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

持久发光纳米传感器：一种基于光极的通用平台，用于生物系统中的无自发荧光传感  

来源：ACS Sens.2024,9,3307-3315  

ACS传感器（期刊），2024年第9卷，3307-3315页  

 

摘要内容

 

摘要提出荧光纳米传感器面临生物样本自发荧光的干扰问题。研究通过将光极传感技术与近红外发光的ZnGa₂O₄:Cr³⁺持久发光纳米粒子（PLNPs）结合，开发了名为"持久发光纳米传感器（PLNs）"的纳米复合材料。该平台通过时间分辨发光检测机制（延迟发光），在胎牛血清（FBS）中定量K⁺和pH，并在酿酒酵母培养中比率监测O₂代谢，成功克服了自发荧光干扰。  

 

研究目的

 

开发一种模块化、抗自发荧光的纳米传感器平台，实现对生物复杂环境中K⁺、Na⁺、Ca²⁺、pH和O₂的高信噪比检测。  

 

研究思路

合成与改性PLNPs：水热法合成ZnGa₂O₄:Cr³⁺（ZGO:Cr³⁺）纳米粒子，并用三甲氧基（辛基）硅烷（TMOS）进行疏水改性（图2A-B）。  

 

 

构建纳米传感器：通过闪速纳米沉淀法（FNP）将改性PLNPs与光极传感组分（离子载体、染料、添加剂）封装在聚合物纳米颗粒中，形成PLNs（图2C-D）。  

双传感机制：  

 

离子/pH传感：离子交换引起染料吸光度变化，门控PLNPs的持久发光（图3A-D）。  

 

 

O₂传感：PdTPTBP磷光被O₂动态猝灭，PLNPs发光作为内参比（图4A-B）。  

 

时间分辨检测：利用PLNPs毫秒级发光寿命，延迟采集信号以避开短寿命的自发荧光（图1F）。  

 

 

测量数据及研究意义

PLNPs表征数据（图1 如下）：  

XRD证实立方尖晶石结构（图1B 如下），TEM显示粒径10±2 nm（图1C-D如下）。  

发光光谱（696 nm）和衰减曲线（寿命531 μs）（图1E-F）。  

 

   意义：验证PLNPs的光学特性适用于时间分辨检测。  

传感器性能数据（图3）：  

 

K⁺、Na⁺、Ca²⁺ PLNs的选择性（log KK,Na = -2.1, log KNa,K = -1.1, log KCa,Mg = -3.2）和动态范围（覆盖血清浓度）。  

 

pH PLNs在含盐缓冲液中的稳定响应（pH 3-9）（图3D）。  

   意义：证明传感器在生理环境中的选择性和抗离子干扰能力。  

生物应用数据：  

 

胎牛血清测试：时间分辨检测消除FBS自发荧光（信噪比120:1），测得K⁺浓度为1.9±0.8 mM。  

 

酵母O₂代谢监测：O₂ PLNs结合500 μs延迟，实时跟踪酿酒酵母的O₂消耗及代谢抑制（图4C）。  

   意义：验证平台在真实生物样本中的实用性。  

O₂传感校准数据（图4A-B）：  

 

不同延迟时间（0-500 μs）下的比率校准曲线，延迟增加可提升低O₂区灵敏度。  

 

   意义：优化时间分辨参数可扩展动态范围并提高检测精度。  

 

使用丹麦Unisense电极测量数据的研究意义

 

在O₂ PLNs校准中，Unisense穿刺式O₂电极用于直接验证通入气体的溶解氧浓度（0-21% atm，对应0-6.65 mg/L）。其意义在于：  

提供基准真值：电极的实时监测确保气体混合系统生成的O₂浓度准确，为PLNs的比率校准（图4A）提供可靠参照。  

 

消除环境干扰：实验在海拔5780英尺（黄金市）进行，电极数据校正了海拔对溶解氧的影响，保证跨地域实验的可重复性。  

 

验证传感器可靠性：电极数据与PLNs的伪斯特恩-沃尔默（pseudo-Stern-Volmer）拟合结果交叉验证，证实PLNs在复杂系统中的准确性（如酵母代谢监测）。  

 

结论

成功开发基于光极和PLNPs的模块化纳米传感器平台（PLNs），实现K⁺、Na⁺、Ca²⁺、pH和O₂的无自发荧光检测。  

 

时间分辨发光机制（延迟100–500 μs）有效克服生物样本（如血清、酵母）的自发荧光干扰，信噪比达120:1。  

 

传感器具备高选择性（如K⁺/Na⁺选择性100倍）、可逆性及>8天的功能性寿命。  

 

O₂ PLNs结合Unisense电极校准，实现了酵母代谢的动态比率监测，为活体代谢研究提供新工具。