基于石墨烯量子点的传感器在分析检测中的应用

基于石墨烯量子点的传感器在分析检测中的应用姓名李丽娟学号 S131110042摘要：石墨烯量子点优良的物理化学性质及石墨烯量子点边缘的羧基或者氨基基团使其易与多种有机的，聚合的，无机的或者生物种类相互作用。

本文主要介绍了石墨烯量子点的制备方法以及基于（类）石墨烯量子点、（类）石墨烯材料的荧光传感器在分析检测中的应用，并详细介绍了分析检测的原理，以期为石墨烯量子点在分析检测中的应用提供相关参考与依据。

关键词：石墨烯量子点荧光检测1 引言最近，石墨烯获得了广泛的关注由于其独特的电子光学机械以及热学性质。

大量基于石墨烯的生物传感器被开发来检测核酸，蛋白质，毒素和生物分子。

石墨烯片层的形态包括它们的大小，形状以及厚度都可以有效的决定它们的性质。

例如，石墨烯片层侧面尺寸小于100nm时被称为石墨烯量子点（GQDs），其许多新的化学和物理性质都是由于量子尺寸效应和边缘效应而引起的。

GQDs毒性小，稳定性高，溶解性好，光致发旋光性质稳定，生物兼容性较好，使得它们在光电伏打器械，生物传感及成像上有很大的应用前景。

本文着重介绍了石墨烯量子点的制备方法以及近年来基于石墨烯量子点与分析物发生作用的不同原理，如荧光共振能量转移，化学共振能量转移及石墨烯量子点表面性质的变化等来检测分析物质，并做出了展望。

2 石墨烯量子点的制备Fei Liu等[1]成功地用化学剥离石墨纳米颗粒的方法合成了高度均匀的GQDs和GOQDs（氧化石墨烯量子点），如图1所示。

该方法获得了高产率的直径在4nm 之内的单层和圆形的GQDs和GOQDs。

GOQDs的表面富含各种含氧官能团，GQDs有纯粹的sp2碳晶体结构没有含氧的缺陷，因此提供了一种理想的平台来深入研究纳米尺寸的石墨烯的光致发光的起源。

通过描述GQDs和GOQDs的发旋光性质，说明了GOQDs的绿色光致发光来自于含氧官能团的缺陷状态，而GQDs的蓝色发光是由高结晶结构中的内禀态所主导的。

此外，GQDs中的蓝色发射显示了一个快速的复合寿命相比于GOQDs中的绿色发射的复合寿命。

相比于之前报道的GQD修饰的方法，该方法得到了稳定的发冷光的原始的GQDs和GOQDs并且有高的产率和重现性。

图1：用化学剥离GNP（石墨纳米颗粒）方法合成GQDs和GOQDs的方案（含氧的位点用红点示出）3 （类）石墨烯量子点及（类）石墨烯材料在分析检测中的应用3.1 CdSe量子点的荧光转移机制Ian V. Lightcap 等证明了CdSe量子点的荧光转移到石墨烯和还原态的石墨烯的机制[2]。

GO（石墨烯）和RGO（还原态的石墨烯）是电子受体，经过光激发，CdSe量子点的荧光可以通过能量转移和电荷转移到GO和RGO上，导致了GO 的还原和电荷储存。

由于GO的还原和随后的电子充电使得电子的获得变难了。

因此，下一个阶段CdSe QD将通过能量转移来淬灭荧光。

能量转移的供体是CdSe，受体是（R）GO，它们之间转移的程度是基于接近的程度和光谱重叠的程度。

GO是更有效的淬灭试剂，可能是因GO的电子接受能力以及它高度的相互作用的本质。

总的来说，除了能量转移之外，电子转移途径也控制了激发态的CdSe到GO和RGO的失活过程。

3.2 基于（类）石墨烯材料的荧光传感器对DNA和蛋白质的检测Xiaoqing Liu等将功能化杂交材料（氧化石墨烯/核酸稳定的银纳米簇）用于光学适配体传感以及致病DNA的多重分析。

