量子点复合材料的制备与界面构建及光电生物传感研究.pdf

书 书 书 年第卷第期 传感器与微系统（）檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸殠殠殠殠综述与评论：（）量子点复合材料的制备与界面构建及光电生物传感研究张伊，刘学敏，王琼，胡云楚，王文磊（中南林业科技大学理学院，湖南长沙；中南林业科技大学材料科学与工程学院，湖南长沙）摘要：鉴于量子点（）丰富的特性和光电化学（）传感技术的双重优势，将基于量子点的传感器用于生物样品的检测有着广阔的发展前景和巨大的潜力。为了进一步提高光电生物传感器的各项分析性能，引入具有高光电活性和生物相容性的量子点复合材料非常有必要，近年来已成为国内外研究的热点。本文在全面介绍量子点复合材料的分类、制备及界面构建方法基础上，重点综述了基于量子点复合材料的传感器在生物小分子检测、酶及检测、免疫分析及细胞分析等生物方面的应用研究进展，并对其前景进行了展望。关键词：量子点复合材料；光电活性；光电化学；界面构建；生物传感器中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（）（），：（）；（）；引言与传统纳米材料相比，量子点（，）因其特殊的尺寸效应和光电效应，目前已在光电化学（，）传感领域得到了广泛的应用。但单一的量子点表面缺陷较多，稳定性差，故必须将其与其他半导体纳米材料或生物分子等进行复合，从而实现量子点性能的拓展。生物传感器是将光电活性材料与生物传感器相结合的一种新兴分析检测技术，即基于在光照条件下，电极会将光电活性材料与生物识别系统之间的物理或化学作用转换为电信号这一原理，通过光电流的变化来检测相应的目标生物分子。根据现有文献报道，将量子点复合材料应用于生物传感器的优势主要表现在以下几个方面：首先，可以降低电子空穴的复合机率，增大光电流，从而提高传感器的光电转换效率；其次，可以将巯基和氨基等修饰的生物分子固定在电极表面，使其具有良好的生物相容性；另外，还可以对生物分子进行标记，并结合信收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；湖南师范大学化学生物学及中药分析教育部重点实验室开放基金资助项目（）传 感 器 与 微 系 统第卷号放大策略，可实现对目标物的超灵敏检测。采用量子点复合材料作为生物传感器的支架，可以实现高灵敏地追踪生物小分子，、多肽，、蛋白质，、，等深层组织或器官内生物分子的动态，具有保留生物分子的生物活性，并将生物识别系统产生的生物化学信号放大的作用。近几年，虽然关于量子点复合材料在光电生物传感器中应用备受关注，相关内容报道也层出不穷，但此方面较为全面的综述还很少见。故本文在前人的基础上，描述了量子点复合材料的分类，全面总结了目前主要报道的合成方法和相关传感界面构建策略，重点综述了近年来基于量子点复合材料的传感器在生物小分子检测、酶及检测、免疫分析及细胞分析等生物方面的应用。量子点复合材料及其分类量子点因其具有高量子产率、宽吸收带、纳米结构可控等优势，成为近年来应用最广泛的纳米材料，目前报道比较多的有单核型量子点（如、），核壳型量子点（，），三元量子点（如，）和掺杂型量子点（如?，?）。虽然这些量子点具有较好的发光性质，但要将其作为光电活性材料用于生物传感器还存在很多不足，因此，在实际应用过程中，为了更好地发挥量子点的光电特性，常常将其与无机纳米材料、有机材料、生物分子等进行复合，相关分类、简介及特点如表所示，其目的是实现材料之间的性能互补，从而具备一些新的独特功能，达到功能的集成。量子点复合材料的制备近些年来，随着研究的不断深入，量子点复合材料的制备方法也在不断优化，到目前为止，已经发展出了多种制备方法，主要分为物理和化学两大类。因物理方法制备的量子点复合材料稳定性和光学性能都欠佳，故一般不采用，而大多文献报道都是使用化学方法制备。水热溶剂热法因其制备周期短、环境污染小、成本低，是目前报道较多也较为成熟的方法。