《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：The water-soluble red CsPbI
3 perovskite quantum dot "on-off-on" fluorescence sensor for the detection of Cu2+ and D-penicillamine
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本研究成功构建了一种基于CsPbI3的水溶性量子点荧光探针，通过Cu2+诱导的荧光淬灭（OFF状态）和D-PA触发的荧光恢复（ON状态）实现"on-off-on"检测机制，建立了双目标检测平台，对Cu2+检测限0.21 μM，D-PA检测限16.7 nM，并证实其优异的稳定性和血清检测应用价值。
Mengjiao Pang|Yanjie Wang|Zengcheng Du|Qiqing Chen|Wenhao Liu|Miaoduo Deng|Yuanyuan Xie|Mingfang Zhu
广东药科大学药学院，广州高等教育 Mega Center，广州 510006，中国
摘要
在本研究中，我们成功制备了一种基于CsPbI?的水溶性钙钛矿量子点（PQDs）“开-关-开”荧光探针。该探针在465 nm激发下可发出660 nm的红色荧光，并实现了Cu2?诱导的荧光淬灭（关闭状态）和D-青霉胺（D-PA）触发的荧光恢复（开启状态）响应机制。此外，还建立了一种同时检测铜离子（Cu2?）和D-PA的双目标检测平台。定量分析表明，Cu2?的检测线性范围为0.5–15 μM（LOD = 0.21 μM），D-PA的检测线性范围为0.4–60 μM（LOD = 16.7 nM）。同时，还可以通过溶液颜色的变化对D-PA进行半定量检测。这种荧光探针具有快速响应时间、高灵敏度，适用于Cu2?和D-PA的实时检测，并已在血清样本中成功应用于D-PA的测定，取得了满意的结果。值得注意的是，合成的钙钛矿量子点在水环境中表现出优异的稳定性，为扩展钙钛矿材料在生物医学分析领域的应用提供了新策略。
引言
D-青霉胺（D-PA）是一种含硫氨基酸，来源于青霉素的代谢过程。作为一种有效的金属离子螯合剂，D-PA主要用于重金属中毒的解毒、原发性胆汁性肝硬化、类风湿性关节炎、某些自身免疫性疾病和威尔逊病（WD）的治疗[1]。威尔逊病是一种常染色体隐性遗传病，由ATP7B基因突变引起，导致肝细胞中的铜转运ATP酶功能受损，从而影响铜在胆汁中的排泄并阻碍铜蓝蛋白的合成，导致体内铜的积累[2]。过量的铜会引发氧化应激，损害组织，并表现出多种临床症状，包括肝病、神经精神症状以及特征性的凯泽-弗莱舍尔环（Kayser-Fleischer ring）[3]。威尔逊病的治疗重点是通过使用铜螯合剂来降低血清中的铜浓度并增加尿铜排泄。尽管D-PA在治疗威尔逊病方面有效且成本低廉，但许多患者无法耐受其不良反应。因此，该疾病的治疗面临诸多挑战，包括缺乏评估螯合效果的黄金标准、药物疗法优化困难以及部分患者（尤其是具有特定肝表型的患者）预后较差[4]。因此，直接监测D-PA及其代谢物的水平具有重要的临床需求。
目前，检测D-PA的主要方法包括比色法[5]、高效液相色谱法（HPLC）[6]、电化学方法[7]和电化学发光[8]。然而，现有的分析方法往往受到昂贵仪器、复杂操作过程、灵敏度不足和检测时间长的限制，难以满足高效、灵敏和快速检测的要求，因此无法广泛使用。因此，开发操作简便、选择性高和灵敏度高的新检测技术具有重要的应用价值。荧光分析因其操作简单、响应迅速和成本效益高而被广泛用于定量分析。其中，选择合适的荧光探针材料是构建高效准确传感器的关键前提。
钙钛矿量子点（PQDs）作为荧光探针在传感分析领域展现出广阔的应用前景，这主要归功于其独特的光学性质，如可调的发射光谱、高荧光量子产率（PLQY）、窄光谱宽度和高颜色纯度，这些特性使得它们能够实现高灵敏度的检测[9]、[10]、[11]。此外，通过调节卤素组成，PQDs可以在不同波长下发光，使其成为同时检测多种成分的理想平台[12]。然而，PQDs在水介质中的分散性和稳定性通常较差，这大大限制了它们的实际应用。为了解决这些问题，研究人员开发了多种改性策略，包括配体交换（主要是提高亲水性和环境耐受性[13]、二氧化硅包覆[14]、聚合物封装[15]、[16]等表面工程技术。例如，Qin等人采用TEOS合成了一种硅包覆的CsPbBr?PQDs，SiO?包覆层有效隔离了PQDs与水和氧气，合成的CsPbBr?@SiO?可以在水中储存超过2个月，并且在水溶液中具有优异的分散性[17]。Sheng等人提出了一种简单的表面钝化策略，使用5-溴戊酸（BVA）和芳基胺（OLA）代替传统的CsPbX?PQDs合成方法中的油酸（OAm）和OLA，直接在水中共价合成了具有高水稳定性的CsPbBr?PQDs。所得到的CsPbBr?PQDs不仅尺寸小于10 nm，而且量子产率超过80%[18]。
