量子点在卫生分析领域中的应用

　　摘要量子点(QDs)作为一种新型的半导体纳米材料，由于其具有斯托克斯位移大、生物相容性好、抗光漂白、荧光寿命长、光催化活性强等优异的光化学特性，以及独特的介电限域效应、库伦阻塞效应等电学特性，近年来在卫生分析领域的研究和应用获得了广泛关注。本文重点综述了QDs对卫生样品中离子、小分子化合物(抗生素、生物毒素等)、生物大分子、微生物等分析检测的最新研究成果及进展，为QDs的进一步研究开发及应用提供新的参考方向及思路。

　　关键词量子点;卫生分析;离子;小分子化合物;生物大分子;微生物

　　近年来，卫生安全问题种类繁多且层出不穷，已成为社会关注的主要热点问题之一。为保障人民健康，一方面要加强卫生监督管理，另一方面要创新卫生检测方法和手段，弥补现有分析技术的漏洞和缺陷。目前，基于新型半导体纳米材料量子点(Quantumdots，QDs)对卫生样品中物质的检测已成为卫生分析领域前沿方法之一。

　　QDs又被称为“人造原子”或“超原子”，其粒径一般介于1~100nm之间，与宏观材料以及其他微观粒子相比，QDs具有独特的量子尺寸效应(Quantumsizeeffect)、量子隧道效应(Quantumtunnelingeffect)、量子限域效应(Quantumconfinementeffect)和表面效应(Surfaceeffect)，以及斯托克斯位移大、生物相容性好、抗光漂白和荧光寿命长等特点[1]，在卫生检测[2~4]、光电器件[5,6]、肿瘤诊断[7~9]和生物成像[10,11]等方面具有广阔的应用前景。鉴于QDs上述显著特点，近些年来，基于QDs开发了一系列应用于卫生样品中各种物质的分析检测方法。

　　本文从QDs表面修饰基团、检测原理、分析方法和检测能力等方面就QDs应用于卫生样品中各种离子、小分子化合物(如抗生素、生物毒素等)、生物大分子、微生物等的最新分析检测方法的研究进行了综述。目前，基于QDs的分析检测技术多集中于通过荧光增强或者荧光猝灭原理来实现，即QDs与待测物质作用会导致其荧光增强或者猝灭，且待测物质的浓度和QDs荧光增强或者猝灭的变化强度呈一定线性关系，因此，可用QDs对其实现检测分析。此外，基于QDs的纳米传感器和荧光免疫方法也逐步兴起，在物质的定量或定性检测中应用日益广泛。相比其他荧光材料，基于QDs应用于卫生样品中各类物质的分析检测方法均显示出高灵敏度、高选择性和省时简便等显著优势。

　　1离子检测

　　卫生样品中各类离子的常规检测方法包括各种元素分析法(原子吸收分光光度法、原子荧光光谱法、紫外-可见分光光度法、分子荧光法、电感耦合等离子体质谱法)以及离子色谱法、毛细管电泳法等，这些方法或具有较高的灵敏度，或具有较高准确性，但繁杂的样品预处理、较高的实验室仪器设备要求以及存在不同程度的干扰等在一定程度上限制了其在卫生分析领域中的普及性和快速检测方面的适用性。

　　QDs优越的光电特性为开发简单易行的分析检测方法提供了新思路。1997年，Isarov等[12]研究发现，金属离子Cu2+可与2-丙醇中的CdS纳米颗粒发生相互作用，并能导致QDs荧光猝灭(可能是因为QDs表面的Cu2+被还原，从而造成荧光猝灭)，为基于QDs荧光猝灭机制对金属离子进行定量分析提供了思路。

　　在此基础上，2002年，Chen等[13]研究发现，Cu2+浓度同CdSQDs荧光猝灭的变化程度之间存在良好的线性关系，并首次利用CdSQDs作为选择性离子探针对水性样品中的Cu2+实现检测分析，为后续基于QDs对金属离子进行定量检测分析奠定了良好基础。随后，刘西京等[14]将双硫腙结合到CdTeQDs表面使其荧光猝灭，Pb2+破坏CdTeQDs-双硫腙复合物的荧光共振能量，使CdTeQDs荧光逐渐恢复，利用这一原理完成浓度为10~20μmol/L的Pb2+定量检测，并实现了污水中痕量Pb2+的检测应用。

