熒光可視化紙基傳感器設計及應用研究進展

蔣長龍，楊 帆

（中國科學院合肥物質科學研究院，安徽 合肥 230031）

0 引言

隨著經濟的快速發展，世界環境問題日益突出，在臨床診斷、環境監測、食品/藥品質量控制、社會安全篩查等方面，化學/生物傳感器的作用越來越大[1]。與傳統分析儀器相比較，生物傳感器具有簡便快捷、成本價格低、可操作性強等優點，生物傳感器同時也可以進行小型化設計，利用小型化傳感器可以在不需對樣品進行復雜的預處理的情況下，實現對目標分析物的實時、快速、簡便、準確的檢測。特別是紙質傳感器，以最經濟的方式通過簡單地制造將感官元素附著到試紙基材之中，并可以僅通過用肉眼觀察即可進行許多不同的測定。紙質傳感器具有重量輕、成本低、產量大等優點，是實現快速、簡便、準確檢測的最有希望的候選產品[2-3]。

現代化學之父羅伯特·博伊爾在17世紀發明了第一種紙質傳感器——石蕊試紙，用作酸堿指示劑。隨后，Martin和Synge[4]在1941年發現了紙色譜法分離化學物質，并由此在1952年獲得諾貝爾獎[5]。妊娠試紙于1968年由Crane[6]發明，這是第一個通過尿液的橫向流動檢測是否懷孕的試紙。近年來，哈佛大學Mazzeo等[7]將微流體通道與紙基傳感器結合起來，采用比色法、電化學法、化學發光法進行生物測定。以上的每一項進步都代表著分析方法革命的一大步，但是基于紙張的分析方法到目前為止還沒有得到廣泛應用。

為了增大紙質傳感器的適用領域和定量能力，需要更加新穎的設計理念。光學活性納米材料的出現為紙質傳感器的發展提供新的思路，有助于紙質傳感器尺寸的改變，提高傳感器的響應時間、靈敏度、選擇性以及對目標分析物的感測范圍。熒光納米材料具有獨特的光學特性，例如：發射帶窄，激發波長寬，熒光色可調，發光穩定性高等和良好的表面柔韌性。其中，量子點（QDs），碳點（CD），氧化石墨烯（GOs）和上轉換納米晶體等可以應用于可視化比色傳感器。這些熒光納米材料將成為用于視覺檢測的熒光試紙的基礎，通過合理的設計具有很好的光譜靈敏度和色度響應。在此，我們介紹了本團隊在新型的納米熒光紙質傳感器方面的研究進展，以及所開發的熒光紙質傳感器在環境監測、爆炸物篩選、食品安全和生物分析等不同領域的可視化應用。我們首先簡要地介紹了各種熒光比色策略在定性/定量分析中的優缺點。隨后，根據不同的檢測策略設計不同的熒光納米探針，總結我們在試紙制備方面的創新，展現新型熒光試紙在現場、實時檢測爆炸物、生物分子、水體質量和重金屬污染等方面的能力。最后，我們討論了當前存在的挑戰，并對未來進行了展望。

