基于功能化石墨烯量子点的贝毒素同步免疫传感技术研究

Graphene quantum dots (GQDs) are known as photoluminescent graphene sheets with sizes smaller than 100 nm and layers less than 10. The vast application of pristine GQDs is suffered from the relatively low quantum yield and poor electrochemical activity. In this project, we intend to design and synthesize novel GQDs-based composites by doping with heteroatoms and modifying with metal nanoclusters (MNCs). The heteroatoms will change the band gap and electronic density of GQDs, thus enhance their electrocatalytic activity and quantum yield. Moreover, the MNCs modified on GQDs will tune the electrochemical and luminescent behaviors of the composite, and also improve the immobilization amount of bio-molecules. Owing to the amplification effect of nano-materials, two types of the novel GQDs-based immunosensors, single channel with multi-labels and multi-channels array, will be fabricated and applied for fast and simultaneous detection of dinophysistoxins (DTX), saxitoxins (STX), brevetoxins (BTX) and domoic acid (OA) with high selectivity and sensitivity. Moreover, practical applications of the novel immunosensor in the shellfish samples will be studied. This project will focus on the design and synthesis of functional GQDs, investigation of the structure-property relationships of functional GQDs, and construction of the immunosensor for shellfish toxins. In conclusion, the project will open up a new way to functionalize GQDs, and broaden the application of GQDs-based composites in biological and environmental analysis.

石墨烯量子点（GQDs）指尺寸小于100 nm且层数小于10层的石墨烯薄片，单纯GQDs的量子效率低、电化学活性弱，在传感领域应用有限。本项目拟设计合成异原子共掺杂结合金属纳米簇（MNCs）功能化的GQDs纳米复合物，利用共掺杂原子改变GQDs电荷密度分布及能带间隙以提高GQDs复合物的电催化活性和荧光量子产率，通过高活性MNCs调控GQDs复合物的光/电化学行为并高效固载生物分子，得到多功能的免疫探针，结合多种信号放大策略，构筑单通道多标记式以及多通道阵列式的光/电化学贝毒素免疫传感界面，实现对海产品中常见贝毒素（鳍藻毒素、石房蛤毒素、短裸甲藻毒素、软骨藻酸）的快速、灵敏、同步检测，评估其在贝类样品中的应用潜力。项目拟重点研究高性能GQDs的功能化方法、GQDs复合物的构效关系、贝毒素传感器的构建等关键问题，研究结果将进一步拓宽GQDs在生物分析领域和环境分析领域中的应用。

石墨烯量子点（GQDs）量子效率低、电化学活性弱，在传感领域应用有限。开发GQDs功能化方法，提高其应用性能，是目前石墨烯研究的一个热点。本项目以有机或无机小分子作为碳源和掺杂源，通过水热或电化学等功能化方法，得到单原子或多原子掺杂的GQDs复合物，结合金属纳米簇（MNCs），构建新型光化学、电化学分子探针，利用单通道及多通道检测模式，实现对海产品中常见贝毒素的快速、灵敏检测。项目在以下四个方面取得较多研究结果：1）开发具有良好光、电性能传感探针的制备方法。在功能化GQDs制备中，以柠檬酸、麦芽糖、碳棒等为碳源，硫酸钠、磷酸、对苯磺酸钠等为掺杂源，利用水热或电化学氧化剥蚀法，得到P-GQD、Cl, P-GQD、S, P-GQDs、N, S-GQDs等GQDs复合物，总结出GQDs复合物光、电性能的影响规律及作用机制。此外，基于多通道检测需求，开发金纳米簇（AuNCs）、铜纳米簇（CuNCs）、功能化三维石墨烯气溶胶的制备方法，并研究了这些材料的光、电及吸附性能；2）开发基于功能化GQDs的荧光免疫法检测贝毒素。将传感材料如Cl, P-GQD、S, P-GQDs、AuNCs与贝毒素抗体共价偶联，建立了对冈田酸毒素（OA）、石房蛤毒素（STX）的单通道及双通道荧光检测方法，成功将该方法应用于贝类样品中OA和STX的检测；3）基于功能化GQDs建立电致化学发光（ECL）竞争免疫吸附法检测贝毒素。分别利用P, S-GQDs/K2S2O8、联吡啶钌硅球（RuSiNPs）/N, S-GQDs、RuSiNPs/CuNCs，结合纳米材料的多级放大效应和良好的生物相容性，实现对贝毒素的ECL检测。4）设计和构建贝毒素光电化学传感平台，结合近红外及可见光响应光电材料，实现对贝毒素的快速、同步检测。项目研究结果为建立高效、实用的贝毒素检测技术提供了实验基础，对食品和环境中其他污染物的高效检测也具有一定的推广意义和参考价值。在本项目资助下，项目组已在国内外核心期刊上发表SCI论文13篇，其中中科院二区及以上论文10篇，影响因子大于7的研究论文3篇，ESI高引论文（3%）1篇，授权国家发明专利2件，培养硕士毕业生7名，1名获得福建省优秀硕士学位论文。