量子點在衛生分析領域中的應用

　　摘要量子點(QDs)作為一種新型的半導體納米材料，由于其具有斯托克斯位移大、生物相容性好、抗光漂白、熒光壽命長、光催化活性強等優異的光化學特性，以及獨特的介電限域效應、庫倫阻塞效應等電學特性，近年來在衛生分析領域的研究和應用獲得了廣泛關注。本文重點綜述了QDs對衛生樣品中離子、小分子化合物(抗生素、生物毒素等)、生物大分子、微生物等分析檢測的最新研究成果及進展，為QDs的進一步研究開發及應用提供新的參考方向及思路。

　　關鍵詞量子點;衛生分析;離子;小分子化合物;生物大分子;微生物

　　近年來，衛生安全問題種類繁多且層出不窮，已成為社會關注的主要熱點問題之一。為保障人民健康，一方面要加強衛生監督管理，另一方面要創新衛生檢測方法和手段，彌補現有分析技術的漏洞和缺陷。目前，基于新型半導體納米材料量子點(Quantumdots，QDs)對衛生樣品中物質的檢測已成為衛生分析領域前沿方法之一。

　　QDs又被稱為“人造原子”或“超原子”，其粒徑一般介于1~100nm之間，與宏觀材料以及其他微觀粒子相比，QDs具有獨特的量子尺寸效應(Quantumsizeeffect)、量子隧道效應(Quantumtunnelingeffect)、量子限域效應(Quantumconfinementeffect)和表面效應(Surfaceeffect)，以及斯托克斯位移大、生物相容性好、抗光漂白和熒光壽命長等特點[1]，在衛生檢測[2~4]、光電器件[5,6]、腫瘤診斷[7~9]和生物成像[10,11]等方面具有廣闊的應用前景。鑒于QDs上述顯著特點，近些年來，基于QDs開發了一系列應用于衛生樣品中各種物質的分析檢測方法。

　　本文從QDs表面修飾基團、檢測原理、分析方法和檢測能力等方面就QDs應用于衛生樣品中各種離子、小分子化合物(如抗生素、生物毒素等)、生物大分子、微生物等的最新分析檢測方法的研究進行了綜述。目前，基于QDs的分析檢測技術多集中于通過熒光增強或者熒光猝滅原理來實現，即QDs與待測物質作用會導致其熒光增強或者猝滅，且待測物質的濃度和QDs熒光增強或者猝滅的變化強度呈一定線性關系，因此，可用QDs對其實現檢測分析。此外，基于QDs的納米傳感器和熒光免疫方法也逐步興起，在物質的定量或定性檢測中應用日益廣泛。相比其他熒光材料，基于QDs應用于衛生樣品中各類物質的分析檢測方法均顯示出高靈敏度、高選擇性和省時簡便等顯著優勢。

　　1離子檢測

　　衛生樣品中各類離子的常規檢測方法包括各種元素分析法(原子吸收分光光度法、原子熒光光譜法、紫外-可見分光光度法、分子熒光法、電感耦合等離子體質譜法)以及離子色譜法、毛細管電泳法等，這些方法或具有較高的靈敏度，或具有較高準確性，但繁雜的樣品預處理、較高的實驗室儀器設備要求以及存在不同程度的干擾等在一定程度上限制了其在衛生分析領域中的普及性和快速檢測方面的適用性。

　　QDs優越的光電特性為開發簡單易行的分析檢測方法提供了新思路。1997年，Isarov等[12]研究發現，金屬離子Cu2+可與2-丙醇中的CdS納米顆粒發生相互作用，并能導致QDs熒光猝滅(可能是因為QDs表面的Cu2+被還原，從而造成熒光猝滅)，為基于QDs熒光猝滅機制對金屬離子進行定量分析提供了思路。

　　在此基礎上，2002年，Chen等[13]研究發現，Cu2+濃度同CdSQDs熒光猝滅的變化程度之間存在良好的線性關系，并首次利用CdSQDs作為選擇性離子探針對水性樣品中的Cu2+實現檢測分析，為后續基于QDs對金屬離子進行定量檢測分析奠定了良好基礎。隨后，劉西京等[14]將雙硫腙結合到CdTeQDs表面使其熒光猝滅，Pb2+破壞CdTeQDs-雙硫腙復合物的熒光共振能量，使CdTeQDs熒光逐漸恢復，利用這一原理完成濃度為10~20μmol/L的Pb2+定量檢測，并實現了污水中痕量Pb2+的檢測應用。

