Persistent Luminescence Nanosensors: A Generalized Optode-Based Platform for Autofluorescence-Free Sensing in Biological Systems  

持久發(fā)光納米傳感器：一種基于光極的通用平臺，用于生物系統(tǒng)中的無自發(fā)熒光傳感  

來源：ACS Sens.2024,9,3307-3315  

ACS傳感器（期刊），2024年第9卷，3307-3315頁  

 

摘要內(nèi)容

 

摘要提出熒光納米傳感器面臨生物樣本自發(fā)熒光的干擾問題。研究通過將光極傳感技術(shù)與近紅外發(fā)光的ZnGa?O?:Cr3?持久發(fā)光納米粒子（PLNPs）結(jié)合，開發(fā)了名為"持久發(fā)光納米傳感器（PLNs）"的納米復(fù)合材料。該平臺通過時(shí)間分辨發(fā)光檢測機(jī)制（延遲發(fā)光），在胎牛血清（FBS）中定量K?和pH，并在釀酒酵母培養(yǎng)中比率監(jiān)測O?代謝，成功克服了自發(fā)熒光干擾。  

 

研究目的

 

開發(fā)一種模塊化、抗自發(fā)熒光的納米傳感器平臺，實(shí)現(xiàn)對生物復(fù)雜環(huán)境中K?、Na?、Ca2?、pH和O?的高信噪比檢測。  

 

研究思路

合成與改性PLNPs：水熱法合成ZnGa?O?:Cr3?（ZGO:Cr3?）納米粒子，并用三甲氧基（辛基）硅烷（TMOS）進(jìn)行疏水改性（圖2A-B）。  

 

 

構(gòu)建納米傳感器：通過閃速納米沉淀法（FNP）將改性PLNPs與光極傳感組分（離子載體、染料、添加劑）封裝在聚合物納米顆粒中，形成PLNs（圖2C-D）。  

雙傳感機(jī)制：  

 

離子/pH傳感：離子交換引起染料吸光度變化，門控PLNPs的持久發(fā)光（圖3A-D）。  

 

 

O?傳感：PdTPTBP磷光被O?動態(tài)猝滅，PLNPs發(fā)光作為內(nèi)參比（圖4A-B）。  

 

時(shí)間分辨檢測：利用PLNPs毫秒級發(fā)光壽命，延遲采集信號以避開短壽命的自發(fā)熒光（圖1F）。  

 

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

PLNPs表征數(shù)據(jù)（圖1 如下）：  

XRD證實(shí)立方尖晶石結(jié)構(gòu)（圖1B 如下），TEM顯示粒徑10±2 nm（圖1C-D如下）。  

發(fā)光光譜（696 nm）和衰減曲線（壽命531 μs）（圖1E-F）。  

 

   意義：驗(yàn)證PLNPs的光學(xué)特性適用于時(shí)間分辨檢測。  

傳感器性能數(shù)據(jù)（圖3）：  

 

K?、Na?、Ca2? PLNs的選擇性（log KK,Na = -2.1, log KNa,K = -1.1, log KCa,Mg = -3.2）和動態(tài)范圍（覆蓋血清濃度）。  

 

pH PLNs在含鹽緩沖液中的穩(wěn)定響應(yīng)（pH 3-9）（圖3D）。  

   意義：證明傳感器在生理環(huán)境中的選擇性和抗離子干擾能力。  

生物應(yīng)用數(shù)據(jù)：  

 

胎牛血清測試：時(shí)間分辨檢測消除FBS自發(fā)熒光（信噪比120:1），測得K?濃度為1.9±0.8 mM。  

 

酵母O?代謝監(jiān)測：O? PLNs結(jié)合500 μs延遲，實(shí)時(shí)跟蹤釀酒酵母的O?消耗及代謝抑制（圖4C）。  

   意義：驗(yàn)證平臺在真實(shí)生物樣本中的實(shí)用性。  

O?傳感校準(zhǔn)數(shù)據(jù)（圖4A-B）：  

 

不同延遲時(shí)間（0-500 μs）下的比率校準(zhǔn)曲線，延遲增加可提升低O?區(qū)靈敏度。  

 

   意義：優(yōu)化時(shí)間分辨參數(shù)可擴(kuò)展動態(tài)范圍并提高檢測精度。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義

 

在O? PLNs校準(zhǔn)中，Unisense穿刺式O?電極用于直接驗(yàn)證通入氣體的溶解氧濃度（0-21% atm，對應(yīng)0-6.65 mg/L）。其意義在于：  

提供基準(zhǔn)真值：電極的實(shí)時(shí)監(jiān)測確保氣體混合系統(tǒng)生成的O?濃度準(zhǔn)確，為PLNs的比率校準(zhǔn)（圖4A）提供可靠參照。  

 

消除環(huán)境干擾：實(shí)驗(yàn)在海拔5780英尺（黃金市）進(jìn)行，電極數(shù)據(jù)校正了海拔對溶解氧的影響，保證跨地域?qū)嶒?yàn)的可重復(fù)性。  

 

驗(yàn)證傳感器可靠性：電極數(shù)據(jù)與PLNs的偽斯特恩-沃爾默（pseudo-Stern-Volmer）擬合結(jié)果交叉驗(yàn)證，證實(shí)PLNs在復(fù)雜系統(tǒng)中的準(zhǔn)確性（如酵母代謝監(jiān)測）。  

 

結(jié)論

成功開發(fā)基于光極和PLNPs的模塊化納米傳感器平臺（PLNs），實(shí)現(xiàn)K?、Na?、Ca2?、pH和O?的無自發(fā)熒光檢測。  

 

時(shí)間分辨發(fā)光機(jī)制（延遲100–500 μs）有效克服生物樣本（如血清、酵母）的自發(fā)熒光干擾，信噪比達(dá)120:1。  

 

傳感器具備高選擇性（如K?/Na?選擇性100倍）、可逆性及>8天的功能性壽命。  

 

O? PLNs結(jié)合Unisense電極校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了酵母代謝的動態(tài)比率監(jiān)測，為活體代謝研究提供新工具。