基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器及其制备方法与流程

本发明涉及分析化学与传感器，具体为基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器及其制备方法。

背景技术：

1、荧光传感技术因其灵敏度高、响应速度快、操作简便等优点，在环境监测、生物医学诊断和食品安全等领域获得了广泛应用，量子点作为一种优异的荧光纳米材料，具有荧光量子产率高、发射光谱可调、光稳定性好等特性，已被广泛用作荧光传感器的信号报告单元；

2、目前，基于量子点的荧光传感器主要依赖于两种信号转导机制：一是荧光共振能量转移，即通过量子点与受体之间的偶极-偶极相互作用实现能量转移，导致荧光猝灭或发射波长移动；二是基于分析物与量子点表面的直接相互作用（如配位、电荷转移等）引起荧光强度的直接变化，然而，这两种主流机制均存在一定的局限性，fret机制对供体与受体之间的距离（通常1-10nm）和光谱重叠度要求极为严格，需要将识别基团通过复杂的化学手段修饰到量子点表面，过程繁琐且可能影响量子点本身的发光性能，基于直接相互作用的传感器，其选择性往往依赖于识别基团对目标物的特异性结合，在复杂样品基质中易受其它共存物质的干扰，导致假阳性或假阴性信号；

3、荧光内滤效应是一种基于光吸收的物理过程，当体系中的吸光物质其吸收光谱与荧光团的激发光谱或发射光谱发生重叠时，会竞争性吸收激发光或再吸收发射光，从而导致测得的荧光信号减弱，与fret不同，ife不依赖于能量供体与受体之间的近距离作用，对距离无严格要求，这为传感器设计提供了更大的灵活性，然而，在现有技术中，ife通常被视为荧光检测中的干扰因素而被尽量避免，仅有少数研究将其作为一种被动的信号转导机制用于单一目标的检测，例如将量子点与特定的显色反应偶联，这类设计通常将识别元件与量子点“捆绑”在一起，构建针对单一分析物的“一体化”传感器，这种“一对一”的模式导致传感器功能单一，通用性差，若要检测不同目标物，则需要重新设计并合成全新的传感材料，开发周期长、成本高；

4、因此，开发一种普适性好、易于功能切换、且能有效避免复杂表面修饰的量子点荧光传感新平台，成为本领域一个亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的现有量子点荧光传感器存在的信号转导机制复杂、通用性差、功能单一以及开发成本高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器，包括荧光信号单元和至少一个独立的识别与信号转导模块；

3、所述荧光信号单元为具有稳定荧光发射的水溶性量子点分散液；

4、所述识别与信号转导模块由针对特定目标分析物的吸收剂前体组成，该吸收剂前体能够与对应的目标分析物发生特异性化学反应，生成在紫外-可见光区具有特征吸收的新物质；

5、其中，所述新物质的特征吸收光谱与所述荧光信号单元中量子点的激发光谱或发射光谱存在有效重叠，从而在所述目标分析物存在时，通过荧光内滤效应导致量子点荧光信号发生可检测的变化。

6、其中“有效重叠”定义为吸收光谱与荧光光谱（激发或发射）的重叠积分面积，需占荧光光谱峰面积（或激发光谱峰面积）的30%以上，此阈值可确保光吸收过程能对荧光信号产生显著、可重复的调制作用，通常可通过计算归一化光谱的重叠积分（j）来验证；

7、波长匹配的判定：实际操作中，可简化判定，当吸光物质的最大吸收波长（λ_abs,max）与量子点的最大激发波长（λ_ex,max）或最大发射波长（λ_em,max）之差的绝对值|δλ|≤20nm时，通常可认为满足有效重叠的条件，能够产生明显的ife信号；

8、优选的，所述水溶性量子点为半导体量子点或碳量子点；优选地，所述半导体量子点为mn2+掺杂的zns量子点、cdte量子点或cdse/zns核壳量子点；

9、所述水溶性量子点的表面修饰有羧基、氨基、巯基或羟基官能团，使其稳定分散于水相缓冲体系中。

10、优选的，所述传感器被配置为能够通过更换不同的识别与信号转导模块，对多种不同的目标分析物产生响应。

11、优选的，所述目标分析物包括重金属离子、生物小分子或酶活性相关物质；所述识别与信号转导模块包括以下至少一种组合：

12、a)用于检测pb2+的模块，其吸收剂前体为可溶性碘化物；

13、b)用于检测cu2+的模块，其吸收剂前体为邻苯二酚类有机显色剂；

14、c)用于检测抗坏血酸的模块，其吸收剂前体为fe3+离子与1,10-菲啰啉的组合；

15、d)用于检测碱性磷酸酶活性的模块，其吸收剂前体为抗坏血酸磷酸酯与fe3+离子、1,10-菲啰啉的组合。

16、一种制备所述的基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器的方法，其特征在于：包括以下步骤：