　　近年来，基于不同种类QDs的检测方法逐步兴起，为卫生样品中待测离子的实际检测工作提供了有效方法途径。2016年，邓亚军等[15]采用微波辅助法合成了碳量子点(CQDs)，基于Cu2+对CQDs的荧光猝灭原理，实现了其对Cu2+的检测应用，最低检出限为0.23μmol/L。

　　此外，研究显示，具有明亮蓝色荧光的多巴胺功能化的GQDs(DA-GQDs)可用于检测低水平的Fe3+，GQDs与多巴胺的酰胺连接，使得Fe3+与多巴胺的邻苯二酚部分在界面上发生特异性相互作用，从而实现了对Fe3+的高灵敏度和选择性检测，Fe3+检测线性范围为2.0×10-2~2.0µmol/L，检测限为7.6×10-3µmol/L[16]。

　　2020年，蒋云霞等[17]采用水热法合成氮掺杂的碳量子点(N-CQDs)，并利用Fe3+对其产生的荧光猝灭效应实现对Fe3+的检测。结果显示，Fe3+浓度在0~400μmol/L范围内时，其浓度与N-CQDs荧光猝灭程度呈良好的正相关性，检出限为9.25×10-3µmol/L，同传统的原子吸收光谱法、分光光度法、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)和电化学方法相比，该方法由于其高灵敏度和选择性、低成本和易于操作的独特优势，为测定Fe3+离子提供了更好的选择。

　　同年，王安琪等[18]首次建立了基于硫、氯和氮共掺杂的新型碳量子点(S,Cl,N-CQDs)荧光探针，在0.1~110μmol/L的Mn7+浓度范围内，该探针的荧光猝灭程度与Mn7+浓度具有良好的正相关性，检测限低至1.31×10-2µmol/L。此外，2020年，江燕红等[19]基于丝氨酸功能化的石墨烯量子点(Ser-GQD)的荧光光谱与重铬酸钾的紫外吸收曲线重叠引起的内滤效应，建立了测定Cr6+的荧光分析法，检出限达到3.3×10-3µmol/L。

　　该方法可用于环境水样中痕量Cr6+的实际测定。同年，肖赛金等[20]采用氧化钼量子点(MoOxQDs)作为新型铀酰离子荧光指示剂，利用铀酰离子与其表面氧原子相互作用可引起MoOxQDs荧光猝灭的原理，实现了水样中铀酰离子的检测分析，检出限为9.0×10-2μmol/L。相比常见的铀酰离子的检测方法，如固体荧光法、液体激光荧光法、分光光度法、放射性检测法等，该方法具有较高的选择性和准确性，为后续环境水样中铀酰离子的实际检测提供了新思路。

　　除依据荧光猝灭原理进行离子检测外，有研究采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)修饰的CdSe/ZnSQDs建立了一种简单有效、能够降低干扰的检测水中Cu2+的传感方法[21]。当水溶液中存在Ag+和Hg2+离子时会对Cu2+的检测产生干扰作用，当QDs溶液中加入硫代硫酸盐时，它首先在QDs表面形成钝化层，加入金属离子后，Cu2+取代Cd2+，而Ag+和Hg2+在QDs外受到硫代硫酸盐的阻挡。该方法在硫代硫酸盐存在下具有较高的选择性和超高灵敏度，在去离子水中有硫代硫酸盐存在时，Cu2+的最低检测浓度为1.5×10-4µmol/L，并成功实现了对自来水中Cu2+的检测分析。

　　2020年，温广明等[22]使用二巯基琥珀酸(DMSA)包裹的CdSQDs构建出一种简单灵敏的光电化学传感器，并用于Cu2+的检测分析。将DMSA-CdSQDs涂覆于氟掺杂的SnO2导电玻璃(FTO)电极产生较强的阳极光电流，Cu2+加入后阻止了光电子的逸出，从而产生“信号降低”的光电信号，该方法对Cu2+的检测线性范围为1.0×10-5~0.1µmol/L，检测限为3.0×10-6µmol/L，可广泛用于免疫分析、现场诊断等领域，进一步丰富了基于QDs传感策略在卫生分析领域中的应用。