即在水非水溶液中，将阳离子和阴离子的前驱体溶液与稳定剂溶液在高温高压条件下混合进行反应，如 等人通过该方法成功制备 复合材料，解顺根同样制备了 复合材料。而孙兵采用巯基丙酸（）对纳米材料进行表面调控和修饰，通过溶剂热法制备 复合材料。沉积法包括化学浴沉积法和电化学沉积法，即将基底材料浸入到含量子点前驱体的溶液中反应或利用在电极溶液界面上电能和化学能相互转化的电化学反应来合成材料。如 等人以亚硝酸盐为配合物，硒磺酸为硒源，通过化学浴沉积法制备的 复合薄膜。表量子点复合材料的分类复合材料简介特点参考文献量子点复合材料作为一种禁带宽的半导体氧化物，电荷传递速率快，能耐酸耐碱，在电荷分离及传输方面有着优异的性能可以增大传感器光谱吸收范围和对光的利用率，抑制电子空穴的复合，增大光电流 量子点碳复合材料碳材料具有独特的热稳定性、优异的化学性质以及良好的光催化活性，包括石墨烯（）、还原氧化石墨烯（）、石墨相氮化碳（）等提高量子点有效电子迁移率，增大生物传感器的灵敏度 量子点其他无机物复合材料在量子点的外部包覆一层无机的稳定壳层（），或与宽禁带的无机半导体材料复合（、等）抑制量子点团聚、显著增加光化学稳定性、降低量子点对外界环境和光氧化的敏感性 量子点生物分子复合材料将量子点与生物分子共价耦合，附属在生物分子上如碱性磷酸酶（）、免疫球蛋白（）、乙酰胆碱酯酶（）等稳定性高、易修饰、特异性及生物相容性好 量子点聚合物复合材料利用带有疏水和亲水侧链高分子的聚合物和量子点复合，如聚氨基胺（）、聚甲基丙烯酸甲酯（）、聚二烯丙基二甲基氯化铵（）、聚吡咯（）、聚多巴胺（）等引入各种化学官能团，有效钝化量子点表面，提高生物相容性 量子点有机无机混合型复合材料将无机物粉体和有机物分子对量子点进行混合复合促进空穴电子对转移，同时提高光电化学性能及生物相容性 等人在此基础上制备了 复合材料。而 等人则基于电化学沉积法将量子点渗透到中，成功得到 复合材料。温广明等人也利用此方法制备了用二巯基琥珀酸（）包覆的量子点。这类方法对环境友好、沉积速率高、操作简单、材料的结构与形貌可控，目前备受关注。当然量子点复合材料的制备方法还有很多，如 等人采用原位聚合法将量子点通过搅拌分散于聚合物单体中，再通过加热、引发剂作用直接聚合第期张伊，等：量子点复合材料的制备与界面构建及光电生物传感研究固化成功地制备了 纳米复合材料。实验结果表明与物理方法相比，原位聚合法能有效增加量子点在聚合物中分散度，提高光学性能。此外，等人采用离子交换法制备了量子点功能化介孔二氧化钛（），该方法制备的复合材料具有较好的化学稳定性和热稳定性。量子点复合材料传感界面的构建传感界面是实现信号转换的关键，故构建合适且对目标生物分析物有响应的传感界面是纳米复合材料能应用于光电生物传感器的首要任务。目前研究者们已发展了各种不同的界面构建方法，主要包括层层组装法、共价键交联法及吸附法。如 等人层层组装法将带正电荷的和带负电荷的硫代乙酸（）包覆的水溶性量子点静电吸引交替沉积在电极表面上，形成性能稳定、结构完整的复合薄膜，并用抗坏血酸（）作为电子供体，首次实现了量子点的无标记免疫传感。等人也采用同样的方法将量子点与结合，形成了一种基于酶抑制机制的高灵敏度生物传感器。在此基础上，等人则先将固定在 修饰的电极表面，进一步修饰上和用标记辣根过氧化物酶的形成夹心结构，构建了用于检测的传感平台。为了使传感界面具有更好的生物相容性，还可以利用量子点上的官能团和载体上的特定基团（如肽键法等）以共价键的方式或通过引入具有桥梁作用的交联剂（如戊二醛）的方式构建界面。如 等人将纳米片、金纳米粒子、探针先后固定在电极上，再通过交联剂负载量子点，匹配的能级以促进电荷分离，然后通过探针和目标物之间有特异性识别实现对目标物的灵敏检测。该方法具有结合稳定，可控制产物的颗粒大小和保持其物理特性等优点，但步骤较多。还可以通过氢键、范德华力或离子键等，以吸附或离子结合作用固定的方法，如郑珊在 电极表面吸附修饰量子点，以及 等在 电极上吸附掺的量子点，结果表明，吸附后复合结构的光吸收和光电流都有所增强。