[3]应用两种不同的类型的AgNCs（银纳米簇），一种包含红外发射的AgNCs，另一种是近红外发射的AgNCs。

它们被核酸序列保护起来，然后再连接一个特异性的单链序列，这个复合物可以与GO（氧化石墨烯）结合，并且荧光被淬灭。

当加入互补序列或者ATP，或者凝血酶时，由于分别形成了双链结构和适配体-基质复合物使得这个杂交整体从GO上解吸而使荧光恢复，因而可以用这个传感体系来多重分析一系列的传染性病原体的基因以及用于检测ATP或者凝血酶。

原理图如图2所示。

图2：氧化石墨烯/核酸稳定的银纳米簇用于光学适配体传感以及致病DNA的多重分析示意图Changfeng Zhu等用单层MoS2的纳米探针在均相中检测DNA和小分子。

[4]原理图如图3所示。

单层MoS2纳米片显示了较高的荧光淬灭能力，对ssDNA和dsDNA展示了不同的亲和力。

MoS2可以通过核酸碱基和MoS2之间的范德华力吸附染料标记的ssDNA探针，随后淬灭染料的荧光。

当加入与ssDNA互补的单链DNA时，由于核酸碱基包含在密集的带负电的螺旋磷酸骨干结构里面，所以使得dsDNA与MoS2之间的作用力减弱了，使得荧光恢复。

这种“混合再检测”的方法模式简单并且可以在几分钟之内完成。

重要的是，这个实验仅仅可以在液体均相中检测，使得这个实验可以自动化并且易于实时检测。

因此，这个方法可以开发简单快速和低成本的纳米探针用于分子诊断。

图3：荧光检测DNA的图示Huimin Zhao等通过调控石墨烯（Gr）和石墨烯量子点（GQDs）之间的相互作用提供了一个新的和通用的信号转换方法用于免疫荧光检测，并且证明了它对人免疫球蛋白的敏感检测的可行性[5]，原理图如图4所示。

Gr作为受体，鼠抗人免疫球蛋白G（mIgG，抗体）结合的GQDs作为供体被选为制造FRET的免疫传感器，用来检测人免疫球蛋白G（IgG，抗原）。

当加入Gr到mIgG-GQDs溶液中时，Gr和GQDs之间的π-π堆叠作用以及mIgG与Gr表面之间的非特异性结合相互作用使得Gr与GQDs之间的FRET距离接近，使得GQDs的荧光淬灭。

在传感过程中，由于特异性的抗体-抗原相互作用，添加人IgG将会结合mIgG，这将有效的增加mIgG-GQDs与Gr表面之间的距离从而阻止了FRET的过程，使得荧光得以恢复。

在这种荧光打开的状态下，全部的荧光响应都是基于IgG在样品中的含量，这就提供了一个有效的方法来定量的检测目标物。

此外，mIgG 与IgG之间的结合力可以保证这个检测方法的特异性。

通过简单地置换抗体，这个体系可以用来检测其它抗原。

这个方法将会为FRET技术的发展提供新的机会并且促进基于碳纳米材料在免疫分析中的应用。

图4：基于调控Gr和GQDs之间的相互作用的普遍的免疫传感方法的图示Israa Al-Ogaidi等用化学发光共振能量（CRET）转移到石墨烯量子点的方法来检测卵巢癌生物标记物CA-125。

