一种Fe3+介导的四重响应型N,B-CQDs@PDA纳米传感器及其制备方法与应用

本发明属于纳米传感与生物医学检测，具体涉及一种fe3+介导的四重响应型n,b-cqds@pda纳米传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、铁离子fe3+作为人体必需的微量元素，参与血红蛋白合成、能量代谢及酶催化等多种生理过程，其浓度异常与多种疾病密切相关，如缺铁性贫血、铁过载性肝病，同时fe3+稳态失衡还与肿瘤发病、肿瘤预后复发风险相关。因此，实现fe3+的高选择性、高灵敏度检测，对疾病早期筛查、病情分级及临床治疗具有重要意义。

2、碳量子点（cqds）因荧光性能优异、生物相容性好，被广泛应用于金属离子传感领域，但传统cqds对金属离子的响应特异性差，易受其他金属离子、氧化物（如活性氧ros）干扰，导致假阳性结果；同时，单一信号检测模式（如仅荧光）存在稳定性不足、抗干扰能力弱的缺陷，难以满足临床诊断的精准需求。

3、聚多巴胺（pda）具有丰富的邻苯二酚基团，可与fe3+形成稳定配位键，常作为金属离子特异性识别单元；但现有pda修饰纳米材料多采用单一或双信号响应设计，缺乏多信号协同验证机制，无法有效消除基质干扰，且对“如何仅对fe3+响应”的机理支撑不足，限制了其临床应用。此外，现有传感材料多停留在离子检测层面，未能实现与疾病诊断、病情分级的深度结合，转化价值有限。

4、铁是许多基本细胞和生物过程（包括氧运输、线粒体呼吸、核酸复制、中间代谢和异生物代谢、宿主防御和细胞信号转导）所需的必需元素。铁以血红素、铁硫团或其他官能团的形式作为蛋白质的组成部分发挥这些生理功能，从而靶向并限制其反应性。然而，当过量的游离铁存在时，这种氧化还原循环也可以催化自由基的产生，而自由基可以损伤dna、蛋白质和脂质。为了应对提供足够的铁以发挥必要功能，同时限制过量铁的毒性这一双重挑战，生物进化出了专门的蛋白质和铁稳态机制，以严格控制铁的可用性。因此，铁代谢平衡是维持机体器官正常参与人体生理活动发挥重要作用。遗传因素在机体铁平衡调控过程中发挥重要作用。铁稳态失衡可诱发内分泌功能紊乱，甚至诱导肝癌发生。此外，肿瘤发生早期以及治疗预后阶段，机体常伴随铁稳态失衡，总铁结合力随之改变，血清铁蛋白、血清铁等指标均出现异常波动。因此，肿瘤微环境fe3+含量与肿瘤进展、复发风险密切相关。另外，20世纪50年代和60年代，慢性输血成为重型地中海贫血的标准治疗，延长了幼儿期之后的生存期；然而，这些患者通常在15岁之前死于铁诱发的心脏疾病。从这些疾病中可以清楚地看出，在因吸收过多而发生铁超负荷的患者中，铁的细胞分布与输血超负荷的患者不同。铁毒性程度不仅取决于体内铁含量，还取决于铁在各器官的分布，而该分布特征在一定程度上与骨髓活性相关。红细胞生成无效或无红细胞生成的患者比有效红细胞生成的患者有显著的生物毒性。因此，开发一种高选择性、多信号协同、抗干扰能力强，且能直接应用于疾病诊断的fe3+传感体系，成为当前本领域的研究热点与迫切需求。

技术实现思路

1、针对以上现有技术中存在的问题，本发明提供一种fe3+介导的四重响应型n,b-cqds@pda纳米传感器及其制备方法与应用。针对现有技术中fe3+传感材料特异性差、信号单一、抗干扰能力弱、机理支撑不足及临床转化脱节的缺陷，本发明提供一种fe3+介导的四信号响应型n,b-cqds@pda纳米传感体系，实现“荧光-显色-光热-弛豫时间”四信号协同响应，利用t1弛豫时间抗氧化物干扰的特性降噪实现fe3+精准检测，结合机器学习模型最终实现疾病分级诊断，降低假阳性率。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供一种fe3+介导的四信号响应型n,b-cqds@pda纳米传感体系，包括氮硼掺杂碳量子点（n,b-cqds）与聚多巴胺（pda）；所述聚多巴胺原位包覆于氮硼掺杂碳量子点表面形成复合纳米结构；所述n,b-cqds自身无金属离子响应活性，聚多巴胺所含邻苯二酚基团能够与fe3+高选择性形成稳定配位键，触发电子转移/空间位阻效应（荧光、显色）、聚集效应（光热）及顺磁性调控（t1弛豫时间）四种信号的同步变化，通过四种信号自降噪后该传感体系仅对fe3+产生特异性响应，对其他金属离子（包括cu2+、zn2+、ca2+、mg2+、k+、na+、mn2+等），各类氨基酸分子（包括l-半胱氨酸、l-精氨酸、l-酪氨酸、l-色氨酸、l-丝氨酸和l-谷氨酸等氨基酸等）及体内各类蛋白质大分子（包括胃蛋白酶、脂肪酶、碱性蛋白酶和牛血清白蛋白等蛋白质/蛋白酶等）包括胃蛋白酶、脂肪酶、碱性蛋白酶和牛血清白蛋白等蛋白质/蛋白酶等等均无明显信号反馈，不受血清中各类氧化物干扰，可对荧光信号降噪校准。

