傳感器檢測(cè)磷酸鹽JianmeiBai等開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的光致發(fā)光的傳感器用于磷酸鹽〔Pi〕的檢測(cè)，利用GQDs作為一個(gè)有效的傳感平臺(tái)。[19]磷酸鹽傳感理論的原理圖如圖19所示。如下圖，這個(gè)體系將GQDs與Eu3+結(jié)合。首先，Eu3+能夠與GQDs外表的羧酸鹽基團(tuán)配位，在這里它們是作為一個(gè)誘導(dǎo)GQD聚合的橋梁。因此，GQDs的熒光被淬滅，通過(guò)能量轉(zhuǎn)移的靜態(tài)淬滅過(guò)程。然后，當(dāng)參加Pi〔磷酸鹽〕時(shí)GQD聚合物會(huì)被別離開(kāi)來(lái)，因?yàn)镋u3+相比于GQD外表的羧酸基團(tuán)對(duì)Pi中的供氧原子表現(xiàn)了更高的親和力。在這種情況下，GQDs隨后的再分散使得熒光恢復(fù)。該研究小組證明了一個(gè)快速敏感特異性的熒光關(guān)閉-翻開(kāi)方法來(lái)檢測(cè)Pi，基于來(lái)自Pi的供氧原子與GQDs外表的供氧羧酸基團(tuán)對(duì)于Eu3+的競(jìng)爭(zhēng)。這個(gè)方法可以在復(fù)雜環(huán)境中檢測(cè)Pi而不需要冗長(zhǎng)的樣品預(yù)處理過(guò)程。類(lèi)似石墨烯的結(jié)構(gòu)結(jié)合類(lèi)似量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)使得GQDs未來(lái)有望作為通用的探針應(yīng)用于分析檢測(cè)和生物技術(shù)領(lǐng)域。圖19：檢測(cè)Pi的圖示基于Pi與GQDs外表的羧基競(jìng)爭(zhēng)Eu3+Jing-JingLiu等用谷胱甘肽功能化的石墨烯量子點(diǎn)〔GQDs@GSH〕作為選擇性的熒光探針用于含磷酸鹽的分子的檢測(cè)。[20]GQDs@GSH強(qiáng)烈的熒光在有Fe3+存在時(shí)會(huì)被淬滅。因?yàn)镚SH可以作為一個(gè)配體可與Fe3+配位，因此淬滅作用的發(fā)生主要是由于GQDs@GSH與Fe3+之間有效的電子轉(zhuǎn)移作用。磷酸鹽離子通過(guò)形成Fe-O-P鍵對(duì)Fe3+有很高的親和力。因此含磷酸鹽的分子可以作為配位試劑與Fe3+結(jié)合。當(dāng)有磷酸鹽離子存在時(shí)GQDs@GSH被Fe3+淬滅的熒光根本上可以恢復(fù)?；谝陨闲再|(zhì)，一個(gè)基于GQDs@GSH的熒光變化的快速、靈敏的傳感方法被開(kāi)發(fā)用于檢測(cè)含磷酸鹽離子的分子。傳感原理圖如圖20所示。Jing-JingLiu等用一個(gè)溫和的高溫?zé)峤夥椒▉?lái)制備了GQDs@GSH，熒光量子產(chǎn)率高達(dá)33.6%。GSH的應(yīng)用不僅增加了GQDs的熒光量子產(chǎn)率，而且提高了GQDs的生物兼容性。Fe3+可以通過(guò)電子轉(zhuǎn)移淬滅GQDs@GSH的熒光，然后被磷酸鹽離子通過(guò)強(qiáng)烈的相互作用從GQDs@GSH上面別離出來(lái)。當(dāng)檢測(cè)ATP這種磷酸鹽時(shí)，獲得了22μM的檢測(cè)限。ATP是細(xì)胞溶菌產(chǎn)物和血清中最主要的磷酸鹽代謝物，這種傳感方法成功地應(yīng)用于估計(jì)ATP在細(xì)胞溶菌產(chǎn)物和人血清中的含量，從而可以評(píng)估個(gè)體的細(xì)胞生存能力及健康狀況。圖20：基于GQD@GSH-Fe3+探針用于包含磷酸鹽分子的傳感過(guò)程4結(jié)論與展望本文所介紹的基于〔類(lèi)〕石墨烯量子點(diǎn)的熒光傳感器遵循的原理主要是熒光共振能量轉(zhuǎn)移原理，作為能量供體的GQDs當(dāng)其發(fā)射光譜與受體的激發(fā)光譜重疊時(shí)便可以發(fā)生FRET過(guò)程，根據(jù)參加分析物前后熒光強(qiáng)度的變化來(lái)檢測(cè)分析物。GQDs與分析物結(jié)合后導(dǎo)致GQDs外表的鈍化結(jié)構(gòu)改變也可以使其熒光淬滅進(jìn)而檢測(cè)分析物的含量。關(guān)于石墨烯量子點(diǎn)的制備，功能化以及相關(guān)檢測(cè)應(yīng)用研究已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但要真正實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)在分析檢測(cè)中的可控功能化及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，還面臨大量的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。石墨烯量子點(diǎn)類(lèi)似石墨烯的結(jié)構(gòu)結(jié)合類(lèi)似量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)使其未來(lái)有望作為通用的探針應(yīng)用于分析檢測(cè)和生物技術(shù)領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：[1]FeiLiu,Min-HoJang,HyunDongHa,JeHyungKim,Yong-HoonCho,*andTaeSeokSeo*.Adv.Mater.2023,25,3657–3662[2]IanV.Lightcap,PrashantV.Kamat*,J.Am.Chem.Soc.2023,134,7109?7116[3]XiaoqingLiu,FuanWang,RuthAizen,OmerYehezkeli,andItamarWillner*,J.Am.Chem.Soc.2023,135,11832?11839[4]ChangfengZhu,ZhiyuanZeng,HaiLi,FanLi,ChunhaiFan,HuaZhang*,J.Am.Chem.Soc.2023,135,5998?6001[5]HuiminZhao,*YangyangChang,MengLiu,ShengGao,HongtaoYuandXieQuan,Chem.Commun.,2023,49,234—236[6]IsraaAl-Ogaidi,HongleiGou,ZoraidaP.Aguilar,ShouwuGuo,AliceK.Melconian,AbdulKareemA.Al-kazaz,FankeMeng,NianqiangWu*,Chem.Commun,2023,50,1344-1346[7]XiangRan,HanjunSun,FangPu,JinsongRen*andXiaogangQu*,Chem.Commun.,2023,49,1079—1081[8]DaweiHuang,ChenggangNiu,*MinRuan,XiaoyuWang,GuangmingZeng,*andCanhuiDeng,Environ.Sci.Technol.2023,47,4392?4398[9]HimadriChakraborti,SougataSinha,SubrataGhosh,SumanKalyanPal*,MaterialsLetters97(2023)78–8