　　近年來，基于不同種類QDs的檢測方法逐步興起，為衛生樣品中待測離子的實際檢測工作提供了有效方法途徑。2016年，鄧亞軍等[15]采用微波輔助法合成了碳量子點(CQDs)，基于Cu2+對CQDs的熒光猝滅原理，實現了其對Cu2+的檢測應用，最低檢出限為0.23μmol/L。

　　此外，研究顯示，具有明亮藍色熒光的多巴胺功能化的GQDs(DA-GQDs)可用于檢測低水平的Fe3+，GQDs與多巴胺的酰胺連接，使得Fe3+與多巴胺的鄰苯二酚部分在界面上發生特異性相互作用，從而實現了對Fe3+的高靈敏度和選擇性檢測，Fe3+檢測線性范圍為2.0×10-2~2.0µmol/L，檢測限為7.6×10-3µmol/L[16]。

　　2020年，蔣云霞等[17]采用水熱法合成氮摻雜的碳量子點(N-CQDs)，并利用Fe3+對其產生的熒光猝滅效應實現對Fe3+的檢測。結果顯示，Fe3+濃度在0~400μmol/L范圍內時，其濃度與N-CQDs熒光猝滅程度呈良好的正相關性，檢出限為9.25×10-3µmol/L，同傳統的原子吸收光譜法、分光光度法、電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)和電化學方法相比，該方法由于其高靈敏度和選擇性、低成本和易于操作的獨特優勢，為測定Fe3+離子提供了更好的選擇。

　　同年，王安琪等[18]首次建立了基于硫、氯和氮共摻雜的新型碳量子點(S,Cl,N-CQDs)熒光探針，在0.1~110μmol/L的Mn7+濃度范圍內，該探針的熒光猝滅程度與Mn7+濃度具有良好的正相關性，檢測限低至1.31×10-2µmol/L。此外，2020年，江燕紅等[19]基于絲氨酸功能化的石墨烯量子點(Ser-GQD)的熒光光譜與重鉻酸鉀的紫外吸收曲線重疊引起的內濾效應，建立了測定Cr6+的熒光分析法，檢出限達到3.3×10-3µmol/L。

　　該方法可用于環境水樣中痕量Cr6+的實際測定。同年，肖賽金等[20]采用氧化鉬量子點(MoOxQDs)作為新型鈾酰離子熒光指示劑，利用鈾酰離子與其表面氧原子相互作用可引起MoOxQDs熒光猝滅的原理，實現了水樣中鈾酰離子的檢測分析，檢出限為9.0×10-2μmol/L。相比常見的鈾酰離子的檢測方法，如固體熒光法、液體激光熒光法、分光光度法、放射性檢測法等，該方法具有較高的選擇性和準確性，為后續環境水樣中鈾酰離子的實際檢測提供了新思路。

　　除依據熒光猝滅原理進行離子檢測外，有研究采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)修飾的CdSe/ZnSQDs建立了一種簡單有效、能夠降低干擾的檢測水中Cu2+的傳感方法[21]。當水溶液中存在Ag+和Hg2+離子時會對Cu2+的檢測產生干擾作用，當QDs溶液中加入硫代硫酸鹽時，它首先在QDs表面形成鈍化層，加入金屬離子后，Cu2+取代Cd2+，而Ag+和Hg2+在QDs外受到硫代硫酸鹽的阻擋。該方法在硫代硫酸鹽存在下具有較高的選擇性和超高靈敏度，在去離子水中有硫代硫酸鹽存在時，Cu2+的最低檢測濃度為1.5×10-4µmol/L，并成功實現了對自來水中Cu2+的檢測分析。

　　2020年，溫廣明等[22]使用二巰基琥珀酸(DMSA)包裹的CdSQDs構建出一種簡單靈敏的光電化學傳感器，并用于Cu2+的檢測分析。將DMSA-CdSQDs涂覆于氟摻雜的SnO2導電玻璃(FTO)電極產生較強的陽極光電流，Cu2+加入后阻止了光電子的逸出，從而產生“信號降低”的光電信號，該方法對Cu2+的檢測線性范圍為1.0×10-5~0.1µmol/L，檢測限為3.0×10-6µmol/L，可廣泛用于免疫分析、現場診斷等領域，進一步豐富了基于QDs傳感策略在衛生分析領域中的應用。