此外 等人采用同样的方法在 电极上负载量子点，并通过电化学方法证明，和量子点结合可以有效地使电荷空间分离和光电流响应增强。该方法操作简单、条件温和，可明显减少对量子点光电性能的影响，但易受外界条件的影响。量子点复合材料在光电生物传感器中的应用生物小分子检测生物小分子与人类生活息息相关，一些具有氧化还原性质的生物小分子如葡萄糖、谷胱甘肽（）等可以在传感器中充当电子供体或电子受体的角色，直接参与电子传递过程引起光电流信号的改变，从而实现对其定量检测。如王文静等人将葡萄糖氧化酶共价修饰到对氧气敏感的量子点上，基于酶反应中消耗氧构建了可对葡萄糖灵敏检测的生物传感器，检测限达到 。郑珊则根据氧化生成的谷胱甘肽二硫化物会阻碍电极中电子空穴对的复合，导致光电流显著增强这一原理，基于 电极构建了可对灵敏检测的传感器，检出限可达 。等人将 复合材料作光电活性材料，构建一种可用于检测神经调节剂腺苷的生物传感器，如图所示，首先，在电极上修饰 复合材料，然后，通过化学键将修饰的适配体（）固定在复合材料表面，并用巯基己醇（）阻断非特异性位点，最后，修饰腺苷（），由于适配体与腺苷生物亲和性复合物的形成对导致光电流减小，故在 的范围内实现了对腺苷的灵敏检测，检测限可达 ，该方法具有较高的灵敏度、良好的选择性、重现性和稳定性，为下一步临床诊断的应用提供了可行性方向。baabC3N4CdSMCH时间光电流腺苷适配体聚吡咯工作电极图用于检测腺苷的生物传感器的制备工艺酶检测分析在分析检测领域中，酶因其在人类的正常生命活动中起着非常重要的作用，常常用来进行相关疾病的诊断和治疗以及和药物研制，故发展一种对生物样品中的酶进行简便、快速、准确的检测方法具有非常重要的意义。如 等人以 复合材料为光电活性材料，制备了用于检测甲基转移酶活性的生物传感器，检出限可达 。另外施娅颖基于 复合材料，制备了一种可检测半乳糖甘酶活性的传感器，检测限低至 。在此基础上，李盼盼则基于三元纳米复合物 共敏化策略实现了对酶的超灵敏检测，响应范围为 ，最低检测限达到 。此外，等人也基于三元复合敏化结构 制备了一种超灵敏的“”型传感器，可用于检测 范围内的凝血酶。与此同时，李孟洁等人基于富勒烯量子点敏化结构同时引入大量高传 感 器 与 微 系 统第卷效信号猝灭物卟啉锰，提出了一种超灵敏的“”型传感器，对凝血酶的检测限低至 。等人还采用量子点作为光电流抑制剂，建立了一种简便、灵敏的间接检测蛋白乙酰转移酶（）的传感器，检出限可达 。该传感器不仅灵敏度高，特异性好，还有表现出良好的稳定性和重现性。此外，该课题组还利用该生物传感器研究了抗生素对活性的影响，为生态毒理学效应的研究提供了新的思路。检测分析一般在生物样品中的浓度都比较低，因此，探索超灵敏、高选择性、简单、廉价的检测方法是非常必要的。等人基于和在吸收光谱上的自然重叠，可以同时激发量子点的激子和纳米粒子的等离子体，产生等离子共振效应这一原理，将纳米粒子桥接到量子点上构建了一种新型的传感器，可在 的范围内实现对的检测。而 等人基于?杂化结构，用种不同尺寸的量子点进行增敏，开发了一种新型超灵敏的 测定方法。如图所示，首先将?修饰在电极上，再固定上探针，然后把作为信号放大元件的量子点（大）和量子点（小）依次标记在探针的末端，最后引入目标。基于探针与目标杂交后的构象变化引起的光电流变化，从而实现对目标的检测，可在 的范围内实现对的超灵敏检测，检测限低至 。在此基础上，等人利用 电极，构建了一个超灵敏、高选择性的检测平台，检测限可达到 ，且该传感平台可以避免初始信号和背景噪声的影响，具有较强的灵敏度和抗干扰能力，使其在生物分析和疾病诊断中具有广阔的应用前景。TiO2CdSMnHSNH2DNA 探针CdTe-COOHCdTe-NH2目标 DNA-s-sNH2NH2ITO-s-s-s-s-s-s-s-s半胱胺图 分析方法的构建过程免疫分析免疫传感因其在生物分析中的巨大潜力，近年来得到了迅猛的发展。在免疫传感器中，将免疫探针分子（特异性的抗体或抗原）作为识别元件固定在光电活性材料表面，待测物（抗原或抗体）