　　2021年，尹笑等[23]采用胸腺嘧啶修饰的Mn:ZnSQDs研制出检测Hg2+的室温磷光传感器。该方法中，Hg2+与Mn:ZnSQDs在激发态相互作用使其动态猝灭，且在静态猝灭过程中Hg2+和胸腺嘧啶在基态相互作用形成T-Hg2+-T发夹结构产生了不发光的络合物。在优化反应条件下，QDs磷光强度随Hg2+浓度在2~18μmol/L范围内呈良好的线性关系，该方法简单、成本低、选择性好，适用于Hg2+实际检测应用。基于QDs的分析技术除应用于卫生样品中金属离子的检测外，还广泛应用于各类非金属离子的检测。

　　2019年，黄小梅等[24]以中药材-玄参原药为碳源制备得到CQDs，向CQDs溶液中加入硝酸根离子(NO3-)会使其荧光猝灭，基于此建立了CQDs作为荧光探针测定NO3-的新方法。检出限为6.5×10-2μmol/L，该方法精密度和准确度比较高，可用于实际样品分析。2020年，问婧等[25]合成香豆素功能化石墨烯量子点(N-GQDs)，可以在含水体系中通过荧光增强专一性地识别F-，该方法用于检测生活水样中F-时检出限低至0.01μmol/L。

　　同年，Wu等[26]制备CQDS-Tb3+/3-氨基苯硼酸(APBA)杂化双发射荧光探针，用于环境水样中NO2−和Hg2+的同时检测。检测原理,在同一体系中，CQDs-Tb3+只对NO2−有荧光响应，APBA只对Hg2+有荧光响应，且二者具备不同的发射波长，使得检测过程互不干扰。NO2−和Hg2+的检出限分别为2.0×10-3μmol/L和3.81×10-2μmol/L，可用于各种环境水样中NO2−和Hg2+的实际检测。综上所述，QDs在卫生样品中各类离子的分析检测方面发挥着重要作用，显示出高灵敏度、高选择性、省时省力、方便快速等独特优势。

　　2小分子化合物检测

　　日常生活中，人体每时每刻都在接触各种小分子化合物，其种类繁多，且与人体健康关系密切。因此，建立灵敏度高、选择性好的新型检测方法具有重要意义。

　　2.1抗生素检测

　　抗生素作为一种抑菌或灭菌药物，曾经在疾病预防和控制、养殖业、农业生产等各领域发挥了不可替代的重要作用。但抗生素的不合理应用甚至滥用也给自然环境和人类健康带来极大的潜在危害，因此，建立一种灵敏、快速、高效、可靠的定性定量检测方法对于抗生素滥用的卫生监管、残留检测和健康风险评估是十分必要的。目前，基于QDs实现抗生素定量分析的检测技术受到广泛关注。

　　2015年，元晓云等[27]基于链霉素可使CdTeQDs荧光增强的特性，利用CdTeQDs对黄瓜中的链霉素残留进行检测，链霉素浓度在5.0×10-6~1.0×10-4μmol/L范围内同体系的相对荧光强度呈正相关性(R2=0.999)，检出限为5×10-6μmol/L。该方法可用于黄瓜中链霉素残留量的实际测定。

　　同年，毛永强等[28]以CdTeQDs作为荧光体、四环素作为吸光体构建内滤效应荧光传感体系，从而建立一种测定四环素含量的同步荧光猝灭法，研究表明四环素浓度在一定范围内与体系同步荧光强度呈良好的线性关系，检出限可达2.5×10-8mol/L。该方法灵敏度高、选择性好，可应用于牛奶样品中四环素的实际检测。2020年，刘振平等[29]合成了L-半胱氨酸修饰的掺杂锰元素的硫化锌量子点(Mn:ZnSQDs)，建立了基于Mn:ZnSQDs快速检测蜂蜜样品中四环素类抗生素(TCs)残留的高灵敏度定量检测方法。