1 納米探針的視覺/比色策略

一般來說，以有機染料為探針的熒光分析仍然需要借助熒光儀器，如精細光譜儀，通過光譜強度和/或位移來獲得定性/定量信息。而熒光傳感器具有高量子產率和抗光漂白能力，熒光材料具有一個很好的優點，即在簡單的紫外線燈下用肉眼進行視覺檢測。在此，首先討論熒光納米探針的視覺/比色檢測的傳感策略（如圖1所示）。1）單色熒光策略。用于通過熒光“開啟”或“關閉”機制進行檢測的單色探針，該探針只引起熒光強度改變（圖1a））。通常人眼很難區分強度變化＜15%的顏色，因此從理論上講，人類可以辨別最多7種不同熒光強度的分析物。此外，亮度變化容易受實際樣品測定中的熒光和激發條件等背景的影響。因此，單個探針僅適用于是/否的定性分析，無法實現定量測定，尤其是痕量目標物的定量測定。2）均勻混合雙色熒光策略。根據原色和混色原理，兩種不同顏色的探針的均勻混合可以提供視覺效果顏色變化和強度變化的響應。在這過程中，其中一種探針作為內標保留了穩定的熒光，而另一個探針與分析物引起熒光變化。圖1b）說明了將兩種不同顏色混合在一起的3種典型情況探針來自3種原色（紅色，綠色和藍色）[8]。但復合中間色的形成極大地壓縮了顏色變化，因此它們在比色分析中的定量能力被限制在較小的范圍內。3）非等比混合雙色熒光策略。最近，我們展示了一種新穎的熒光策略，通過兩種不同顏色的探針不均勻混合獲得熒光強度來創建可視化/比色定量分析物在較寬范圍內的一系列連續的顏色變化。圖1c）給出了一個示例將紅色和青色探針以5∶1的熒光比例混合強度[8]，其中紅色是感應探針，而青色是是內標探針。混合系統仍顯示紅色以避免形成中間復合材料顏色。如果紅色探針的熒光逐漸通過添加劑量增加的分析物而發生淬滅，從而創建了從紅色到青色的一系列顏色演變，這是如箭頭中的白色箭頭所示，由眼睛清晰可見。感應的熒光探針幾乎需要完全淬滅，而內標探針的熒光是高度穩定的，并且不穩定受分析物添加的影響。4）一個單一的復合雙色熒光策略。當兩種不同顏色的探針混合在一起導致沉淀和光學不穩定性時，可以設計一個單一的雙發射納米探針來消除不穩定性，從而達到理想的視覺效果（圖1d））[9]。

2 納米熒光探針的設計

圖1 熒光視覺/比色測定的4種典型策略：a）對分析物有“關閉”或“打開”響應的單色納米探針；b）等量混合雙色納米探針，然后通過分析物對一個探針進行熒光淬滅[8]；c）不均勻混合雙色納米探針，然后用分析物淬滅一個探針[8]；d）單個復合雙色納米探針，然后通過分析物淬滅一個發射[9]Fig.1 Four typical strategies for fluorescent visual/colorimetric assays：a）Single-colored nanoprobes with“turn off”or“turn on”response to an analyte；b）Equal mixing of dual-colored nanoprobes，followed by fluorescence quenching of one probe by analyte[8]；c）unequal mixing of dual-colored nanoprobes，followed by quenching of one probe by analyte[8]；d）a single composite dual-colored nanoprobe，followed by quenching of one emission by analyte[9].

納米熒光探針以納米熒光材料作為載體，納米探針具有合成方法簡便、成本較低、檢測快速、無需復雜前處理過程以及靈敏度高等特點[10]。伴隨著納米技術的迅速發展，各種各樣的組成、尺寸、大小、維度及形狀的納米材料被可控地修飾上不同的分子或基團，用于發展特殊性質的納米探針，并通過將納米探針的識別單元與待測物質結合過程轉變為產生的光學、電化學、Roman等信號的變化來進行檢測。由于納米熒光材料對其表面狀態的敏感性，許多化學修飾都能極大地影響其輻射重組效率，導致熒光打開（開啟）或熒光淬滅（關閉）。一般來說，這些變化僅僅是由于納米熒光探針與分析物直接相互作用而發生的，可以用于敏感和選擇性的檢測標準。根據熒光狀態的變化，納米探針可以被分為3大類：“淬滅”、“打開”和“比率”。在這里，描述了用于構建熒光納米探針的幾種材料以及本團隊進行的幾種類型納米探針的設計。

2.1 用于構建納米探針的熒光納米材料

納米熒光材料的選取對構建納米探針非常重要。制備納米探針的納米材料應具有高熒光亮度、寬激發范圍、可調諧發射、表面改性的柔韌性和高耐光漂白性能。在我們的研究中，最具有代表性的熒光納米材料主要包括：量子點、發光碳納米材料、氧化石墨烯及上轉換材料等[11]。