　　2021年，尹笑等[23]采用胸腺嘧啶修飾的Mn:ZnSQDs研制出檢測Hg2+的室溫磷光傳感器。該方法中，Hg2+與Mn:ZnSQDs在激發態相互作用使其動態猝滅，且在靜態猝滅過程中Hg2+和胸腺嘧啶在基態相互作用形成T-Hg2+-T發夾結構產生了不發光的絡合物。在優化反應條件下，QDs磷光強度隨Hg2+濃度在2~18μmol/L范圍內呈良好的線性關系，該方法簡單、成本低、選擇性好，適用于Hg2+實際檢測應用�；�于QDs的分析技術除應用于衛生樣品中金屬離子的檢測外，還廣泛應用于各類非金屬離子的檢測。

　　2019年，黃小梅等[24]以中藥材-玄參原藥為碳源制備得到CQDs，向CQDs溶液中加入硝酸根離子(NO3-)會使其熒光猝滅，基于此建立了CQDs作為熒光探針測定NO3-的新方法。檢出限為6.5×10-2μmol/L，該方法精密度和準確度比較高，可用于實際樣品分析。2020年，問婧等[25]合成香豆素功能化石墨烯量子點(N-GQDs)，可以在含水體系中通過熒光增強專一性地識別F-，該方法用于檢測生活水樣中F-時檢出限低至0.01μmol/L。

　　同年，Wu等[26]制備CQDS-Tb3+/3-氨基苯硼酸(APBA)雜化雙發射熒光探針，用于環境水樣中NO2−和Hg2+的同時檢測。檢測原理,在同一體系中，CQDs-Tb3+只對NO2−有熒光響應，APBA只對Hg2+有熒光響應，且二者具備不同的發射波長，使得檢測過程互不干擾。NO2−和Hg2+的檢出限分別為2.0×10-3μmol/L和3.81×10-2μmol/L，可用于各種環境水樣中NO2−和Hg2+的實際檢測。綜上所述，QDs在衛生樣品中各類離子的分析檢測方面發揮著重要作用，顯示出高靈敏度、高選擇性、省時省力、方便快速等獨特優勢。

　　2小分子化合物檢測

　　日常生活中，人體每時每刻都在接觸各種小分子化合物，其種類繁多，且與人體健康關系密切。因此，建立靈敏度高、選擇性好的新型檢測方法具有重要意義。

　　2.1抗生素檢測

　　抗生素作為一種抑菌或滅菌藥物，曾經在疾病預防和控制、養殖業、農業生產等各領域發揮了不可替代的重要作用。但抗生素的不合理應用甚至濫用也給自然環境和人類健康帶來極大的潛在危害，因此，建立一種靈敏、快速、高效、可靠的定性定量檢測方法對于抗生素濫用的衛生監管、殘留檢測和健康風險評估是十分必要的。目前，基于QDs實現抗生素定量分析的檢測技術受到廣泛關注。

　　2015年，元曉云等[27]基于鏈霉素可使CdTeQDs熒光增強的特性，利用CdTeQDs對黃瓜中的鏈霉素殘留進行檢測，鏈霉素濃度在5.0×10-6~1.0×10-4μmol/L范圍內同體系的相對熒光強度呈正相關性(R2=0.999)，檢出限為5×10-6μmol/L。該方法可用于黃瓜中鏈霉素殘留量的實際測定。

　　同年，毛永強等[28]以CdTeQDs作為熒光體、四環素作為吸光體構建內濾效應熒光傳感體系，從而建立一種測定四環素含量的同步熒光猝滅法，研究表明四環素濃度在一定范圍內與體系同步熒光強度呈良好的線性關系，檢出限可達2.5×10-8mol/L。該方法靈敏度高、選擇性好，可應用于牛奶樣品中四環素的實際檢測。2020年，劉振平等[29]合成了L-半胱氨酸修飾的摻雜錳元素的硫化鋅量子點(Mn:ZnSQDs)，建立了基于Mn:ZnSQDs快速檢測蜂蜜樣品中四環素類抗生素(TCs)殘留的高靈敏度定量檢測方法。

　　以強力霉素(DTC)為代表，Mn:ZnSQD的磷光激發光譜與目標物DTC的紫外吸收光譜存在較大程度重疊，當Mn:ZnSQDs體系中存在DTC時部分激發光會被DTC吸收，導致Mn:ZnSQDs磷光發射強度降低，進而建立DTC濃度與磷光信號的線性關系，實現對DTC的快速定量檢測。檢出限為9.7×10-3μmol/L，方法具有良好的重復性和穩定性，可用于蜂蜜中TCs殘留的快速定量檢測。