　　以强力霉素(DTC)为代表，Mn:ZnSQD的磷光激发光谱与目标物DTC的紫外吸收光谱存在较大程度重叠，当Mn:ZnSQDs体系中存在DTC时部分激发光会被DTC吸收，导致Mn:ZnSQDs磷光发射强度降低，进而建立DTC浓度与磷光信号的线性关系，实现对DTC的快速定量检测。检出限为9.7×10-3μmol/L，方法具有良好的重复性和稳定性，可用于蜂蜜中TCs残留的快速定量检测。

　　同年，杨彩铃等[30]利用四环素能有效地猝灭SiQDs荧光，构建荧光传感器用于快速检测四环素的含量，检测线性范围为5.0×10-2~90μmol/L，检出限为1.8×10-2μmol/L，同传统的酶联免疫法、高效液相色谱法、液质联用法、毛细管电泳法等相比，该方法操作简便迅速、灵敏度高，可用于鲜奶中四环素的准确测定。2020年，尹致丹等[31]利用QDs二抗偶联物代替传统酶标二抗，应用到测定氨苄青霉素的免疫荧光分析方法中，对氨苄青霉素的检测限为2.5μg/L，测定结果与酶联免疫吸附法和高效液相色谱法检测结果相比无显著差异。该方法准确、灵敏，适用于牛奶中氨苄青霉素残留的实际定量检测。

　　3生物大分子检测

　　近些年来，对生物大分子检测的新型检测方法逐渐增多，各种基于QDs的高灵敏度、高特异性的生物大分子定量检测方法取得了一定成果。2016年，葛宇新等[44]基于CdTeQDs建立了快速定量检测血清中炎症标志物c反应蛋白(CRP)的荧光免疫层析方法。该研究将CdTeQDs与CRP鼠源单克隆抗体偶联，构建CRP荧光免疫层析检测卡，通过建立QDs荧光强度与CRP标准品浓度之间的定量关系，对人体血清中CRP进行实际检测，CRP检测线性范围为0.1~1.0×10-3μg/L。该方法具有较好的选择性，为急性炎症反应的快速诊断提供了有效的技术支持。2019年，彭嫚等[45]基于羧基量子点的荧光猝灭效应，提出了一种检测神经生长因子(NGF)的新方法。

　　在pH7.5的缓冲溶液中，NGF抗原与羧基功能化标记的NGF抗体发生特异性结合，使羧基功能化量子点的荧光猝灭。NGF抗原质量浓度在1.0×103~2.0×104μg/L时与荧光猝灭程度呈良好的线性关系，检测限为1.0μg/L，该方法抗干扰性较强，具有较好的诊断检测潜力。2020年，Wu等[46]以四硫钼氨酸和盐酸半胱氨酸为原料，合成N-MOS2QDS作为基于内滤效应的荧光探针来测定血红素。

　　N-MOS2QDS的激发光和发射光可被血色素完全吸收，且N-MOS2QDS的荧光猝灭程度与血凝素浓度呈良好的线性关系。该方法可用于人血中血红素血红素含量。随后，杨雅妮等[47]基于多巴胺-锰/硫化锌量子点(DA-QDs)成功构建了一种简便高灵敏的甲胎蛋白(AFP)检测方法。以DA-QDs为反应媒介，辣根过氧化物酶(HRP)和羊抗小鼠免疫球蛋白G(IgG)修饰的金纳米颗粒(IgG-AuNPs-HRP)为信号放大标签，构建一种简便高灵敏的检测方法。在优化条件下，AFP质量浓度在1.0×10-4~8.0×10-2μg/L范围内时与响应信号呈良好的线性关系，检出限为4.4×10-5μg/L。

　　该方法适用于人血清白蛋白中AFP的实际检测。此外，朱韬等[48]在活细胞中仿生化制备AuQDs并用于葡萄糖的定量检测。在一定条件下，葡萄糖会导致AuQDs荧光猝灭，其浓度同荧光猝灭程度之间呈线性关系，线性范围为7.85×10-3~0.25μmol/L，检出限为3.1×10-5μmol/L。该方法可用于实际检测糖尿病大鼠的血糖浓度，且AuQDs具有低毒性，有望用于其他生物分子的实际检测。