量子點的高量子產率、大消光系數、寬吸收、尺寸/合成可調發射和大斯托克斯位移使得量子點在化學傳感領域的應用備受關注（圖2a））。發光碳納米材料具有低毒、超強水溶性、表面修飾基團的豐富性以及強酸強堿不影響其熒光性質的化學惰性和環境友好性等特征[12]（圖2 b））。氧化石墨烯的π-π共軛平面具有大量的酚羥基，環氧樹脂和羧基團體，可經由各種與含氧官能團的反應而改善本身性質（圖2 c））。此外，我們以NaGdF4為基質材料，通過外延生長的方法，設計和制備了一種新型的上轉換熒光發光材料（如圖2 d））（NaGdF4：Yb/Tm/Er@NaGdF4：Eu@NaYF4），成功地將具有紅、綠、藍三色發射的稀土元素組合到單個納米粒子上，并且對3種元素的濃度進行有效的調控，這種優化的單組分結構可以克服三色發光之間的相互干擾，使得該納米粒子在近紅外激光激發下，產生明亮的全光譜上轉換白色發光[13]。

納米材料具有特殊的微觀尺寸，可展現出介觀、宏觀物質所不具備的獨特物理化學性能[14]。目前，關于功能納米材料的應用，主要通過具有不同敏感功能的納米材料的獨特的光學性質來設計新的器件，實現現場、快速、低成本和便攜式檢測。根據熒光納米材料特有的特殊性質，通過對納米材料的表面修飾、納米結構的有序組裝，再利用納米材料與分析物之間的特異的敏感機制，基于光、電、磁、熱、聲、力以及它們的組合，對待測污染物進行檢測和跟蹤。通過上述方法，可以建立可靠、食用的分析檢測優控污染物的納米傳感分析方法，以及構建針對環境基質中優控污染物的快速檢測平臺。

圖2 4種熒光納米材料：a）量子點（碲化鎘）；b）量子點；c）氧化石墨烯；d）上轉換發光納米晶（NaGdF4：鐿，銩，鉺）具有可調發光顏色，只需調整激光功率密度[11]Fig.2 Representative fluorescent nanomaterials for the construction of nanoprobes：a）Quantum dots（CdTe）；b）carbon dots；c）graphene oxides；d）upconversion nanocrystals（NaGdF4：Yb，Tm，Er）with tunable emissive color by simply tuning laser power density[11].

2.2 “Turn-off”型熒光納米探針的設計

在“Turn-off”型熒光探針中，當納米探針的發射帶與被分析物的吸收帶重疊時，能量轉移會導致熒光淬滅，從而實現對分析物的檢測。如圖3a）[15]，用胺修飾Mn摻雜的ZnS量子點，通過電荷轉移途徑獲得對微量三硝基甲苯（TNT）炸藥的“關閉”熒光響應。除了常用的表面結合方法外，分析物表面配體剝離法也可以實現納米熒光團的熒光“關閉”。圖3b）[16]為采用雙齒配體2-羥乙基二硫代氨基甲酸酯（HDTC）對CdSe-ZnS QDs進行修飾，在Hg2+存在的情況下，表面HDTC配體從CdSe/ZnS QDs表面剝離，與Hg2+螯合，淬滅CdSe/ZnS QDs的熒光。同時，并隨著Hg2+濃度的增加，除了熒光亮度的降低，橙色熒光也逐漸變為紅色。

2.3 “Turn-on”型熒光納米探針的設計

對于熒光納米探針來說，溶劑、pH值、帶電分子等多種因素都可能導致熒光的減弱或淬滅，因此“Turn-off”納米粒子通常表現出較差的選擇性和可靠性。近年來，由于熒光納米粒子具有較高的內在敏感性和較高的化學選擇性，因此“Turn-on”熒光納米粒子的設計受到了廣泛的關注。圖4展示了利用QDs、CDs和GO檢測不同分析物的熒光“開啟”機制的3個典型例子。首先，我們通過表面配體置換策略演示了對毒死蜱等有機磷硫代農藥的“開啟”熒光檢測（圖4a））[17]。雙硫腙在基本介質中與CdTe QDs表面的配位可以通過雙硫腙-Cd復合物吸收與CdTe QDs發射的光譜重疊來關閉CdTe QDs的綠色發射。毒死蜱加入后，CdTe QDs表面的二硫代配體被毒死蜱的水解物所取代，CdTe QDs的綠色熒光即刻恢復，實現對毒死蜱進行超靈敏、選擇性的檢測，限低至0.1 nmol/L。納米粒子可以對蘋果皮上5.5×10?9的有機磷硫酸鹽殘留產生熒光響應。

