基于壳聚糖功能化Y3?/Eu3?共掺杂钛酸锶纳米磷光体的开启式双链DNA荧光生物传感

《Journal of Molecular Structure》：Turn-on fluorescent biosensing of dsDNA enabled by chitosan-functionalized Y3+/Eu3+ co–doped strontium titanate nanophosphor

　　

**摘要要点：**

- 通过简单、经济的溶胶-凝胶法合成了一种敏感且稳定的壳聚糖功能化Eu3?/Y3?共掺杂SrTiO?荧光介质，用于dsDNA检测。
- Y3?/Eu3?共掺杂产生了由?D?→?F?跃迁主导的强烈且稳定的Eu3?红色发射。
- dsDNA相互作用通过抑制非辐射弛豫来激活"开启式"光致发光（PL），实现快速检测（约10分钟），检测限（LOD）约为68.2 pM。
- 血清样本中可靠的dsDNA定量分析（回收率为100–107%）证实了其在生物医学诊断中的适用性。

**引言**

核苷酸的精确早期检测已成为生物医学诊断、精准医疗、法医科学和环境监测中的关键组成部分。在核苷酸生物标志物中，dsDNA具有重要的意义，因为它编码遗传信息并反映了与癌症、病毒感染、遗传疾病和细胞功能障碍相关的病理变化[1,2,3]。因此，对痕量水平dsDNA的敏感定量对于早期疾病诊断和有效的临床监测至关重要[4,5,6]。尽管聚合酶链式反应（PCR）[7]、Southern印迹、电泳技术和下一代测序[8,9]等传统分析方法具有很高的准确性，但它们往往耗时、成本高昂，且依赖复杂的仪器，这阻碍了其在快速分析和即时检测诊断中的应用[10,11,12]。为了克服这些局限性，基于荧光的生物传感策略凭借其卓越的灵敏度、快速的信号响应、操作的简便性以及实时监测能力，已成为一种强有力的替代方案，引起了广泛关注。荧光生物传感器具有独特的优势，包括样品前处理需求极少、检测限低，以及与微型化和便携式诊断平台的兼容性[10,13]。

此外，稀土离子（REE）掺杂的无机材料因其卓越的光学性能——如尖锐的发射峰、大的斯托克斯位移、较长的发光寿命、抗光降解能力和优异的化学稳定性——而成为生物传感应用中有前途的候选材料[14]。特别是，掺杂稀土离子的氧化物半导体提供了一种理想的荧光传感平台，因为它们兼具结构坚固性和可调控的光学特性[15]。稀土离子的f-f电子跃迁受到外层5s和5p轨道的屏蔽作用，使其发射对局部环境的微小变化极为敏感，这对于生物分子检测极具优势[16]。

此外，钙钛矿型氧化物SrTiO?具有宽带隙和优异的物理化学稳定性，已成为稀土离子掺杂的通用基质材料[14,15,17]。其立方钙钛矿结构允许三价稀土离子取代Sr2?位点，从而实现有效掺杂而不引起显著的晶格畸变[18]。SrTiO?的合成方法包括水热法、溶剂热法、共沉淀法、燃烧法和溶胶-凝胶法。水热法和溶剂热法可在较低温度下合成，但需要较长的反应时间，且可能造成腐蚀。共沉淀法可保证成分均匀性，但可能出现化学计量偏差。燃烧法可实现快速合成，但可能产生有害排放和有毒残留物。溶胶-凝胶合成可实现分子级混合，并良好控制组成、粒径和形貌。此外，SrTiO?还具有低毒性、良好的生物相容性和有利的表面化学性质[16,19,20]。表面羟基和氧空位的存在进一步增强了其与生物分子的相互作用，并促进了吸附和信号转导过程，使其在生物传感和生物医学应用中尤为吸引人。然而，尽管SrTiO?具有优异的内在荧光性能，但由于缺乏活性官能团，其在生物样本的荧光传感中应用较少，但可通过掺杂进一步改善，特别是掺杂Eu3?和Y3?等稀土元素[16,21]。Eu3?和Y3?均表现出显著的荧光特性，其中Eu3?因其多种能级跃迁而尤为突出，这有助于更灵敏有效地检测dsDNA[19,22,23]。

在各种稀土活化剂中，Eu3?因其源自特征性?D?→?F?跃迁的强红色发射而被采用。这些发射对对称性和局域配位环境的变化极为敏感，使Eu3?成为检测生物分子相互作用的理想光学探针[16,24,25]。其他稀土离子如Gd3?、Lu3?、La3?和Sc3?也可改变氧化物基质的性质，但本研究未选用它们，因为我们的传感策略利用了Eu3?的特征红色发射。Y3?被用作非发光共掺杂剂，以修饰SrTiO?中Eu3?的局域环境。因此，Y3?可被视为基质修饰剂而非发光中心。Y3?共掺杂在提高Eu3?激活SrTiO?的光学响应方面起着至关重要的作用[26,27]。由于离子半径和价态相似，Y3?可有效地取代Sr2?位点，导致晶格畸变并形成电荷补偿缺陷（如氧空位）[16,28]。这些缺陷作为敏化中心，促进了高效的能量传递并抑制了非辐射复合过程[16,24]。Y3?/Eu3?共掺杂的协同效应增强了光致发光强度，提高了信号稳定性，并增加了对环境扰动的灵敏度，这些是高性能生物传感器所必需的特征[19,24]。然而，稀土基纳米荧光粉上活性官能团的有限可用性往往导致性能不一致。为了克服这一局限性，必须用合适的活性基团进行表面功能化以增强其功能效率[2,13,29]。在各种功能化剂中，壳聚糖是稀土基纳米荧光粉的优秀选择，因为壳聚糖中存在氨基和羟基官能团，使其特别适用于纳米荧光粉的有效表面修饰[13,24,30,31]。