　　4微生物检测

　　常见的微生物检测方法有传统生化检测、聚合酶链式反应(PCR)技术、酶联免疫法、传感器技术、基因芯片技术、脉冲场凝胶电泳法等，但上述方法或操作繁琐、准确性低，或费用昂贵、分析时间长、影响因素众多，因此，发展新兴检测技术具有重要意义。目前，基于QDs实现微生物快速定量的分析检测技术已成为研究热点之一。志贺氏菌是一类具有强传染性和危害严重的革兰阴性食源性致病菌。

　　2013年，白冰等[49]利用免疫纳米磁珠磁性分离、免疫量子点荧光标记技术实现了对福式志贺式菌的定量检测分析。研究表明，福式志贺式菌浓度为103CFU/mL~105CFU/mL时，相对荧光强度与菌浓度呈良好的线性关系。进一步对模型的准确度和精确度进行验证，得到菌落浓度预测值与真实值差异小，检测相对标准偏差为1.8%，表明模型的准确度好，精密度高。

　　2021年，朱芳茜等[50]利用自制的CdTeQDs偶联志贺氏菌单克隆抗体，研制出QDs免疫荧光试纸条，对肉类实际样品中的志贺氏菌检测限达1.0×104CFU/mL，且单个样品检测时间只需15min，该方法满足快速、可视化、高灵敏检测志贺氏菌需求，可用于肉类食品中志贺氏菌的快速检测。炭疽杆菌会引起严重的人畜共患炭疽病，Rong等[51]合成荧光硼碳氮化物量子点(BCNO-QDs)，并在此基础上研制出一种用于检测炭疽生物标志物(DPA)的荧光生物传感器。

　　EDTA和Eu3+加入到BCNOQDs溶液中形成BCNOQDs-EDTA-Eu3+络合物，配位水分子使Eu3+荧光产生猝灭，加入DPA后水分子被DPA取代，并将吸收的能量转移给Eu3+，产生强烈的红色荧光，以上述红色荧光和BCNOQDs的蓝色荧光作为荧光响应信号和参考信号可实现DPA的定量检测。在优化条件下，DPA的检出限为5.0×10-4μmol/L。该方法响应速度快、灵敏度高、选择性好，在临床分析中具有潜在的应用前景。

　　5总结和展望

　　QDs作为一种新型的荧光纳米材料，具有优异的物理/化学特性，适用于卫生样品中多种物质的分析检测。本文就QDs对卫生样品中离子、小分子化合物、生物大分子、微生物、生物毒素、抗生素等的最新分析检测方法的应用和进展进行了综述。在这些研究中，利用QDs荧光增强/猝灭、免疫荧光、纳米传感等原理构建的检测技术实现各类物质检测具有高灵敏度、高准确度、简便、快速、经济等优异特点，研究成果进展迅速，体现了QDs在卫生分析检测方面的巨大优势和在卫生分析领域中发挥着越来越突出的重要作用。尽管QDs在卫生分析领域取得了一定进展，但仍面临着诸多问题，有待深入研究。

　　首先，QDs较低的荧光效率在一定程度上限制了其分析灵敏度的进一步提高，提高荧光效率需要进一步研究探索。其次，目前商品化的QDs稳定性不够高，存在闪烁现象，因此，合成稳定性好的标准化的QDs是接下来努力的方向和目标。第三，目前使用的多数金属离子掺杂的QDs具有一定的生物毒性，极大地限制了QDs在生物医学等领域的推广应用。因此，优化和改进QDs的合成方法、条件和工艺，深入研究和开发稳定性好、条件可控性好、标准化的新型绿色环保型QDs是拓展其应用范围的未来发展趋势。在此基础上，建立基于QDs生物传感技术和基因芯片技术的检测方法必将成为一颗耀眼的明珠活跃在分析检测领域。

　　参考文献

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　　作者：1程娇娇1彭微1靳敏1,2罗利霞1,2李淑荣1,2*孟佩俊1,2*

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