圖3 熒光“關閉”納米探針：a）用胺對錳摻雜的ZnS量子點進行修飾，以通過電荷轉移途徑獲得對痕量三硝基甲苯（TNT）炸藥的熒光“關閉”響應[15]；b）用雙齒配體2-羥乙基二硫代氨基甲酸酯（HDTC）修飾CdSe/ZnS QD，其中HDTC-QD的熒光通過HDTC和Hg2+的螯合反應被Hg2+淬滅[16]Fig.3 Fluorescence“turn off”nanoprobes：a）Mn-dopped ZnS QDs were modified with amine to obtain the fluorescence“turn off”response to trace trinitrotoluene（TNT）explosivethroughcharge-transferpathways[15]；b）CdSe/ZnSQDsweremodifiedwithbidentateligand，2-hydroxyethyldithiocarbamate（HDTC），in which the fluorescence of HDTC-QDs was quenched by Hg2+via the chelating reaction of HDTC and Hg2+[16].

其次，我們報道了利用CDs的熒光“開啟”對Hg2+的超靈敏顯示（圖4b））[18]。通過二硫化碳在胺基表面的縮合，雙（二硫代氨基甲酸鹽）銅（II）（CuDTC2）絡合物與制備的胺包覆CDs結合，然后銅（II）與合成的二硫代氨基甲酸鹽（DTC）的配位，最后與N-銨（二碳基氨基甲酸鹽）肌氨酸（DTCS）的配位。CuDTC2配合物通過電子傳遞機制強淬滅CDs的藍綠色熒光。由于Hg2+與巰基的結合親和力遠遠高于Cu2+，所以Hg2+可以通過迅速取代CuDTC2復合物中的Cu2+來關閉能量傳遞途徑，從而立即開啟CDs的熒光，這種熒光方法檢測Hg2+，其檢測限低至4×10?9。

我們進一步利用氧化石墨烯納米薄片對不同生物分子的熒光“開啟”檢測（圖4c））[19]。通過環氧化合物與烷基胺在氧化石墨烯表面開環胺化，首次合成了熒光氧化石墨烯[20]。功能化Ag納米顆粒有效吸附到π共軛去大大淬火表面的藍色熒光。然而，靶生物分子可以通過抗原抗體反應或DNA鏈雜交將Ag納米顆粒從氧化石墨烯表面分離出來，從而激活氧化石墨烯的熒光。

2.4 “比率”型熒光納米探針的設計

圖4 熒光“打開”納米探針：a）配體置換誘導CdTe QD的熒光“開啟”，用于肉眼檢測有機磷農藥殘留[17]；b）金屬離子置換誘導CD的熒光“開啟”，用于視覺檢測Hg2+離子[18]；c）使用銀納米顆粒對蛋白質，DNA和肽進行視覺檢測時，GO的熒光“開啟”[19]Fig.4 Fluorescence“turn on”nanoprobes：a）Ligand-replacement induced fluorescence“turn-on”of CdTe QDs for the visual detection of organophosphorus pesticide residues[17]；b）metal ions-replacement inducing fluorescence“turn-on”of CDs for the visual detection of Hg2+ions[18]；c）fluorescence“turn-on”of GOs with the use of Ag nanoparticles for the visual detections of protein，DNA and peptide[19].

上述的熒光“關”或“開”納米探針均采用單一響應發射信號，容易受到探針濃度波動和背景熒光等實驗因素的干擾。比值熒光法則是結合使用內部標準探針和響應探針來進行更精確的測量，通過兩種發射的熒光強度比提供自參照來確定分析的量，從而實現對分析物高靈敏及高選擇性的檢測[16]。圖5展示了我們一項研究，即納米熒光材料中羧基修飾的紅色CdTe量子點和氨基修飾的藍色碳點作為雙發射組合，設計出一種雙發射的比率熒光探針，在340 nm波長激發下分別發射出437 nm和654 nm的光。紅色量子點能夠選擇性地被銅離子淬滅，而藍色熒光碳點保持不變，在不同濃度Cu2+作用下從而顯示出由粉紅色到藍色的顏色演變，由此實現對Cu2+的痕量可視化檢測[21]。除了兩種有色探針的化學連接外，最近的研究使我們能夠通過進一步的功能化和光譜響應設計合成一種具有雙重發射的單納米晶體探針，用于比率熒光檢測。例如，我們合成了具有紅色和藍色發射物的Mn摻雜ZnS納米晶體探針，用于對有機磷的視覺檢測；合成了具有紅色和綠色發射物的[22]和上轉換納米晶體，用于對食品中的亞硝酸鹽的視覺檢測。

