近期，陕西师范大学Wei Ren博士和Chenghui Liu教授团队在国际权威杂志Adv. Funct. Mater.上发表“A Versatile Photoinduced Electron Transfer-Based Upconversion Fluorescent Biosensing Platform for the Detection of Disease Biomarkers and Nerve Agent”，DOI：10.1002/adfm.03191
镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（UCNPs）作为生物分析化学中的新一代荧光探针而出现。它们逐步将低能光子转换为高能光子：由近红外泵浦以发射可见荧光，因此它们可以抑制复杂生物介质中的自发荧光，可能允许无背景检测。此外，UCNP还具有其他一些优点，如恒定照射下的光稳定性，智能表面改性后的生物相容性，以及对生物体的低毒性。这些优势使得UCNP有希望用于感测关键生物分子的荧光探针。在大多数均相检测系统中，UCNP的利用通常取决于荧光共振能量转移（FRET）原理，其中UCNP用作能量供体，并且一系列能量受体（包括荧光材料和非荧光材料）被应用。在它们的表面上转换/淬灭上转换荧光。在该过程中，靶分子充当接近或禁止从UCNP到受体的能量转移的桥，导致反映目标浓度的上转换荧光的减少或恢复。FRET系统中能量供体和受体之间的临界距离在10nm以内。然而，与其他种类的纳米颗粒不同，UCNP在每个颗粒中含有数千个三价镧系离子作为发射中心，并且它们中的大部分分布远远超过FRET临界距离，导致低能量转移效率。因此，基于FRET的UCNP探针的信号背景比（SBR）受到限制，从而继续妨碍检测性能。
到目前为止，已经投入了相当大的努力来提高UCNP-FRET测定系统的能量转移效率以获得更好的检测性能。一方面，设计了新型UCNP纳米结构，包括合成小尺寸UCNP以减少从内部发射离子到能量受体的距离，以及制造惰性核/活性壳结构以将发射体离子限制在薄壳层中靠近水面。然而，两种UCNP的合成需要繁琐的工作和严格的操作技能。同时，小尺寸UCNP包含较少的发射体离子，并且惰性核/活性壳UCNP仅在薄壳层中包含发射体离子，导致相对弱的荧光强度，这将潜在地降低动态检测范围。另一方面，新的纳米材料被选为UCNP-FRET系统中的有效能量受体，例如氧化石墨烯和碳纳米颗粒。虽然采用这些材料可以获得更高的UCNP荧光猝灭效率，但这些受体纳米材料的相对大尺寸会引入空间位阻，妨碍检测性能以及传感设计的灵活性。此外，UCNP /纳米材料组合通常需要其他种类的分子作为接头（DNA等），这给设计检测系统带来了困难。因此，改善UCNP性能的最有希望的方向之一是寻求小分子作为有效的能量受体。O-醌由儿茶酚的氧化产生，在该过程中酚羟基（PhOH）基团被转化为酚羰基化合物。据报道，邻醌及其衍生物经历氧化还原循环，其中荧光纳米材料的激发态电子转移到邻醌分子的未占据分子轨道，以允许光诱导电子转移（PET），产生荧光淬火。
因此，陕西师范大学Wei Ren博士和Chenghui Liu教授团队假设邻醌衍生物可用作制造UCNP-PET平台的能量受体，以克服UCNP-FRET系统的低能量转移效率，以及UCNP /纳米材料组合的复杂设计。在该工作中，设计了一系列实验来系统地研究从UCNP到邻醌衍生物的能量转移机制。发现邻醌是通过PET淬灭UCNP荧光的最有效的小分子之一，其中UCNP的能量通过光致电子转移（PET）机制转移到其表面上的邻醌。在该体系中，UCNPs荧光的猝灭效率可高达94.73％，提供高信噪比。基于这一发现，建立了UNCP-PET传感平台，系统地证实了基于PET的设计的性能，并且证明了疾病生物标志物（酪氨酸酶和碱性磷酸酶）的高灵敏度检测和感知神经毒剂沙林的模拟物。
这项工作提出了一个多功能的UCNP-PET测定平台，通过展示疾病生物标志物以及神经毒剂模拟物的高灵敏度检测。与传统的低淬火效率的UCNP-FRET系统不同，PET机制将能量转移效率提高到94.73％的高水平，实现了高信噪比和灵敏度的优异性能。此外，在该平台中使用邻醌小分子作为能量受体，使得能够灵活地设计用于感测各种分子的测定系统。这项工作提供了一种新的基于UCNP的传感机制，该机制在检测人类疾病早期诊断的关键生物标志物方面具有巨大潜力。
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《Adv. Funct. Mater.》用于检测疾病生物标志物和神经毒剂的通用光诱导电子转移上转换荧光生物传感平台
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