乳酸检测新突破，CdTe@CdS量子点比率荧光探针

乳酸作为一种重要的有机代谢产物，在生命科学领域发挥着关键作用，其水平变化与健康和疾病状态密切相关。传统上乳酸被视为无氧代谢的副产物，如今已被确认为能量产生、pH稳态调节和细胞相互作用的重要信号分子。近年来，乳酸在临床诊断、运动医学和食品工业等领域的应用价值日益凸显。作为无氧呼吸和代谢应激的关键标志物，乳酸检测对评估细胞代谢和肌肉活动具有重要意义。然而，现有的乳酸检测方法存在明显局限性：比色法灵敏度低且易受样品颜色干扰；电化学技术易受污染且需频繁校准；色谱-质谱联用技术成本高、操作复杂且耗时。光学检测方法因其高灵敏度、快速响应和成本效益而展现出独特优势。

在光学传感技术中，比率式荧光传感系统通过使用指示染料和参比荧光团的双探针设计，利用内置自校准功能显著提高测量可靠性，能有效减少仪器和操作误差等干扰因素。量子点作为纳米级光致发光材料，具有高量子产率、光稳定性好、光学性能可调和表面功能化等优势，已成为生物传感领域的重要工具。目前基于量子点的H₂O₂传感机制已广泛应用于H⁺离子、重金属、有机化合物和生物分子检测，但专门针对乳酸检测的比率式荧光生物传感器研究仍属空白。现有文献报道的乳酸检测方法存在检测范围有限或实际应用复杂性较高等问题。本研究创新性地将CdTe@CdS核壳量子点的H₂O₂传感特性与乳酸氧化酶的催化活性相结合，通过酶促反应产生的H₂O₂引起量子点荧光猝灭，同时参比染料信号保持稳定，建立了一种新型比率式检测平台。该传感器在0-30 mM的生理相关浓度范围内表现出优异性能，为乳酸代谢研究提供了重要的技术支撑。

研究内容

图1. 基于绿色发光CdTe@CdS量子点的乳酸测定比例h2o2传感器的逐步合成示意图。

通过微波辅助法在水相中合成CdTe@CdS核壳量子点，系统优化了反应温度（100-180°C）和前驱体浓度等参数。实验发现，在120°C反应温度下，量子点发射波长达到518 nm，量子产率提升至19%。核壳结构有效保护了CdTe内核免受氧化环境侵蚀，CdS壳层厚度增长实验显示，反应15分钟时量子产率最高达37%。表征结果证实成功制备了绿色发射（λem=520 nm）和红色发射（λem=610 nm）两种量子点，为构建双光谱传感平台奠定了基础。

图2. 在H2O2浓度增加（0-30 mM）超过120分钟时，绿色发光的CdTe QDs的荧光响应。

裸露的CdTe核在H₂O₂环境中快速分解，2小时内荧光强度显著降低。而核壳量子点表现出优异的稳定性，在96小时内保持稳定的H₂O₂响应能力。猝灭机制分析表明，H₂O₂促使MPA封端剂从量子点表面解离，破坏Cd-S键并引发硫醇氧化，同时通过电子转移过程产生动态猝灭效应。绿色和红色发射量子点均在0-30 mM范围内呈现浓度依赖性猝灭，但红色量子点在20-30 mM出现响应平台期。

图3. 在3天内，随着H2O2浓度的增加（0-30 mM），绿色发光CdTe@CdS QDs的荧光响应。

通过SEM和TEM对功能化二氧化硅微球进行形貌表征，显示乳酸生物传感器平均直径为1.12 μm（±0.03），表面粗糙度表明酶成功固定。ABTS分析法验证了固定化乳酸氧化酶保持生物活性。量子点在微球表面形成明显亮壳层，元素映射证实组分均匀分布。两种传感器变体（SiO₂@RBITC-QDsgreen-LOx和SiO₂@7ACC1-QDsred-LOx）均成功构建，为双模式检测提供了硬件基础。

图4. 比率荧光H2O2微传感器的表征。

在0-30 mM乳酸浓度范围内，绿色量子点传感器呈现指数响应（R²=0.99508），检测限为0.0066 mM；红色量子点传感器检测限为0.0084 mM。加速老化实验表明传感器在5天后仍保持0-10 mM检测能力（R²=0.99887）。选择性测试显示对葡萄糖和柠檬酸的交叉反应性<0.8%。共聚焦显微镜成像验证了比率式检测的可靠性，绿色通道信号随乳酸浓度增加而衰减，红色通道保持稳定。

图5. 比率荧光h2o2微传感器的校准、稳定性和选择性。

将传感器应用于人皮肤角质形成细胞（HaCaT）培养液的乳酸检测，结果显示细胞外乳酸浓度随时间推移显著增加（6h-24h）。检测结果与商用Lactate-GlowTM试剂盒具有良好一致性，证实传感器在复杂生物基质中的适用性。该方法为研究细胞代谢和疾病相关乳酸变化提供了新型工具，在癌症和代谢性疾病研究领域展现出应用潜力。

本研究成功开发了两种比率式荧光生物传感器（SiO₂@RBITC-QDsgreen-LOx和SiO₂@7ACC1-QDsred-LOx），实现了乳酸的高精度定量检测。传感器基于CdTe@CdS量子点的H₂O₂敏感性，通过乳酸氧化酶催化反应将乳酸浓度转化为荧光信号变化，参比染料提供内置校准功能。绿色和红色发射传感器分别达到0.0066 mM和0.0084 mM的检测限，在0-30 mM生理相关范围内呈现优异线性响应。传感器表现出高选择性（交叉反应<0.8%）、良好稳定性（5天保持性能）和生物相容性，成功应用于细胞培养液的乳酸动态监测。该技术首次实现了基于量子点的比率式乳酸光学传感，解决了现有检测方法在灵敏度、稳定性和实用性方面的局限。通过共聚焦显微镜成像验证了传感器的空间分辨能力，为组织水平和单细胞尺度的乳酸代谢研究开辟了新途径。这种模块化设计策略可扩展至其他代谢物检测，为生物医学研究和临床诊断提供了强有力的技术平台。未来通过优化量子点发光性能和酶固定化技术，有望进一步提升传感器性能，推动其在实时监测和精准医疗领域的应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snr.2025.100303