圖5 a）添加了不同濃度的Cu2+后的熒光圖像集和b）比例探針的相應熒光光譜（λex=340 nm）；c）用于視覺檢測不同濃度的Cu2+的紙基傳感器的熒光圖像[21]Fig.5 a）The fluorescence image set and b）the corresponding fluorescence spectra（λex=340 nm）of the ratiometric probe upon the addition of different concentrations of Cu2+；c）the fluorescence images of the paper-based sensor for thevisual detection of Cu2+at different concentrations[21].

納米探針的應用極為廣泛和實用，不僅用于污染物的檢測，還在精準生物標記以及高級防偽中都有潛在的應用。面對現在社會的快速發展，人們對檢測的要求也大大增加，即時、快速及準確成為檢測的主導方向。熒光可視化試紙將納米探針準確檢測的優勢與即時檢測相結合，形成高效的檢測手段。

3 熒光可視化試紙在檢測中的應用

3.1 熒光試紙的準備

紙張是一種很好的比色分析介質，因為它的白色背景和所需的樣品體積小。通常，試紙的制備利用紙張的特殊結構，將納米粒子從溶液中直接吸附到紙張上，然后進行干燥。然而，納米粒子的上載量不能定量，會受溶液親和平衡的限制。因此，在最近的研究中，我們創新了一種噴墨印刷的方法來制備高質量的熒光試紙[18，22]。熒光墨水的納米探針溶液被注射到與計算機相連的噴墨打印機的空墨盒中（如圖6所示）。將熒光納米探針均勻地打印在一張紙上，反復多次，直到獲得理想的熒光強度。納米粒子可以在整張紙上均勻的覆蓋，使得熒光亮度、均勻度高，具有良好的視覺/比色效果，尤其是在定量分析中更加有利。此外，還可以通過計算機實現納米粒子在紙張上的圖案設計。

3.2 熒光可視化試紙在爆炸物篩選中的應用

在機場、分揀中心等場所，我國對痕量爆炸物的現場即時識別提出了更高的要求。為此，我們利用紅綠雙發射量子點的比值熒光納米探針制備了一種檢測TNT的試紙，利用指紋技術可實現在各種材質表面上進行TNT檢測。制備的指示紙在365 nm紫外燈下顯示黃綠色熒光。將沉積在不同表面的TNT殘留物捕獲，形成絡合物（圖7a）），該絡合物通過熒光共振轉移法淬滅了QDs的綠色熒光[16]，使試紙的顏色從背景的黃綠色變為紅色，從而實現對痕量TNT的可視化檢測。通過將TNT乙腈溶液沉積在橡皮圖章、馬尼拉紙信封和纖維布袋上，然后在空氣中干燥，模擬了不同表面上的微量TNT顆粒。結果顯示，在紫外線燈照射下，微量TNT粒子顯示為黃綠色背景下的紅色斑點（圖7b）～d）），對馬尼拉紙信封及纖維布袋的TNT殘余檢出限分別為5 ng?mm?2和50 ng?mm?2。

圖6 噴墨打印制備可視化試紙Fig.6 Inkjet printing preparation of visualization test paper.

