基于纳米纤维构筑的量子点-荧光素荧光共振能量转移体系的结构与性能

Fluorescence resonance energy transfer （FRET）occurs when the electronic excitation energy of a donor chromophore is transferred to an acceptor molecule nearby via a dipole-dipole interaction between the donor-acceptor pair. The FRET process is more ef?cient when there is an appreciable overlap between the emission spectrum of the donor and the absorption spectrum of the acceptor. The strong distance-dependence of the FRET ef?ciency has been widely utilized in studying the structure and dynamics of proteins and nucleic acids, in the detection and visualization of intermolecular association and in the development of intermolecular binding assays. In this work, we would like to develop a facile and efficient approach towards FRET system which donor-acceptor complexes will be formed based on polymer-based nanofibers. Modified quantum dots (QDots) by long-chains are controlled align into 10-20 nm polymer-based nanofibers via electrostatic spinning technology, while collective fluorescein are attached to the surface of polymer nanofibers with QDots. The restricted distance between QDots and fluoresceins nearby bring the quantum dots and fluorescein together close enough to allow the resonance dipole-dipole coupling required for ?uorescence resonance energy transfer (FRET) to occur. Due to their giant FRET effect, the QDots-OFM FRET system will exhibit hypersensitive response and will have a great potencial application in new nanodevices.

以荧光素（OFM）为FRET受体、以能量匹配的超稳定荧光量子点(QDots)为FRET供体，采用静电纺丝技术，制备一类QDots高度有序排列的聚合物基复合纳米纤维。以纳米纤维为模板，将OFM组装在聚合物纳米纤维的表面，调控Qdots的结构与排列、控制纳米纤维的直径以及荧光素的负载密度，可以有效调节QDots-OFM的F?rster间距在1-10 nm，从而构筑一类基于纳米纤维的具有高FRET效率的新型QDots-OFM FRET体系。这一研究不仅通过加工诱导构筑了功能基元有序排列的新的超分子结构，同时，通过调节纳米纤维的直径尺寸，有效调整QDots与临近iOFM的F?rster间距，从而提高FRET体系的双荧光信号响应性能。对深入研究材料-结构构筑-加工调控-性质优化的相互作用规律，研制一类具有独立知识产权的高效、灵敏、精确的比率型荧光纳米探针具有重要的理论研究意义和应用价值。

“干态”检测比率型荧光纳米探针具有高效、灵敏、易于携带等突出优点，在痕量分析、离子检测、微环境监控领域具有重要的应用价值。本课题自主合成了性质稳定、具有良好单分散性能的核壳结构荧光量子点以及合金结构量子点，其荧光效率可达70%；通过配体交换、长链离子化修饰技术等实现了荧光量子点的氨基化改性，基于喷墨打印的荧光量子点显示出优异的环境稳定性和光致发光性能，室温环境下，一个月内依然可见清晰的打印图案。自主研发了一维结构、负载大量柔性短链的PPTA，调控柔性链的接枝比例，可以调控自流动PPTA的流变性能，并产生出独特的溶致液晶现象，为构筑QDots-PPTA奠定了基础。采用静电纺丝技术制备了负载量子点的以PVA、明胶、PA6为基体的聚合物纳米纤维；采用python语言编写了Montecarlo模拟程序，初步探究了高斯链在力场下的构象，调控纺丝工艺，制备了纤维尺寸在50 nm左右的纳米纤维膜。基于FRET原理，制备了作为FRET受体的RBO,构筑了QDots-OFM、QDots-QDots FRET体系，并分析了浓度以及pH值对FRET效率的影响;采用原位浸渍法制备了高负载QDots的复合纳米纤维膜，纳米纤维膜具有优异的耐介质、耐温性能，可以实现干态Hg2+，Cu2+检测，检测限可达1 ppm；将这种纳米纤维膜应用于潜指纹分析，清晰显示指纹三级结构的能力，并具有不同基底，如玻璃、塑料薄膜、木材的指纹转移能力，在痕量分析、离子检测、潜指纹分析领域具有重要的应用价值。荧光量子点具有敏锐而较弱的光致发光能力，基于荧光量子点的合成与表面修饰技术，以及FRET体系的结构构筑为多相体系的多尺寸结构设计、界面结构控制，体系的耦合性能的深入分析具有极其重要的研究意义。该项目在国家自然科学基金的大力支持下，取得了一系列有价值的研究成果，共发表学术研究论文13篇，参加学术会议论文12人次，授权国家发明专利1项，受理国家发明专利10项，培养了15名硕士研究生，完成了项目预期的研究指标。