基于碳点的比率荧光葡萄糖生物传感器的开发与应用研究

作者及发表信息
本研究的通讯作者为韩国庆北国立大学（Kyungpook National University）应用化学工程学院高分子科学与工程系的Soo-Young Park教授，第一作者为Moon-Jin Cho。研究成果发表于《Sensors and Actuators B: Chemical》期刊2019年第282卷，页码719-729，于2018年11月12日在线发布。

学术背景
葡萄糖水平是人体健康的重要指标，尤其对糖尿病患者需频繁监测。传统电化学生物传感器虽广泛应用，但存在信号漂移、设备复杂等问题。荧光传感技术因高灵敏度、非侵入性等优势成为新兴研究方向。碳点（Carbon Dots, CDs）作为荧光材料，具有低毒性、生物相容性等特性，但此前尚未见基于CDs的比率荧光（ratiometric fluorescence）葡萄糖传感器的报道。本研究旨在开发一种基于CDs和罗丹明6G（Rhodamine 6G, Rh6G）的比率荧光生物传感器，通过双酶（葡萄糖氧化酶Gox和辣根过氧化物酶HRP）反应实现葡萄糖的裸眼检测，并探索其在水溶液和固态薄膜中的应用。

研究流程与方法
1. 碳点（CDs）与功能化碳点（a-CDs）的合成
- 方法：以柠檬酸（Citric Acid, CA）和乙二胺（Ethylene Diamine, EDA）为原料，通过溶剂热法（160°C，5小时）制备CDs，透析纯化后通过甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）反应引入丙烯酸基团（a-CDs），用于后续固相薄膜的共价固定。
- 表征：通过紫外-可见光谱（UV-Vis）、光致发光光谱（PL）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证CDs的光学特性及丙烯酸基团修饰成功（FT-IR中1628 cm⁻¹处出现C=C伸缩振动峰）。

1. 水溶液生物传感器的构建与优化

   • 体系设计：将CDs与Rh6G（比率荧光对）、Gox/HRP（3:1摩尔比）混合，通过Gox催化葡萄糖生成H₂O₂，HRP进一步将其转化为·OH自由基，选择性猝灭CDs的蓝色荧光（440 nm），而Rh6G的绿色荧光（550 nm）保持不变，实现颜色从蓝到绿的比率变化。
     
   • 参数优化：
     
     • 酶比例：Gox/HRP=3:1时猝灭效率（QF=（F₀−F)/F₀）达78%。
       
     • CDs浓度：0.174 mg/mL时兼顾高信号强度与灵敏度。
       
     • Rh6G浓度：0.04 mg/mL时颜色变化显著（I₅₅₀/I₄₅₀比值线性增加）。
       

2. 固态生物传感器薄膜的制备

   • 基质选择：以聚丙烯酸（PAA）与二丙烯酸聚乙二醇（diacrylated PEG, daPEG）交联形成水凝胶薄膜（70:30 w/w），通过UV固化将a-CDs、Rh6G及Gox/HRP共价固定。
     
   • 酶固定验证：EDC/NHS活化羧基后，紫外光谱证实酶未泄漏（水浸泡6小时后无特征吸收峰）。
     

3. 性能测试与验证

   • 灵敏度：水溶液和薄膜的线性范围分别为0.1–500 μM（LOD 0.04 μM）和0.5–500 μM（LOD 0.08 μM）。
     
   • 选择性：对胆固醇、抗坏血酸（AA）、乳糖等血液成分无响应，仅对葡萄糖特异。
     
   • 实际样本测试：稀释人血清中加标回收率104.8–120.8%，与HPLC结果一致。
     

主要结果与逻辑关联
1. 光学特性验证：CDs（440 nm）与Rh6G（550 nm）荧光峰分离良好，双酶反应仅猝灭CDs荧光，证实比率检测可行性（图1）。
2. 动态范围拓展：通过优化Rh6G浓度，实现I₅₅₀/I₄₅₀比值与葡萄糖浓度的线性关系（图3），避免单色荧光强度变化的视觉误差。
3. 固态薄膜稳定性：薄膜在干燥状态下可长期保存，且重复使用时无酶泄漏（图6），解决了水溶液体系中CDs聚集和酶失活问题。

结论与价值
1. 科学价值：首次将CDs与比率荧光结合用于葡萄糖检测，揭示了·OH自由基对CDs的选择性猝灭机制，为新型生物传感器设计提供理论依据。
2. 应用价值：
- 便携性：固态薄膜无需预反应即可使用，适合即时检测（Point-of-Care Testing, POCT）。
- 可视化检测：颜色变化可通过裸眼识别，降低设备依赖。

研究亮点
1. 创新方法：开发了CDs/Rh6G双荧光体系，通过双酶级联反应实现比率信号输出。
2. 多形态适配：兼具水溶液（高灵敏度）和固态薄膜（高稳定性）两种形式，拓宽应用场景。
3. 实际应用验证：成功用于人血清检测，回收率与标准方法吻合，具备临床转化潜力。

其他价值
本研究为CDs在生物传感领域的应用提供了新思路，未来可扩展至其他代谢物（如乳酸、尿酸）的比率检测。