3.3 熒光可視化試紙在生物檢測中的應用

開發快速、低成本的生物分子識別和檢測方法對疾病診斷具有重要意義。最近，我們設計了一種具有非等比發射強度的新型雙發射熒光比率探針。這種熒光比率探針通過將紅色量子點包埋于二氧化硅納米粒子內，形成穩定的內標發射光，并在二氧化硅納米粒子表面共價連接對Fe3+特異性敏感的藍色碳點制備得到。當葡萄糖氧化酶將葡萄糖氧化得到過氧化氫，過氧化氫可進一步氧化Fe2+得到Fe3+，Fe3+和碳點之間發生電子轉移，使碳點的熒光淬滅。將該探針作為墨水，噴墨打印在微孔濾膜上，可得到具有劑量區分能力的熒光試紙。所制備的熒光試紙可以明顯區分0，～5，～7，～9，～11 mmol/L的葡萄糖溶液（健康人：3～8 mmol/L）。該試紙可用于可視化檢測人類血清中自發產生的血糖含量，且得到的結果與醫院中血糖儀測得的結果一致（圖8）[9]。

圖7 a）通過紅綠雙發射QD試紙目測TNT顆粒的指紋提升技術；b）～c）從各種基材上捕獲并舉起的痕量TNT顆粒的彩色圖像：b）橡膠表面，c）具有 5，25，125，750 ng/mm2TNT 的馬尼拉信封；d）合成織物 10，50，250，1 000 ng/mm2TNT 的袋子[16]Fig.7 a）A fingerprint-lifting technique for the visual detection of TNT particulates by a red-green dual-emissive QDs test paper；b）-c）the color images of trace TNT particulates captured and lifted from various substrates：b）a rubber surface，c）a manila envelope with 5，25，125 and 750 ng/mm2 TNT；d）a synthetic fabric bag with 10，50，250，1 000 ng/mm2TNT[16].

3.4 熒光可視化試紙在水體氟離子檢測中的應用

在檢測水體環境中，實時、快速的檢測水體環境中的痕量氟離子（F?）仍然是環境監測的一大難點。本團隊發展了一種新的對氟離子的檢測方法，并在此基礎上制備了高質量的熒光試紙，從而實現了對痕量水中氟離子的敏感可視化檢測。這種可視化檢測利用發光氧化石墨烯和銀納米粒子之間發生熒光共振能量轉移的原理，用AgNPs淬滅GO的熒光，痕量氟離子可以恢復淬滅的GO藍色熒光，并且檢測限（LOD）低至9.07 pmol/L。基于該探針開發了一種用于視覺檢測氟離子的紙基傳感器，該傳感器對水中氟離子表現出高靈敏度，并且LOD可以低至用肉眼觀察到的0.1 μmol/L，實現了對痕量水中氟離子的即使現場檢測[23-24]，如圖9所示。

圖8 a）雙色熒光探針QDs@SiO2-CDs的合成示意圖；b）借助Fe2+直觀地檢測葡萄糖的示意圖；c）在試紙上進行相應的視覺檢測，人血清中葡萄糖的回收率測試，其中：a為空白，b為新鮮人血清，c～e分為別摻入2，4，6 mmol/L葡萄糖[9]Fig.8 a）Schematic synthesis of dual-colored fluorescent probe QDs@SiO2-CDs；b）schematic visual detection of glucose with the aid of Fe2+；c）corresponding visual detections on the test paper，recovery tests of glucose in human serum，a：blank，b：fresh human serum，c-e：spiked with 2，4 and 6 mmol/L glucose，respectively[9].

3.5 熒光可視化試紙在重金屬離子檢測中的應用

重金屬對環境和人類健康問題的影響日益受到關注，這促使人們在過去20年中進行了積極的調查。在該項研究中，我們利用敏感的紅色CdTe QDs作為檢測探針和青色CDs作為內標探針（圖10），通過兩種熒光納米材料非等比例的混合可以有效地避免了中間色的生成，使探針達到了從紅色到青色寬范圍的顏色變化。將探針溶液通過噴墨打印的方法印刷到濾紙上，制備出了熒光可視化試紙。該試紙在不同濃度的As（III）下，呈現連續的熒光顏色變化（從桃紅色逐漸變成粉紅色、橘黃色、卡其色、淡黃色、黃綠色，最終至青色）。即使低至5×10?6的As（III）溶液滴在試紙上也可以用肉眼清晰地辨別出其熒光顏色改變，低于世界健康組織規定的飲用水中10×10?6的As（III）檢測限，圖11驗證了該試紙在湖水、自來水等實樣檢測中的有效性[8]。

圖9 a）GO紙傳感器的熒光“開-關”機制，用于檢測氟化物的存在；b）加入不同量的F-水溶液后，GO-二醇-MPBA-AgNP溶液（1.0 mg mL-1）的熒光圖像；c）通過添加不同濃度的F-進行F-的視覺檢測[24]Fig.9 a）Fluorescence“off-to-on”mechanism of the GO paper sensor for detection of fluoride ons；b）fluorescence image of the GO-diol-MPBA-AgNP solution（1.0mg?mL-1）upontheadditionofdifferentamountsofaqueousF-；c）visualdetectionofF-upontheadditionofdifferentconcentrationsofF-[24].