17、s1.荧光信号单元的制备：

18、1)水溶性量子点的合成与纯化；

19、2)对纯化后的量子点进行表面修饰，使其表面稳定修饰有羧基、氨基、巯基或羟基官能团，并分散于水相缓冲液中，获得稳定的荧光信号单元分散液；

20、s2.识别与信号转导模块的制备：

21、根据目标分析物的不同，独立配制对应的吸收剂前体溶液或前体组合溶液；

22、s3.模块化传感器体系的形成：

23、将步骤s1制备的荧光信号单元分散液与步骤s2中制备的一个或多个识别与信号转导模块的组分溶液分开储存，构成模块化的传感器体系。

24、优选的，所述步骤s1中所述水溶性量子点为cdte量子点时，其具体制备参数为：以碲氢化钠为碲源，以氯化镉为镉源，以巯基丙酸为稳定剂，在ph9-11的水溶液中，于90-100℃下回流加热1-6小时；

25、所述量子点的发射波长通过控制回流时间在520-650nm范围内可调。

26、优选的，所述步骤s1中用于分散和储存所述荧光信号单元的缓冲体系为tris-hcl缓冲液、hepes缓冲液或磷酸盐缓冲液，其浓度为10-50mm，ph值为6.0-8.0；

27、所述缓冲液中可含有不超过100mm的氯化钠或氯化钾以维持离子强度。

28、优选的，所述传感器的检测应用方法为：在检测前，将独立储存的所述荧光信号单元分散液与选定的所述识别与信号转导模块的组分，按照预设的体积比，与样品溶液在检测容器中混合；

29、混合后的体系在20-37℃下孵育一定时间，使反应充分进行，随后测量其荧光发射信号；

30、通过比较加入样品前后荧光信号的变化，实现对目标分析物的检测。

31、优选的，当检测目标为碱性磷酸酶活性时，所使用的检测缓冲液为含有1-10mmmg2+离子的tris-hcl或甘氨酸-naoh缓冲液，ph值为8.0-10.0。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于荧光内滤效应的多响应量子点传感器：

33、1.构建了模块化、通用的传感新平台：本发明的核心创新在于将传感器解耦为“通用荧光信号单元”和“独立识别与转导模块”，量子点作为稳定的荧光源，一经合成可长期存储、重复使用，针对不同分析物，只需更换与之匹配的吸收剂前体模块即可，无需对量子点本身进行任何重新修饰或改造，这实现了“一个平台，多种响应”的高度灵活性与通用性，极大地扩展了传感器的应用范围，降低了多目标检测系统的开发成本与复杂性；

34、2.巧妙利用内滤效应作为信号转导机制：本发明主动且系统性地将荧光内滤效应作为核心信号转导机制，通过设计特异性化学反应，使目标分析物触发生成强吸收物质，该物质的吸收光谱与量子点的激发/发射光谱精准匹配，从而高效引发ife，这种机制避免了复杂的fret对距离的苛刻要求，也绕过了分析物与量子点表面直接作用可能带来的不稳定性和非特异性吸附问题，提高了检测的可靠性和抗干扰能力；

35、3.检测性能优异：由于ife是一种基于光吸收的物理放大过程，吸光物质的微小变化即可引起荧光信号的显著改变，因此本发明提供的传感器通常具有很高的灵敏度，同时，检测的专一性由识别模块中吸收剂前体与目标分析物的特异性化学反应决定，例如pb2+与i-生成pbi2沉淀、cu2+与邻苯二酚紫的显色反应等，这些反应本身具有较好的选择性，从而保证了传感器的高选择性；

36、4.适用于复杂样品检测：量子点本身具有优异的光稳定性和化学稳定性，ife机制对样品基质的粘度、极性等物理环境变化不敏感，相较于fret，其在复杂生物或环境样品中表现出更强的鲁棒性，表面修饰有亲水基团的量子点在水相中分散性好，可直接用于水样、体液等样品的快速检测；

37、5.制备与操作简便，成本低廉：本发明所述量子点的合成及表面修饰方法成熟、重现性好，识别模块的组分多为廉价易得的常规化学试剂，整个传感体系的组装无需复杂昂贵的仪器，检测过程为简单的溶液混合与荧光测量，操作便捷，易于实现现场快速检测或高通量筛选，具有大规模推广应用的良好前景。