活细胞离子检测用量子点荧光探针的研究

检测水和细胞中Pb2 + 、Hg2 + 、Cd2 + 、Cu2 + 、Zn2 + 等重金属及过渡金属离子的荧光探针的设计合成及应用研究已成为当今化学科学、环境科学及生命科学等领域的研究热点。发现性能更优、合成更易和生产成本更低的新的荧光团则具有非常重要的意义。量子点符合上述标准是制备新型荧光探针的最佳选择。申请人提出新型量子点/荧光化合物杂化型荧光探针的研究：量子点作为荧光团；荧光化合物包括二联吡啶基生色团和氮杂冠醚基团，氮杂冠醚基团可以捕获离子使得荧光化合物形成配（络）合物，二联吡啶基使得配（络）合物总体作为量子点的表面配体。这一双（复合）配位体系的建立可预期大大优化电荷从金属离子到量子点的传递（离域）过程，提高探针的检测限和速度。因而新型量子点/荧光化合物杂化型荧光探针具有重要的发展和应用前景。

本项目主要开展了新型量子点/荧光化合物杂化型荧光探针的研究，实现了对水和细胞中Cd2+ 、Ba2+ 、Zn2+ 等重金属及过渡金属离子的高灵敏度、高选择性检测。主要研究成果如下：（1）利用TGA-CdTe QDs为荧光团，选择菲啰啉（Phen）为Cd2+捕获基团，通过金属亲和力，构筑了CdTe QD-Phen荧光探针，实现了“荧光开“模式对Cd2+检测。其工作原理是利用了配体置换反应：Phen首先置换QDs表面TGA，并通过光诱导电荷转移机制猝灭QDs荧光；而加入Cd2+会把Phen从CdTe QDs表面置换出来，形成[Cd(Phen)2(H2O)2]2+， TGA回到QDs表面，QDs荧光恢复。这种荧光探针的检测限为0.01 nM，远低于美国环保部允许的饮用水中最大Cd2+残留量；线性范围为0.02 nM到0.6 μM。（2）利用表面包覆DNA分子的CdSeZnS QDs，通过静电组装带负电的卟啉分子 (TSPP)，构筑了基于荧光共振能量转移(FRET)原理的CdSeZnS QD/DNA/TSPP荧光探针，用于可视化检测Zn2+。其工作原理是: TSPP通过FRET过程猝灭QDs荧光；TSPP络合Zn2+，其吸收和发射光谱发生变化，与绿色QDs间的FRET效率降低，对应QDs的荧光恢复; 而和黄色QDs间的FRET效率增加，对应QDs的荧光进一步被猝灭。通过QDs“荧光开”和TSPP“荧光灭”的模式，实现了对Zn2+的可视化检测。利用绿色QDs“荧光开”和黄色QDs“荧光灭”的模式，提高了Zn2+检测的选择性。这种比率荧光探针的检测限是100 nM，线性范围是0.5-6.0 μmol L-1，是目前检测效果最好的Zn2+荧光探针之一。（3）利用CdTe QDs为荧光团，选择醇溶性的4,7-二(1-氮杂18冠醚6)-1,10-菲啰啉（Phen-18C-6）为配体，通过相转移方法和金属亲和力作用，构筑了CdTe QD/Phen-18C-6荧光探针, 实现了“荧光开“模式对Ba2+检测。其工作原理是利用了QDs表面配体的络合反应：光诱导条件下，QDs向Phen-18C-6发生空穴转移（PHT），其荧光被淬灭； Phen-18C-6络合Ba2+，其HOMO能级降低，与QDs之间的PHT过程被抑制，QDs荧光恢复。这种荧光探针的检测限为22nM；线性范围为0-150 nM。