曾海波/张兆威Matter：超窄钙钛矿荧光探针，让免疫检测更少干扰！

第一作者：董宇辉、唐晓倩

通讯作者：曾海波、张兆威

通讯单位：南京理工大学、中国农业科学院油料作物研究所

研究亮点：

1. 钙钛矿纳米晶的水分散性能和稳定性显著提高。

2. 纳米晶在水中的分散度可达3.4mg/mL，粉末可稳定放置一年以上。

3. 钙钛矿基荧光探针具有极窄的半峰宽（~18 nm）。

4. 构建了基于钙钛矿纳米晶的荧光免疫检测方法，并成功展示了竞争法和夹心法的应用实例。

多目标检测困难重重

定量荧光免疫检测一直是一种快速有效的检测方法，覆盖食品安全、临床医疗、环境检测等多个领域。然而，面对当前多目标检测的应用需求，传统的标记荧光材料，诸如荧光素、经典量子点材料，因其较宽的发光峰仍然不能满足要求，亟需开发新型荧光标记材料。

近年来，钙钛矿在光电子器件中的应用引起了广泛的关注，其优异的光学性质和高纯度、高量子产率在多目标检测中有极大潜能。可惜的是，尚未能应用于免疫检测。如何解决它们的疏水特性，并将它们附着在抗体上以获得探针，成为走向实际应用的发展瓶颈。

成果简介

基于以上背景，南京理工大学曾海波教授团队联合中国农业科学院油料作物研究所张兆威副教授团队，开发了具有高量子产量和窄发射的水分散钙钛矿纳米晶体(Pe-NCs)。此外，还成功构建了以Pe-NCs为标签的定量免疫分析方法，在食品安全和临床领域均有应用。且该荧光探针保持了Pe-NC优异的光学性能，有望成为未来多目标检测的候选材料。

要点1：可水分散钙钛矿纳米晶设计思路

在该工作中，作者借鉴自然界矿化的概念，充分利用了原材料与反应环境中的水分子，并借助于机械化学法中的高能量，设计了一步法制备表面功能化的钙钛矿纳米晶。长链油胺对CsPbBr₃单体进行吸附包裹，空气中的水分子提供了亲水特性的羟基，在潮湿的环境中发生了类似吸附-桥联的过程，形成“水包油”的结构。有效阻碍了外界水溶液对内部钙钛矿的破坏，实现可水分散的钙钛矿纳米晶。

图1. 水分散钙钛矿纳米晶的制备示意图。

要点2：水分散钙钛矿纳米晶表征及成因验证

由图2可知，依据设计思路制备的纳米晶取得了成功，其水分散液澄清透明，最大浓度为3.4 mg/mL，具有较强、极窄（~18 nm）的发光峰。纳米晶尺寸分布集中在45-70 nm，具有良好的结晶性。此外，粉末样品在空气中放置超过一年，其XRD谱图几乎不变，显示出色的稳定性。

结合红外光谱、XPS谱图、H谱等多角度表征手段，可知CsBr在反应中吸附空气中的水分子呈现出酸性环境，油胺被质子化后连接在CsPbBr₃颗粒上，形成保护，而来源于水中的羟基则弱连接于油胺的碳碳双键，在潮湿环境中，多个单体桥联成较大的纳米晶颗粒，并形成了长链油胺保护、羟基游离在外的水包油结构，正如示意图1设想所示。

图2. 水分散钙钛矿纳米晶的形貌表征。

图3. 钙钛矿纳米晶的水分散原因剖析。

要点3：钙钛矿纳米晶荧光免疫检测方法的建立

基于可水分散的钙钛矿纳米晶，作者构建了一种可定量的荧光免疫检测方法（PFLISA），并针对不同尺寸被检物成功展示了竞争法和夹心法，其测试机理如图4所示。

图4. 基于钙钛矿纳米晶的荧光免疫检测（PFLISA）机理图。

要点4：静电吸附构筑窄发光荧光探针

欲实现免疫检测，关键在于荧光探针的成功构筑。作者基于静电吸附原理，将表面带正电的钙钛矿纳米晶与带负电的蛋白抗体相偶联，成功实现了较为普适的探针构筑方法。通过电位变化监测、元素能谱分析以及直观的透射电镜，均验证了探针的成功构筑。该探针很好地保持了钙钛矿纳米晶的超窄、高亮的发光优势，与已有的一、二代荧光标记材料相比具有突出优势，检测信号识别干扰小，为将来多目标检测奠定了基础。

 图5. 荧光免疫探针的构筑及表征。

要点5：建立基于钙钛矿纳米晶的免疫检测标准曲线

在成功构筑相应的荧光探针后，针对较小尺度的黄曲霉素AFM₁和较大的癌胚抗原CEA，作者分别建立了被检物浓度与荧光亮度变化的标准曲线，如图6所示。其检测限分别为0.02 ng/mL和0.482 ng/mL，且采用真实样本得到的回收率均超过60%，可满足基本的检测需求，展示了钙钛矿纳米晶在免疫分析领域的应用前景。

图6. 针对AFM₁和CEA的定量PFLISA数据。

小结

综上所述，作者通过对钙钛矿的表面功能化，对其稳定性及分散性实现了大幅提升，并成功构建了基于钙钛矿纳米晶的荧光免疫检测方法，实现了钙钛矿材料在免疫分析领域的应用突破。作者相信，这种超窄发光的新型荧光标记材料——钙钛矿纳米晶与PFLISA方法的构建，对免疫分析领域的发展具有重要的推动作用。

参考文献：

Yuhui, Dong, et al. Perovskite nanocrystal fluorescence-linked immunosorbent assay methodology for sensitive point-of-care biologic test. Matter (2020).

DOI: 10.1016/j.matt.2020.05.004

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023852030237X