【MS应用实例】基于生物功能化石墨烯量子点的荧光生物传感器对小细胞肺癌的高效检测

摘要：

癌症生物标志物的定量检测具有更高的准确性和敏感性，为筛查、监测、早期诊断和疾病监测提供了有效的平台。本研究以生物功能化石墨烯量子点为能量供体，金纳米颗粒(AuNPs)为能量受体，制备并应用荧光启动生物传感器，用于小细胞肺癌生物标志物的超灵敏检测。采用一锅法和自下而上热液法合成了胺基氮掺杂石墨烯量子点，并通过不同的分析技术对其进行了实验表征。利用Material Studio软件进行分子模拟研究，优化了合成的胺-N-GQDs可能的化学结构，综合分析了实验结果，验证了潜在的n掺杂和胺功能化位点的存在。然后将单克隆神经元特异性烯醇化酶抗体(anti-NSE)与胺-N-GQDs共价固定，得到生物功能化的GQDs(anti-NSE/胺-N-GQDs)。基于抗NSE/胺-N-GQDs与aunp之间的纳米表面能量转移(NSET)，开发了一种用于神经元特异性烯醇化酶(NSE)检测的无标记高效荧光生物传感器。抗NSE/amine-N-GQDs@AuNPs纳米探针作为NSE抗原的函数进行荧光响应研究，反应时间短(16min)，线性检测范围宽(0.1pgmL-1~1000ngmL-1)，检出限低(0.09pgmL-1)。此外，荧光生物传感器在实际样品中表现出优异的性能，平均回收率为94.69%。

引言：

众所周知，肺癌是最致命的癌症之一，在世界范围内造成大量死亡。它可以分为两大类:小细胞肺癌(SCLC)和非小细胞肺癌(NSCLC)。SCLC以其早期转移和快速加倍时间的倾向而闻名，由于其最初对化疗高度敏感，但不变的复发和获得性化疗耐药而难以治疗。

近年来，基于非辐射能量转移(ET)的荧光传感器在检测生物分子相互作用、测量纳米级信息等临床应用和医学领域引起了广泛的研究兴趣。这些传感器具有各种优点，如快速、可靠和高灵敏度的响应，具有最小的背景噪声，易于操作，高特异性，对简单仪器的要求，以及实时检测的能力。

因此，本文采用一锅自下而上的水热法原位获得了胺基化氮掺杂石墨烯量子点(amine-N-GQDs)。通过分子模拟研究，优化了可能合成的胺-N-GQDs的化学结构。氮掺杂和原位胺功能化已经通过理论和实验表征工具验证。此外，我们报道了生物功能化GQDs(抗NSE/胺N-GQDs)和基于AuNPs的荧光启动生物传感器，用于超灵敏和定量检测NSE。以NSE抗原为函数进行的合成生物传感器的荧光响应研究在标准样品和真实样品中都表现出显著的生物传感参数。

实验细节：

基于anti-NSE/amine-N-GQDs@AuNPs荧光生物传感器的原理如图1所示。

结果与讨论：

利用TEM(图2ac)和XRD分析(图S1)对得到的胺- N-GQDs进行了形态、结构和尺寸分布分析。不同尺度下的TEM图像表明，得到的胺-N-GQDs是非聚集的均匀分布的量子点，平均尺寸为3nm。选定区域电子衍射(SAED)图(图2d)显示了带有亮点的特征衍射图，表明合成的胺-N-GQDs具有良好的结晶度。

通过FTIR来确定N-GQDs和胺-N-GQDs上不同官能团的存在(图3a)。在这两种光谱中，在1115cm-1和1556cm-1附近得到的波段分别属于碳氧拉伸振动和芳香族C=C环拉伸振动。图3b显示了GQDs和胺-N-GQDs的全扫描XPS光谱。可以观察到，在GQDs中只存在碳C1s(~284eV)和氧O1s(~532eV)的峰，而在胺-N-GQDs中存在氮N1s峰(~400eV)以及碳和氧的峰。进一步对c1s高分辨率XPS谱(图3c)进行反卷积，得到4个主峰，其结合能分别为284.71eV、285.70eV、286.96eV和288.49eV，可归因于石墨结构的sp2(C−C/C=C)，以及C−O、C−N和C=O官能团。

胺-N-GQDs的吸收光谱(图4a)在240nm左右出现了一个吸光度带，这可能是由于C=C芳香族sp2原子的π−π*跃迁和多个多芳香族发色团的构建。

图5a显示了抗NSE/amine-N-GQDs@AuNPs纳米复合物对不同NSE抗原浓度(0.1pgmL-1至1000ngmL-1)的PL反应。发现抗NSE/胺-N-GQDs共轭物的荧光强度随NSE抗原浓度的增加呈线性恢复(图5b)，可以用eq5描述：

随着NSE抗原浓度的增加，胺-N-GQDs的荧光没有明显的恢复(图5c)，这表明NSE抗原不与amine-N-GQDs@AuNPs相互作用形成抗原-抗体免疫复合物。因此，在恢复荧光的能量传递过程中不会有任何障碍。接下来，荧光生物传感器的选择性研究(图5d)通过与不同的干扰物质如癌胚抗原(CEA)、内皮素-1(ET-1)、心肌肌钙蛋白- i(cTnI)、氯化钾(KCl)、细胞角蛋白-19片段(CYFRA-211)和已知存在于血清样本中的葡萄糖孵卵胺-N-GQDs@AuNPs纳米复合物进行。之后，为了量化荧光生物传感器在真实样本中的可行性，在健康人的血清中加入6种不同浓度的NSE抗原(7、10、20、30、50和70ngmL−1)，并使用PL测量反应(图5e)。

校准曲线(图5f)显示了PL强度与6个NSE抗原加标血清样品之间的线性关系，并根据eq8拟合：

总结：

本文介绍了荧光生物传感器的制备和应用，利用生物功能化石墨烯量子点作为能量供体和aunp作为受体的NSE检测。自底向上的水热方法得到了均匀、小尺寸(约3nm)的胺-N-GQDs，具有良好的光学特性，即高绝对QY≈76.83%，不依赖激发，呈蓝色，荧光强而稳定，荧光衰减寿命长(13.1ns)。通过分子模拟研究，成功地估计了合成的胺-N-GQDs的结构。理论和实验表征工具验证了氮掺杂和胺功能化的成功。MTT试验结果表明，即使在较高的浓度(1000μgmL-1)下，A549的细胞活力也较高(81.5%)，L-132的细胞活力为84.5%。所选给受体对获得了81.5%的高效猝灭效率和42.9%的能量转移效率。所开发的NSE/anti-NSE/amine-N-GQDs@AuNPs荧光开启生物传感器成功用于NSE生物标志物检测，具有显著的生物传感参数，包括响应时间快(16min)，线性检测范围宽(0.1pgmL-1~1000ngmL-1)，选择性好，检测限低(0.09pgmL-1)。荧光生物传感器在实际样品中也表现出优异的性能，平均回收率为94.69%。这种基于胺-N-GQDs的荧光生物传感器的开发为零维荧光材料在各种生物医学应用中的广泛应用打开了一扇新的窗口，包括生物传感、生物成像、基因传递、药物传递和3D打印可植入生物芯片。