基于上述 compelling 特性，本研究通过溶液基溶胶-凝胶合成路线制备了基于壳聚糖的Eu3?/Y3?-SrTiO?荧光粉，用于dsDNA的精确、灵敏的光致发光检测。对合成的壳聚糖功能化Eu3?/Y3?-SrTiO?纳米荧光粉进行了系统表征，以评估其结构、形貌和光学性能，随后考察了其生物传感特性。研究发现，壳聚糖功能化Eu3?/Y3?共掺杂SrTiO?纳米荧光粉富含氨基和羟基官能团，与dsDNA的磷酸基团发生静电相互作用，增强了荧光，并作为"开启式"生物传感器发挥作用。

**材料**

本研究中所有化学品均为分析纯，未经进一步纯化直接使用。硝酸锶Sr(NO?)?、六水合硝酸铕Eu(NO?)?·6H?O、六水合硝酸钇Y(NO?)?·6H?O和高纯壳聚糖购自Sigma-Aldrich；四异丙醇氧基钛（TTIP）、乙醇（CH?CH?OH）和冰醋酸（CH?COOH）购自SRL Pvt. India Ltd. 高纯去离子水由中央实验室提供。

**X射线衍射（XRD）**

图3展示了900°C煅烧制备的Y?.????/Eu?-SrTiO?（x = 1–9 mol%）荧光粉的XRD图谱，确认了其相纯度并揭示了晶体学结构。XRD图谱在2θ值约22.41°、32.46°、40.05°、46.55°、52.03°、57.77°、67.94°、72.49°和77.36°处呈现布拉格反射峰，分别对应(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)和(300)反射面，按照标准PDF卡片进行了标号。

**壳聚糖/SrTiO?@3介质的pH敏感性和稳定性特征**

为探索所合成荧光粉适用于生物传感的特性，考察了pH稳定性、响应时间以及对共存分子和离子干扰的敏感性等关键参数。图5(a)展示了壳聚糖功能化SrTiO?@3荧光粉悬浮液的光致发光发射强度随pH的变化。荧光粉悬浮液的pH值通过分别使用HCl和NaOH从酸性（约3）调节至碱性（约9）。如图5(a)所示，

**结论**

综上所述，成功构建了一种基于壳聚糖功能化Y3?/Eu3?共掺杂SrTiO?纳米荧光粉的高灵敏度、高精度、高可靠性荧光生物传感平台，用于dsDNA的定量检测。纳米荧光粉通过溶液基溶胶-凝胶合成路线制备，具有明确的立方钙钛矿结构、高结晶度，并有效掺入了Y3?和Eu3?离子，这已通过综合的结构表征得到证实。

**作者贡献**

所有作者确认对研究概念和设计做出了贡献。数据收集和分析由Satyam Upadhyay完成。论文初稿由Satyam Upadhyay撰写。S. K. Srivastava、Anushka Yadav、Monika Srivastava、Amit Srivastava、Arpita Dwivedi、Akhtar Ali和Rameshwar Nath Chaurasia对论文前几个版本提出了修改意见。所有作者阅读并批准了最终稿件。

**CRediT作者贡献声明**

Satyam Upadhyay：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、数据整理、概念化。Anushka Yadav：可视化、形式化分析。Monika Srivastava：形式化分析。Amit Srivastava：撰写——审阅与编辑、验证。Arpita Dwivedi：形式化分析。Akhtar Ali：验证、形式化分析、概念化。Rameshwar Nath Chaurasia：验证、形式化分析、概念化。S.K. Srivastava：撰写——审阅与编辑。

**利益冲突声明**

作者声明他们不存在已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

S.K. Srivastava和Satyam Upadhyay感谢印度科学和技术部（DST）通过项目（DST/TTI/TDP-29/2024）提供的资金支持。S.K. Srivastava感谢印度瓦拉纳西印度教大学（BHU）中央发现中心（CDC）提供拉曼和场发射扫描电镜（FE-SEM）表征设施的使用权限。S.K. Srivastava感谢信息与工程学院（IoE，BHU）。

**作者列表：** Satyam Upadhyay | Anushka Yadav | Monika Srivastava | Amit Srivastava | Arpita Dwivedi | Akhtar Ali | Rameshwar Nath Chaurasia | S.K. Srivastava