开关型荧光检测是一种荧光传感方法。传统的“开-关”荧光传感策略由于其操作简便、响应迅速和成本低廉，被广泛用于金属离子和有机化合物的检测。其原理通常依赖于分析物直接淬灭纳米材料的背景荧光，并通过降低荧光强度来进行定量。然而，这类传感器容易受到环境干扰，选择性较低。背景基质中的类似物质可能导致非特异性淬灭，从而降低痕量分析的准确性。同时，对于与纳米材料结合力弱的靶标也难以有效检测[19]。为了克服这些限制，研究人员开发了“开-关-开”传感模式。这种模式具有高度选择性，显著减少了共存物质的干扰，并支持同时检测淬灭剂和分析物，从而实现多目标的并行分析[20]。基于“开-关-开”荧光响应机制，整个过程可分为两个阶段：首先是荧光淬灭（“开-关”），然后是荧光恢复（“开-开”）。淬灭过程通常利用光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）、内部过滤效应（IFE）和聚集诱导淬灭（ACQ）等机制将探针的荧光降低到最低“关闭”状态。分析物加入后，其竞争性结合会逆转原有的淬灭过程，使荧光信号恢复（“开启”状态）。恢复的荧光强度与分析物含量之间存在定量关系，从而实现定量检测。与单一“开-关”型传感器相比，这种具有双重信号转换功能的传感器显著提高了抗干扰能力和检测选择性，尤其适用于复杂基质中痕量目标的高精度分析[21]。2025年，Wang等人合成了叶酸修饰的氮掺杂碳量子点（N-FA-CQDs），并将其作为高灵敏度的“开-关”荧光探针用于银离子（Ag?）和谷胱甘肽（GSH）的检测。这种基于N-FA-CQDs的“开-关-开”传感策略为Ag?和GSH的荧光分析提供了一种新的方法，具有双响应能力和优异的灵敏度和选择性[22]。Wang团队还开发了一种简单新颖的基于荧光肽的“开-关-开”探针NGGH，可用于完全水介质中Cu2?和草甘膦的连续检测，显示出良好的实用性和可靠性[23]。
在这项工作中，我们采用阴离子和阳离子交换及相转移策略制备了具有660 nm红色荧光的高亮度CsPbI?钙钛矿量子点。Cu2?可通过光诱导电子转移（PET）机制有效淬灭量子点的荧光，而D-PA可以与Cu2?螯合，从而逆转淬灭效应并恢复荧光。基于这种“开-关-开”响应机制，实现了Cu2?和D-PA的连续检测，检测限分别为0.21 μM和16.7 nM。同时，通过阳光和紫外光下溶液颜色的变化，可以半定量地确定Cu2?和D-PA的含量。该传感器具有操作简便、选择性高、灵敏度高、稳定性好和环境适应性强的优点。据我们所知，目前尚无文献报道使用CsPbI?作为荧光探针通过“开-关-开”策略检测Cu2?和D-PA的方法。CsPbI?PQDs的合成及其对Cu2?和D-PA的荧光响应过程如图1所示。
材料与仪器
Cs?CO?（99.0%）、PbBr?（99.0%）、N-三氟乙酰-L-赖氨酸（Tfa-Lys 97.0%）、氢溴酸（HBr AR，40%）、碘化钾（KI 99.0%）、油胺（OAm C18:80-90%）和N-二甲基甲酰胺（DMF）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。D-青霉胺（D-PA 99.9%）来自广州Zeta生物技术有限公司。其他所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。实验用水为双蒸水。
表征与光学性质
扫描电子显微镜（SEM）用于表征CsPbI?PQDs的形态和微观结构。如图1a所示，样品表面不均匀，具有复杂的纹理和不规则的突起，呈现粗糙且聚集的状态。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）显示样品呈分散状态，颗粒近似球形且单分散（图1b），平均粒径约为2.5 nm（图1b，左下角插图）。此外，样品中还存在晶格条纹。
结论
总结来说，我们通过阴离子和阳离子交换反应及相转移方法成功制备了一种新型荧光探针，该探针基于水溶性CsPbI?PQDs，发射峰为660 nm，并具有显著的红色荧光。该探针利用Cu2?诱导的荧光淬灭（“关闭”状态）和D-PA触发的荧光恢复（“开启”状态），构建了一个灵敏的“开-关-开”荧光切换传感平台。该探针在分析性能上表现出优异的表现。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
作者衷心感谢广东省科学技术计划（2014A040401086）的财政支持。
