基于FRET和MEF效应的双光子比率型重金属离子荧光探针的构筑及生物成像研究

This project plans to fabricate a ratiometric fluorescent sensor for metal ions based on fluorescent resonance energy transfer (FRET) mechanism, which uses a core-shell type nanoparticle as carrier composed of Ag core and mesoporous shell using multi-silylated fluorescent carbon dot and TEOS as silica source. This sensor uses carbon dot as the energy donor of FRET, and assembles carbon dot, energy acceptor and complex unit for metal ions into core-shell nanoparticle through the self-assembly snythesis process of mesoporous material, where carbon dot is used as reference unit and located inside the pore wall, and energy acceptor is used as report unit and located in the pore channel with complex unit. This project expects to use the wavelength-tunable and two-photon excited performance of carbon dot in the framework to achieve the fabrication of infrared light excited ratiometric fluorescent sensor for different detection target by simply changing the signal report and complex unit in the pore channel. Furthermore, this project expects to improve the detection stability and sensitivity using the metal enhanced fluorescence effect of Ag nanoparticle, which can be achieved through the efficient synergy between metal enhanced fluorescence effect from Ag nanoparticle and FRET effect.

本项目采取以银纳米粒子为核、多头硅烷基化的荧光碳量子点（CDs）和正硅酸乙酯为共聚硅源，构建核-壳型荧光介孔纳米粒子，并以其为基质构建基于荧光共振能量转移 (FRET) 的重金属离子比率荧光探针体系。该荧光探针巧妙地利用介孔材料的自组装形成机理，将CDs引入介孔骨架中并作为FRET能量给体，而把通畅的介孔孔道留给FRET能量受体以及重金属离子络合物；同时利用有序均一的介孔孔道，完成高效的FRET过程，实现重金属离子的快速检测。本项目的优势在于，利用CDs介孔材料可红外双光子激发及荧光波长灵活可调的性能优势，方便地与位于孔道中的报告单元形成FRET体系，构建可适用于不同检测目标的重金属离子近红外比率荧光探针。进一步地，本项目将银纳米粒子引入到基于CDs掺杂介孔材料的荧光探针体系，期望利用银纳米粒子的金属增强荧光（MEF）效应与FRET效应之间的协同作用，显著提高荧光探针的检测灵敏度及稳定性。

面对日益严峻的重金属离子污染问题，发展一种制备过程简单、检测能力强大的荧光探针体系用于快速、高效、准确地检测水体中重金属离子的浓度具有十分重大的意义。在上述背景下我们展开本项目的研究，研究内容主要包含以下三个部分：.（1）提出了一种制备蛋黄-蛋壳（yolk-shell）结构纳米粒子的通用方法。在该方法中，我们利用包覆了无定型二氧化硅（SiO2）壳的功能化纳米粒子作为种子，在表面包裹一层有序介孔有机硅（PMO）外壳，同时无定型SiO2中间层会自我溶蚀，形成含空腔结构的yolk-shell粒子。通过该策略，我们成功制备得到了含银核的Ag-YS-PMO纳米粒子和含四氧化三铁纳米晶的Fe3O4-YS-PMO纳米粒子。.（2）基于碳量子点（CDs）掺杂的PMO粒子和FRET效应构建Cu2+比率荧光探针。分别将荧光性能优异的CDs通过共硅源法镶嵌到PMO粒子骨架中，将能被CDs发射光所激发的溴乙烷修饰荧光素（BEF）染料分子和能与Cu2+形成良好络合的二肽类化合物N-苄氧羰基-甘氨酰甘氨酸（Cbz-Gly-Gly, Ligand）分子利用CTAB胶束的“萃取作用”一起引入到介孔孔道中。当Cbz-Gly-Gly与目标Cu2+络合之后，会导致相邻BEF分子的荧光猝灭，继而引起整个FRET体系荧光发射的变化。将CDs和BEF分别充当比率荧光探针中的信号对比单元和信号报告单元，通过两者荧光强度比值的变化，完成对目标Cu2+的识别与检测。.（3）基于Ag-YS-PMO粒子构建具有MEF效应的Cu2+比率荧光探针。利用来自Ag核的MEF效应来放大荧光信号，借此提高了探针体系的检测准确性和检测稳定性。检测结果显示，基于Ag-YS-PMO粒子的荧光探针的检测灵敏度得到了明显提高，在1×10-7 M的浓度级别都能完成对Cu2+的高效检测，并表现出较好的金属离子检测选择性和较强的抗干扰性。此外，得益于MEF效应，我们可以通过激光共聚焦荧光显微镜成像中的荧光强度比率通道图来表达该荧光探针粒子内部的FRET效率变化情况，即考察环境中Cu2+的含量情况。