　　同年，楊彩鈴等[30]利用四環素能有效地猝滅SiQDs熒光，構建熒光傳感器用于快速檢測四環素的含量，檢測線性范圍為5.0×10-2~90μmol/L，檢出限為1.8×10-2μmol/L，同傳統的酶聯免疫法、高效液相色譜法、液質聯用法、毛細管電泳法等相比，該方法操作簡便迅速、靈敏度高，可用于鮮奶中四環素的準確測定。2020年，尹致丹等[31]利用QDs二抗偶聯物代替傳統酶標二抗，應用到測定氨芐青霉素的免疫熒光分析方法中，對氨芐青霉素的檢測限為2.5μg/L，測定結果與酶聯免疫吸附法和高效液相色譜法檢測結果相比無顯著差異。該方法準確、靈敏，適用于牛奶中氨芐青霉素殘留的實際定量檢測。

　　3生物大分子檢測

　　近些年來，對生物大分子檢測的新型檢測方法逐漸增多，各種基于QDs的高靈敏度、高特異性的生物大分子定量檢測方法取得了一定成果。2016年，葛宇新等[44]基于CdTeQDs建立了快速定量檢測血清中炎癥標志物c反應蛋白(CRP)的熒光免疫層析方法。該研究將CdTeQDs與CRP鼠源單克隆抗體偶聯，構建CRP熒光免疫層析檢測卡，通過建立QDs熒光強度與CRP標準品濃度之間的定量關系，對人體血清中CRP進行實際檢測，CRP檢測線性范圍為0.1~1.0×10-3μg/L。該方法具有較好的選擇性，為急性炎癥反應的快速診斷提供了有效的技術支持。2019年，彭嫚等[45]基于羧基量子點的熒光猝滅效應，提出了一種檢測神經生長因子(NGF)的新方法。

　　在pH7.5的緩沖溶液中，NGF抗原與羧基功能化標記的NGF抗體發生特異性結合，使羧基功能化量子點的熒光猝滅。NGF抗原質量濃度在1.0×103~2.0×104μg/L時與熒光猝滅程度呈良好的線性關系，檢測限為1.0μg/L，該方法抗干擾性較強，具有較好的診斷檢測潛力。2020年，Wu等[46]以四硫鉬氨酸和鹽酸半胱氨酸為原料，合成N-MOS2QDS作為基于內濾效應的熒光探針來測定血紅素。

　　N-MOS2QDS的激發光和發射光可被血色素完全吸收，且N-MOS2QDS的熒光猝滅程度與血凝素濃度呈良好的線性關系。該方法可用于人血中血紅素血紅素含量。隨后，楊雅妮等[47]基于多巴胺-錳/硫化鋅量子點(DA-QDs)成功構建了一種簡便高靈敏的甲胎蛋白(AFP)檢測方法。以DA-QDs為反應媒介，辣根過氧化物酶(HRP)和羊抗小鼠免疫球蛋白G(IgG)修飾的金納米顆粒(IgG-AuNPs-HRP)為信號放大標簽，構建一種簡便高靈敏的檢測方法。在優化條件下，AFP質量濃度在1.0×10-4~8.0×10-2μg/L范圍內時與響應信號呈良好的線性關系，檢出限為4.4×10-5μg/L。

　　該方法適用于人血清白蛋白中AFP的實際檢測。此外，朱韜等[48]在活細胞中仿生化制備AuQDs并用于葡萄糖的定量檢測。在一定條件下，葡萄糖會導致AuQDs熒光猝滅，其濃度同熒光猝滅程度之間呈線性關系，線性范圍為7.85×10-3~0.25μmol/L，檢出限為3.1×10-5μmol/L。該方法可用于實際檢測糖尿病大鼠的血糖濃度，且AuQDs具有低毒性，有望用于其他生物分子的實際檢測。

　　4微生物檢測

　　常見的微生物檢測方法有傳統生化檢測、聚合酶鏈式反應(PCR)技術、酶聯免疫法、傳感器技術、基因芯片技術、脈沖場凝膠電泳法等，但上述方法或操作繁瑣、準確性低，或費用昂貴、分析時間長、影響因素眾多，因此，發展新興檢測技術具有重要意義。目前，基于QDs實現微生物快速定量的分析檢測技術已成為研究熱點之一。志賀氏菌是一類具有強傳染性和危害嚴重的革蘭陰性食源性致病菌。