4、本发明通过高斯模拟验证，pda与fe3+之间具有高于其他金属离子的配位结合能；pda与fe3+螯合后体系homo-lumo前线轨道能隙显著收窄。理论计算可见，ca2+配位体系虽同样出现带隙降低，但二者结合亲和力弱，难以形成稳定螯合结构；其余受试金属离子配位后轨道能隙变化幅度更小。上述电子结构特征阐明探针对fe3+产生特异性光学信号响应的内在机理。

5、进一步地，聚多巴胺包覆层的厚度为 5~70 nm；所述氮硼掺杂碳量子点的粒径为2~10 nm；所得 n,b-cqds@pda 复合纳米颗粒总粒径为 10~80 nm。

6、本发明第二方面提供一种上述fe3+介导的四信号响应型n,b-cqds@pda纳米传感体系的制备方法，包括以下步骤：

7、步骤s1、制备n,b-cqds：以同时含氮和硼的化合物为前驱体，配制前驱体溶液，采用水热法或微波法反应，经离心，透析，冷冻干燥，得到n,b-cqds；

8、步骤 s2、聚多巴胺包覆改性：将 n,b-cqds 分散于 tris-hcl 缓冲溶液中，加入多巴胺盐酸盐，室温搅拌进行氧化自聚合反应；反应结束后经离心、洗涤、冷冻干燥处理，制得 n,b-cqds@pda 复合纳米传感体系。

9、进一步地，步骤s1中，所述同时含氮和硼的化合物为氨基苯硼酸或氨基苯硼酸衍生物中的至少一种。

10、进一步地，步骤s1中，所述前驱体溶液中溶质与溶剂质量比为1:100~140，所述反应的温度为120~220 ℃，时间为2~12 h。

11、进一步地，步骤s2中，所述tris-hcl缓冲溶液ph为7.8~8.5，n,b-cqds与多巴胺盐酸盐的质量比为1:2~10，搅拌反应时间为1~5 h。

12、本发明第三方面提供一种上述的fe3+介导的四信号响应型n,b-cqds@pda纳米传感体系在fe3+检测中的应用，将待测样品与n,b-cqds@pda纳米传感体系混合搅拌，待测样品中的fe3+通过与pda的配位作用，触发荧光响应、显色响应、光热响应及t1弛豫时间梯度响应四种信号同步变化，通过四种信号自降噪后该传感体系仅对fe3+产生特异性响应，所述四种信号通过机器学习训练模型计算出fe3+含量，所述模型为四模态偏最小二乘法协同定量模型，公式为：

13、

14、其中，vfe3+（μl）：模型分析得出的fe3+含量；i荧光：荧光信号；agreen：显色 green 信号；s光热：光热信号；t弛豫时间：t1弛豫时间。

15、进一步地，所述荧光响应表现为荧光淬灭，荧光发射波长为350~550 nm，荧光强度随fe3+浓度曲线递增而响应，响应范围为2.49 ~ 428.57 μmol/l；所述显色响应表现为可见光区吸收峰偏移，颜色变化为从无色先后转变为绿色、浅红色至深红色，肉眼可辨；所述光热响应表现为近红外光照射下体系温度升高4~30 ℃，光热转换效率η的范围为4%~55%；所述弛豫时间梯度响应为纵向弛豫时间梯度随fe3+浓度升高而递增，响应范围为2.49 ~428.57 μmol/l，不受体系中氧化物干扰。

16、所述n,b-cqds@pda纳米传感体系的光热转换公式为：

17、

18、其中，i为激光功率，a为水悬浮液在808 nm处的吸光度，δtmaterial和δtwater分别为测试样品和空白样品的温度变化。换热系数用h表示，s表示容器的表面积。

19、进一步地，所述检测的场景为人血清检测、细胞内成像检测或动物荷瘤模型检测。

20、进一步地，根据计算出的fe3+含量实现对铁离子代谢异常相关的疾病患病程度进行筛查与分级；所述疾病为缺铁性贫血、铁过载相关肝病或肿瘤微环境fe3+异常富集类疾病。

21、本发明收集不同fe3+浓度对应的四信号参数，通过在人血清当中进行不同浓度的加标实验，样品加标回收率可稳定维持在80%～120%范围内，结合临床样本数据（如患者血清fe3+浓度、疾病类型及病情程度等），训练机器学习模型，优化特征权重，实现对疾病的精准筛查与分级。

22、本发明利用fe3+介导而触发多维信号响应，实现对复杂样品当中的fe3+浓度检测。结合高斯模拟从理论层面验证特异性，再通过机器学习模型将离子检测与疾病诊断结合，实现技术从基础传感到临床应用的延伸。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、（1）本发明所提供的n,b-cqds@pda仅对fe3+产生高选择性响应，对其他常见金属离子无明显信号反馈，通过实验数据与高斯模拟结合能、homo-lumo能级分析双重验证，机理支撑充分，解决了传统传感材料特异性差的问题。

25、（2）本发明所提供的n,b-cqds@pda可实现多信号协同抗干扰：四信号形成互补闭环，荧光实现定性定量检测，显色实现快速定性筛查，光热信号验证fe3+诱导的聚集效应，t1弛豫时间排除氧化物干扰并降噪，显著降低假阳性率，检测稳定性与准确性远超目前所公开发表的单一信号/双信号检测体系。

26、（3）本发明所提供的n,b-cqds@pda的功能延伸性强：从fe3+检测延伸至铁代谢异常相关疾病诊断，结合机器学习实现病情分级，突破了现有传感材料“重检测、轻应用”的局限，临床转化潜力大。

27、（4）本发明所提供的n,b-cqds@pda制备简便、生物相容性好：采用水热法/微波法制备n,b-cqds，室温下包覆pda，工艺简单、成本可控；n,b-cqds与pda均具有优异的生物相容性，可适用于体内外的多种检测场景。