癌症作为严重威胁人类健康的恶性疾病，其早期诊断对提高患者生存率至关重要。β-葡萄糖醛酸苷酶（β-Gcu）作为一种重要的肿瘤标志物，其活性升高与肝癌、结肠癌、肾癌和膀胱癌等多种癌症密切相关。传统检测方法存在操作复杂、需要有机溶剂辅助、水溶性差等局限性，影响了检测的准确性和实用性。

荧光检测法因其高灵敏度、实时检测能力等优势备受关注，然而现有荧光探针大多合成复杂且水溶性不佳。碳点作为一种新型荧光纳米材料，具有良好的水溶性、低生物毒性和可调控的光学特性，在生物医学传感领域展现出巨大潜力。但传统碳点制备方法需要高温高压或微波辐射，能耗较高。本研究创新性地采用室温自聚合策略，成功制备了双功能化荧光碳点，为β-Gcu的检测提供了新的解决方案。

Figure 1  β-环糊精-硅碳点的合成策略及β-葡萄糖苷酶的检测

研究成果

1.创新性碳点制备技术突破传统能耗限制​​

本研究首次实现了在室温条件下通过一步法自聚合制备双功能化荧光碳点。如Figure 1所示，该合成策略以甲基多巴为碳源，单-6-乙二胺-β-环糊精和N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷（DAMO）为功能化试剂，通过迈克尔加成和希夫碱反应成功构建了具有核壳结构的β-CD-SiCDs。材料表征结果显示，制备的β-CD-SiCDs呈现均匀的球形形态，尺寸分布在2.4-6.5nm之间，平均直径为3.9nm。高分辨透射电镜显示清晰的0.21nm晶格条纹，对应于石墨的(100)晶面。傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析证实了材料表面存在丰富的氨基、羟基和硅氧烷等官能团，确保了良好的水分散性和生物相容性。

2. 卓越的光学性能与传感机制解析：

β-CD-SiCDs展现出优异的光学特性，在284nm和337nm处出现特征吸收峰，分别对应于π-π和n-π跃迁。如Figure 2所示，该材料在365nm紫外灯照射下发射明亮的绿色荧光，最大发射波长为515nm，量子产率达到7.9%，显著高于未经过NaBH4处理的样品（2.6%）。传感机制研究表明，对硝基苯酚（PNP）能够通过主客体识别作用进入β-环糊精的疏水空腔，随后通过光诱导电子转移机制有效猝灭β-CD-SiCDs的荧光。荧光寿命测试显示，加入PNP后寿命从5.09ns降至4.55ns，证实了动态猝灭机制。该过程具有高度特异性，结合常数达2.3×10³ M⁻¹，为高选择性检测奠定了理论基础。

Figure 2  （A）β-CD、DAMO、MDA、β-CD-SiCDs的吸收光谱及β-CD-SiCDs的荧光发射光谱。插图分别为日光下（左）和365 nm紫外光下（右）的显色情况。（B）β-CD-SiCDs的荧光映射光谱。（C）β-CD-SiCDs的透射电镜（TEM）谱图。（D）β-CD、DAMO、MDA及β-CD-SiCDs的傅里叶变换红外（FRIR）光谱。（E）β-CD-SiCDs的X射线光电子能谱（XPS）全谱。（F）C 1s、（G）O 1s、（H）N 1s及（I）Si 2p的高分辨率XPS谱图。

3. 高灵敏度检测性能与选择性验证

基于上述传感机制，研究团队建立了β-Gcu的荧光检测方法。如Figure 3所示，β-Gcu特异性水解底物4-硝基苯-β-D-葡萄糖醛酸苷（PNPG）释放PNP，进而猝灭β-CD-SiCDs的荧光强度。在优化条件下（pH=5.0，反应时间25min），检测系统在0.5-60 U L⁻¹范围内呈现良好的线性关系，检测限低至0.14 U L⁻¹。选择性实验结果表明，该方法对β-Gcu具有高度特异性。常见干扰物质如金属离子（Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺）、氨基酸、葡萄糖、抗坏血酸、谷胱甘肽以及其他生物酶等均未产生显著干扰，证实了该方法在实际样品检测中的可靠性。

Figure 3  (A) 含PNP的β-CD-SiCDs的荧光发射光谱。(B) β-CD-SiCDs荧光强度与β-Gcu浓度的关系。(C) 添加PNP前后β-CD-SiCDs的荧光寿命曲线。(D) β-CD-SiCDs的激发光谱(蓝色)、发射光谱(绿色)与PNP吸收光谱对比。

4. 便携式凝胶试剂实现现场快速检测

为解决现场快速检测的需求，研究团队创新性地开发了基于水凝胶的便携式检测试剂盒。如Figure 4所示，将β-CD-SiCDs固载于海藻酸钠水凝胶中，通过钙离子交联形成三维网络结构。该设计不仅提高了试剂的稳定性，还实现了检测过程的可视化。实际操作中，只需将待测溶液加入试管，倒置使溶液与凝胶试剂接触反应，即可通过智能手机采集荧光信号。结合颜色识别软件，将荧光强度转化为RGB数值，实现了β-Gcu的定量检测。该方法在1-60 U L⁻¹范围内呈现良好线性，为现场快速筛查提供了便捷工具。

Figure 4  (A) 基于β-CD-SiCDs纳米探针的主客体识别检测β-Gcu。(B) 传感策略的可行性。(C) 酶促反应孵育时间的优化。(D) 不同浓度下β-CD-SiCDs与β-Gcu的荧光发射光谱。(E) β-CD-SiCDs的荧光强度比(F–F₀)/F₀与β-Gcu浓度的线性关系。(F) β-CD-SiCDs对共存物质及β-Gcu存在的荧光响应。(G) 添加多种辅助因子后系统中β-Gcu存在时的荧光响应。

5. 生物相容性评价与细胞成像应用

细胞实验结果表明，β-CD-SiCDs具有良好的生物相容性。即使浓度高达400μg mL⁻¹，HeLa细胞的存活率仍超过90%。同时，PNPG在1mM浓度下也未表现出明显细胞毒性，确保了探针在生物体内的安全应用。细胞成像研究成功实现了内源性和外源性β-Gcu的荧光检测。随着PNPG浓度增加，细胞绿色荧光信号逐渐减弱，证实了该探针在活细胞中的适用性。这一突破为β-Gcu在生物系统中的功能研究提供了新的技术手段，也为癌症的早期诊断奠定了基础。

本研究成功开发了一种基于双功能化碳点的创新传感平台，在多个方面取得了重要突破。首先，在材料合成方面，室温自聚合策略打破了传统碳点制备的能耗限制，为绿色合成提供了新思路。该方法不仅操作简单、快速，而且避免了高温高压等苛刻条件，符合可持续发展理念。特别值得关注的是，本研究将纳米材料与水凝胶技术相结合，开发的便携式检测试剂盒摆脱了对大型仪器的依赖，为现场快速检测提供了实用化解决方案。智能手机集成平台的使用，使检测结果更加客观准确，显著提升了方法的实用性，特别适用于资源有限地区的癌症筛查。来，该技术平台有望进一步拓展至其他生物标志物的检测，通过调整识别基团实现多重检测功能。同时，材料合成策略的普适性也为其他功能纳米材料的开发提供了有益借鉴。此外，结合人工智能图像分析技术，有望实现更精准的定量检测和自动化分析。这项研究不仅推进了β-Gcu检测技术的发展，也为纳米生物传感领域的研究开辟了新的方向，为精准医疗时代的到来贡献了重要力量。

原文doi：https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341996