基于上转换纳米粒子的光学葡萄糖传感技术，采用980纳米激光源激发的磷光寿命光谱法

《Sensors and Actuators A: Physical》：Upconversion Nanoparticle-based Optical Glucose Sensing Using Phosphoresce Lifetime Spectroscopy Excited With 980 nm Laser Sources

基于Ba2ErF7核壳结构的上转换纳米颗粒（UCNPs）传感器，通过980nm近红外（NIR）激光激发实现葡萄糖检测。该传感器由氧敏感的下层（PtTFPP-UCNPs掺杂的xerogel）和顶层（GOx固定于水凝胶）组成，检测基于GOx催化葡萄糖氧化导致的氧气消耗，通过磷光寿命斜率变化而非传统端点测量实现快速检测。灵敏度13.4E-12 μs·dL·mg?1·min?1，检测限11±1.45 mg/dL，短期稳定性0.25±0.02%，长期稳定性1.6±0.9%，细胞毒性实验显示94±7%存活率，证实生物相容性优异。

　　

埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）| 阿米尔侯赛因·莫拉迪（Amirhossein Moradi）| 贾瓦德·阿米尔阿赫玛迪（Javad AmirAhmadi）| 穆罕默德·莫埃尼（Mohammad Moeini）| 霍赛因·扎雷-贝赫塔什（Hossein Zare-behtash）| 白贡勋（Gongxun Bai）

伊朗德黑兰卡拉兹米大学（Kharazmi University）物理学院纳米光子传感器与光流体学实验室，邮编15719-14911

摘要

上转换纳米颗粒（UCNPs）由于其近红外（NIR）激发源能够深入组织以及NIR光对光敏组织的损伤极小，因此在开发耐用、非接触式和可植入的光子传感器方面具有巨大潜力。本文报道了一种基于Ba₂ErF₇@Ba₂La₄F₇@Ba₂Yb_0.98F₇Tm_0.02@Ba₂La₄F₇ UCNPs的葡萄糖传感器，该传感器可在980纳米（980 nm）NIR激光激发下工作。该传感器由两层组成：底层为掺杂在干凝胶薄膜中的PtTFPP-UCNPs（氧敏层），顶层为固定在水凝胶基质中的葡萄糖氧化酶（GOx）。氧敏铂（II）四氟苯基卟啉（PtTFPP）复合物的激发通过UCNPs的光致共振能量转移（LRET）实现。葡萄糖的检测基于GOx与葡萄糖反应过程中的氧气消耗，这一过程会改变PtTFPP的磷光寿命。葡萄糖浓度是通过时间依赖的磷光寿命响应的斜率来确定的，而非传统的终点磷光寿命测量方法，从而实现了更快的葡萄糖定量。该方法的斜率与葡萄糖浓度呈线性关系，能够覆盖糖尿病患者生理范围内的葡萄糖浓度，便于检测异常情况。对传感器的光学表征显示：其灵敏度为13.4E-12 μs·dL·mg?1·min?1，检测限（LOD）为1.45 mg/dL，短期和长期稳定性分别为0.25%和1.6%，重复性为1.4%。使用人真皮成纤维细胞（HDFs）进行的体外细胞毒性实验表明，在24小时培养后细胞存活率为94%±7%，证实了该传感器的优异生物相容性。

章节摘要

引言

糖尿病的管理具有挑战性，需要持续监测血糖水平。全球糖尿病患者超过5.37亿，预计到2030年这一数字将上升至6.43亿。[1] 空腹血糖的正常范围是70-100 mg/dL。糖尿病的诊断标准是空腹血糖水平超过125 mg/dL（称为高血糖[2]），或者低于70 mg/dL（称为低血糖）。

材料

四乙基正硅酸盐（TEOS）、分子量为10 kDa的葡萄糖氧化酶（GOx）、97%的三乙氧基辛基硅烷（octyl-triEOS）、磷酸盐缓冲盐水（PBS）片剂、37%的盐酸（HCl）、乙醇（EtOH）、青霉素和四氢呋喃均从Sigma-Aldrich购买；Dulbecco改良Eagle培养基（DMEM）和非必需氨基酸（NEAAs）从Gibco购买；胎牛血清（FBS）和L-谷氨酰胺从GeneX购买。

结果与讨论

图3展示了所提出的基于UCNPs的葡萄糖传感器示意图。该传感器由两层组成：底层为掺杂在TEOS/辛基-triEOS干凝胶中的PtTFPP分子和UCNPs，顶层为固定在TEOS水凝胶中的GOx酶。该传感器可通过可见光（如410 nm）或980 nm的NIR激光束进行激发。在410 nm激发下，PtTFPP分子通过光子吸收直接被激发；而在980 nm激发下，UCNPs发挥关键作用。

结论

通过使用Ba₂ErF₇@Ba₂La₄F₇@Ba₂Yb_0.98F₇Tm_0.02@Ba₂La₄F₇ UCNPs纳米天线，实现了在980 nm激光激发下工作的纳米光子葡萄糖传感器的开发。这种设计利用NIR光进行葡萄糖监测，同时实现了更深的组织穿透深度并减少了光损伤。此外，检测过程依赖于时间依赖的磷光寿命响应的斜率，该斜率与葡萄糖浓度呈线性关系，从而提高了检测精度。

作者贡献

埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）提出了这项研究方案。阿米尔侯赛因·莫拉迪（AmirHossein Moradi）和贾瓦德·阿米尔阿赫玛迪（Javad AmirAhmadi）共同参与了实验、数据绘制和示意图制作。埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）、霍赛因·扎雷-贝赫塔什（Hossein Zare-behtash）、穆罕默德·莫埃尼（Mohammad Moeini）和白贡勋（Gongxun Bai）负责研究监督。埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）设计了实验并分析了数据；白贡勋（Gongxun Bai）合成了UCNPs；所有作者均审阅了最终稿件。

作者贡献声明

阿米尔侯赛因·莫拉迪（Amirhossein Moradi）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证。 贾瓦德·阿米尔阿赫玛迪（Javad AmirAhmadi）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件开发。 白贡勋（Gongxun Bai）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、研究监督、资源协调。 霍赛因·扎雷-贝赫塔什（Hossein Zare-behtash）：撰写 – 审稿与编辑、研究监督、资源管理。 埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突

作者声明没有利益冲突

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

埃斯梅尔·海达里（Esmaeil Heydari）在德国波茨坦大学获得了实验物理学博士学位，并在弗劳恩霍夫应用聚合物研究所（Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research）从事玛丽·居里早期研究项目。随后，他在苏格兰格拉斯哥大学生物医学工程系担任博士后研究助理。目前，他是卡拉兹米大学的光子学助理教授，并在该校建立了纳米光子传感器研究团队。