[6]原理图如图5所示，氨基修饰的玻璃薄片被APTMS硅烷化，GQDs随后通过静电吸引作用固定到带正电荷的玻璃薄片的氨基上。

对CA-125抗原特异性的捕获抗体（cAb）通过酰胺键与GQDs共价交联到一起。

随后加入BSA封锁玻璃表面上未反应的点，形成GQDs-cAb薄片。

免疫测定中没有CA-125时，HRP（辣根过氧化物酶）酶催化了H2O2中活性氧的产生，它可以氧化鲁米诺形成单线态二阶阴离子，即产生了激发态电子。

当电子从激发态回到基态，化学发光就产生了，用荧光板可以记录发射的蓝光的强度。

这个化学反应是由HRP所催化的，反应产物与HRP接近，因此二阶阴离子也与GQDs远离，因此在二阶阴离子和GQDs之间没有强烈的相互作用。

当体系中有CA-125时，形成了抗体-抗原复合物，该复合物暴露于Ab-HRP中时形成了三明治结构。

HRP与GQDs距离接近了，由HRP催化得到的二阶阴离子与GQDs距离也近了，使得从二阶阴离子到GQDs的共振能量转移成为可能，淬灭了化学发光。

使用CRET的特点是不需要激发光源，因此可以避免由外在的激发光源引起的背景荧光的干扰。

GQDs作为能量受体可以避免光漂白的问题，另外，使用GQDs使得NSET（纳米金属的表面能量转移）机制成为可能---不需要能量受体和供体之间有光谱重叠，这就使得能量供体的选择有了灵活性。

这种传感平台可以进一步修饰组装成芯片用于高生产力的多重检测。

图5：免疫测定的组装图及检测原理3.3 基于石墨烯量子点的荧光传感器检测重金属离子及其他离子Xiang Ran等[7]用Ag纳米颗粒修饰的石墨烯量子点高灵敏的、选择性的检测了Ag+和生物巯基化合物。

作为一个新的发荧光材料，GQDs在紫外区域有较强的吸收并发射亮蓝色或绿色的荧光。

如图6所示，GQDs被选为荧光指示器。

在没有Ag+或者生物巯基化合物存在时，GQDs显示了较强的蓝色荧光。

当加入Ag+时，Ag+通过静电作用连接在GQDs的表面使得荧光淬灭，这是由于形成了AgNPs/GQDs的杂交物。

再往溶液中加入生物巯基化合物时，生物巯基化合物在体系中作为还原剂并桥连了Ag纳米颗粒，导致了GQD荧光的消失，这是由于生物巯基化合物与Ag之间形成了Ag-S键，它们之间强烈的相互作用导致荧光的消失。

因此，利用观测到的荧光变化可以设计一个灵巧的荧光传感器检测Ag+和生物巯基化合物。

图6：基于石墨烯量子点检测Ag+和生物巯基化合物的机制Dawei Huang等[8]描述了一个时间门控（time-gated）荧光共振能量转移（TRFRET）传感方案--在水溶液中用长寿命的荧光量子点和金纳米颗粒来检测痕量的Hg2+。

掺杂Mn的量子点（Mn-doping QDs）具有高的量子产率及长的荧光寿命，金纳米颗粒有高的消光系数并且在可见光下有较宽的吸收光谱可与常用的能量供体的发射光谱相重叠。

结合金纳米颗粒和Mn-doping QDs的优点及T-Hg2+-T结构的稳定性和特异性，可设计如图7所示的方案在水溶液中检测Hg2+。

水溶液中Mn-doping QDs和金纳米颗粒被两个互补的ssDNA功能化，这两个互补的ssDNA(单链DNA)含有四个特意设计的T-T错配碱基。

Mn-doping QDs作为能量转移的供体，金纳米颗粒作为能量转移的受体。

当水溶液中有Hg2+存在时，将发生DNA杂交由于形成了T-Hg2+-T复合物。

结果，Mn-doping QDs和金纳米颗粒距离被拉近，从而出现了从Mn-doping QDs到金纳米颗粒之间的能量转移，导致了Mn-doping QDs的荧光强度的明显降低。

降低的荧光强度与Hg2+的浓度成比例。

在最优的条件下，这个传感体系对于Hg2+展示了从1×10−9到1×10−8M 的线性范围，在缓冲溶液中的检测限是0.49nM，在自来水中的检测限是0.87nM。

这个传感器也被用于检测加入标准Hg2+的自来水，河水，和池水中的Hg2+样品，结果与用原子荧光光谱测得的值相一致。

相比于一些报道的比色和发荧光的传感器，这个建议的方法显示了较好的灵敏度。

这个TGFRET传感器也显示了好的选择性并且提供了检测Hg2+的良好前景。

图7：在DNA双链中以Hg2+为媒介用TGFRET方法传感Hg2+的方案Himadri Chakraborti等[9]用GQDs作为荧光化学传感器检测了水溶液中（PH=7）的Hg2+。