　　2013年，白冰等[49]利用免疫納米磁珠磁性分離、免疫量子點熒光標記技術實現了對福式志賀式菌的定量檢測分析。研究表明，福式志賀式菌濃度為103CFU/mL~105CFU/mL時，相對熒光強度與菌濃度呈良好的線性關系。進一步對模型的準確度和精確度進行驗證，得到菌落濃度預測值與真實值差異小，檢測相對標準偏差為1.8%，表明模型的準確度好，精密度高。

　　2021年，朱芳茜等[50]利用自制的CdTeQDs偶聯志賀氏菌單克隆抗體，研制出QDs免疫熒光試紙條，對肉類實際樣品中的志賀氏菌檢測限達1.0×104CFU/mL，且單個樣品檢測時間只需15min，該方法滿足快速、可視化、高靈敏檢測志賀氏菌需求，可用于肉類食品中志賀氏菌的快速檢測。炭疽桿菌會引起嚴重的人畜共患炭疽病，Rong等[51]合成熒光硼碳氮化物量子點(BCNO-QDs)，并在此基礎上研制出一種用于檢測炭疽生物標志物(DPA)的熒光生物傳感器。

　　EDTA和Eu3+加入到BCNOQDs溶液中形成BCNOQDs-EDTA-Eu3+絡合物，配位水分子使Eu3+熒光產生猝滅，加入DPA后水分子被DPA取代，并將吸收的能量轉移給Eu3+，產生強烈的紅色熒光，以上述紅色熒光和BCNOQDs的藍色熒光作為熒光響應信號和參考信號可實現DPA的定量檢測。在優化條件下，DPA的檢出限為5.0×10-4μmol/L。該方法響應速度快、靈敏度高、選擇性好，在臨床分析中具有潛在的應用前景。

　　5總結和展望

　　QDs作為一種新型的熒光納米材料，具有優異的物理/化學特性，適用于衛生樣品中多種物質的分析檢測。本文就QDs對衛生樣品中離子、小分子化合物、生物大分子、微生物、生物毒素、抗生素等的最新分析檢測方法的應用和進展進行了綜述。在這些研究中，利用QDs熒光增強/猝滅、免疫熒光、納米傳感等原理構建的檢測技術實現各類物質檢測具有高靈敏度、高準確度、簡便、快速、經濟等優異特點，研究成果進展迅速，體現了QDs在衛生分析檢測方面的巨大優勢和在衛生分析領域中發揮著越來越突出的重要作用。盡管QDs在衛生分析領域取得了一定進展，但仍面臨著諸多問題，有待深入研究。

　　首先，QDs較低的熒光效率在一定程度上限制了其分析靈敏度的進一步提高，提高熒光效率需要進一步研究探索。其次，目前商品化的QDs穩定性不夠高，存在閃爍現象，因此，合成穩定性好的標準化的QDs是接下來努力的方向和目標。第三，目前使用的多數金屬離子摻雜的QDs具有一定的生物毒性，極大地限制了QDs在生物醫學等領域的推廣應用。因此，優化和改進QDs的合成方法、條件和工藝，深入研究和開發穩定性好、條件可控性好、標準化的新型綠色環保型QDs是拓展其應用范圍的未來發展趨勢。在此基礎上，建立基于QDs生物傳感技術和基因芯片技術的檢測方法必將成為一顆耀眼的明珠活躍在分析檢測領域。

　　參考文獻

　　[1]Fontes,A.,Santos,B.S.QuantumDots:ApplicationsinBiology.NewYork:Springer,2014.

　　[2]GengH,QiaoY,JiangN,etal.Anal.Bioanal.Chem.,2020,412(30):8379~8389.

　　[3]LiW,HuangS,WenH,etal.Anal.BioanalChem.,2020,412(4):993~1002.

　　[4]XieS,WenK,WangS,etal.Anal.Bioanal.Chem.,2019,411(10):2131~2140.

　　[5]PeiJ,WuX,HuoJ,etal.Nanotechnology,2021,32(9):095204.

　　[6]ShaikhJS,ShaikhNS,MaliSS,etal.ChemSusChem,2019,12(21):4724~4753.

　　[7]PleskovaS,MikheevaE,GornostaevaE.Adv.Exp.Med.Biol.,2018,1048:323~334

　　作者：1程嬌嬌1彭微1靳敏1,2羅利霞1,2李淑榮1,2*孟佩俊1,2*

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