综述：纳米颗粒间FRET在生物传感中的应用：光物理特性与尺寸的权衡

这篇综述深入探讨了纳米颗粒（NPs）作为供体和受体在F?rster共振能量转移（FRET）生物传感中的独特优势与挑战，重点分析了量子点（QDs）、上转换纳米颗粒（UCNPs）和荧光有机纳米颗粒（FONs）的光物理特性（如亮度BV、斯托克斯位移Δυ）与尺寸效应对FRET效率（EFRET）的竞争关系，提出了突破传统距离限制（R0 <10 nm）的设计策略。

　　

纳米颗粒间FRET的光物理与尺寸博弈

2 NP FRET in a Nutshell

F?rster共振能量转移（FRET）的核心参数包括供体-受体距离（R_DA）、FRET效率（E_FRET）和F?rster距离（R₀）。对于纳米颗粒系统，供体/受体数量比（m/n）和光谱重叠积分（J）尤为关键。公式E_FRET = nR₀⁶/(nR₀⁶+R_DA⁶)揭示了纳米颗粒尺寸对效率的制约——典型FRET距离（1-10 nm）常被QDs（2-10 nm）、UCNPs（>20 nm）等超越，而表面修饰和生物分子层进一步增加R_DA。

2.1 Photophysics

量子点展现出10⁵-10⁷ M^-1cm^-1的摩尔消光系数和50-80%量子产率，而UCNPs虽具有近红外（NIR）激发优势，但其稀土离子吸收截面（~3 M^-1cm^-1）和低量子产率（<1%）导致亮度（B_V）比QDs低3-4个数量级。FONs通过染料密集堆积实现高效能量迁移，但存在光稳定性差的短板。

3 FRET with Quantum Dots

核壳结构QDs（如CdSe/ZnS）通过ZnS壳层（2-7个单层）实现水溶性，但增大了R_DA。2002年首个QD-QD FRET生物传感器利用2.5 nm/5.0 nm CdTe QDs检测BSA，实现40%效率。2019年CdTe QDs（2.3/3.5 nm）通过聚集效应使2,4-二硝基甲苯检测的E_FRET达75%，但非特异性聚集限制其应用。

4 FRET with Lanthanide Nanoparticles

NaYF₄:Yb³⁺/Er³⁺ UCNPs的980 nm激发可避免QD直接激发。2015年研究显示，17.1 nm UCNP与3.5 nm QD的FRET效率28%，用于Hg²⁺检测（LOD 15 nM）。薄壳层（1.5-3 nm）在保护核心与缩短R_DA间取得平衡，而Er³⁺表面分布使有效供体不足。

5 FRET with Fluorescent Organic Nanoparticles

2015年首例Pdot-Pdot FRET（94 nm）实现DNA检测（LOD 10^-14 M）。2023年染料掺杂PNPs（40/25 nm）通过DNA杂交达成97%效率，反常呈现R_DA^-4距离依赖，可能与多重供体-受体对有关。碳点（Cdots）虽小（~7 nm），但亮度低限制其应用。

6 Inter-Nanoparticle FRET

混合系统展现独特优势：gQD-QD胰岛素传感器（2022）利用450/625 nm发射对实现41% E_FRET，检测限4.5×10^-8 g/L。UCNP-QD的NIR激发与QDs广谱吸收组合，以及FONs的激子迁移能力，为突破尺寸限制提供新思路。

7 Summary and Outlook

当前挑战包括：UCNPs的低亮度、QDs的双重激发、FONs的稳定性。未来方向应聚焦紧凑型NP设计（如<10 nm UCNPs）、有机/无机杂化系统开发，以及利用UCNPs长寿命（μs-ms）和QDs光谱可调性实现时空多重检测。尽管分子FRET仍占主导，纳米颗粒间FRET在NIR传感、深组织成像等特殊场景将不可替代。