圖10 a）GSH/DTT-量子點熒光傳感探頭和CD作為內部標準探針視覺檢測As（III）的示意圖；b）～c）在分別自來水和湖水中As（III）的視覺檢測；d）混合 GSH/DTT-QDs/CDs（在 1.5 mL Tris-HCl緩沖液中，20/10μL，pH 7.4）加上 As（III）的熒光光譜；e）CD 和 GSH/DTT 修飾的 CdTe QD以及混合的CD/QD在350 nm激發下的熒光光譜[8]Fig.10 a）Schematic illustration for visual detection of As（III）by using GSH/DTT-QDs as fluorescent sensing probe and CDs as an internal standard probe；Visual detections of As（III）in b）tap water and c）lake water，respectively；d）fluorescent spectra of mixing GSH/DTT-QDs/CDs（20/10 μL in 1.5 mL of Tris-HCl buffer，pH=7.4）with the addition of As（III）；e）fluorescent spectra of CDs and GSH/DTT-modified CdTe QDs and the mixing CDs/QDs at the excitation of 350 nm[8].

近期，本團隊在環境危害物可視化分析檢測方面取得新進展，設計制備了一種高效的比色熒光納米探針，打印成熒光試紙結合智能手機識別顏色RGB值實現水中Pb2+的快速可視化檢測[24]，示意圖如圖12a）所示。該比率熒光探針由藍色和紅色碳點通過合適的比例混合得到，該比率納米探針對Pb2+的選擇性高（如圖12b）和圖12c）），鉛離子存在時藍色碳點熒光被淬滅而紅色碳點熒光不變，從而在紫外燈照射下觀察到明顯的由藍到紅的顏色變化，利用熒光光譜儀和智能手機APP對熒光探針溶液的檢測限分別為2.89 nmol/L和35.26 nmol/L，遠遠低于WHO飲用水中鉛離子的允許限量（10 mg·L?1）。用智能手機識別熒光紙條的RGB值，可以實現水中鉛離子的現場、快速、半定量檢測，智能手機檢測Pb2+示意圖如圖12d），整個檢測過程在5 min內即可完成。熒光紙條易于存放和攜帶，使得檢測Pb2+的方法更加方便、簡單、節省時間和成本效益。

用智能手機識別熒光紙條的RGB值，可以實現對目標物的現場、快速、半定量檢測，檢測時間短，熒光紙條易于存放和攜帶，使得檢測方法更加方便、簡單、節省時間和成本效益。隨著社會的快速發展，環境檢測手段已趨向于便攜式、可視和易于操作。在各種傳感方法中，試紙是最方便的化學/生物傳感器，通過其對分子的視覺彩色反應，可以很輕易地被肉眼觀察到。

4 結論與展望

通過選取具有優良傳感性能的功能納米材料，合成出敏感納米探針，并把其噴墨打印至試紙上，可以設計出快速、便捷、準確的熒光可視化試紙。熒光可視化試紙為環境、醫藥、食品、疾病診斷及公共安全等領域提供了新的思路和方法。雖然目前已經取得了許多研究進展，但在結合試紙開發功能性納米材料方面還需要做出更大的努力，以便在實際應用方面取得進一步的進展。目前，紙質傳感器在精度、靈敏度和多路復用分析方面仍存在一定的局限性。迄今為止，各種熒光傳感方法以提高傳感器靈敏度、選擇性和動態工作范圍被廣泛研究。熒光試紙在視覺分析中的實際應用，在很大程度上取決于在熒光納米材料設計合成、新型傳感機制探索和微加工方式改進等方面的努力。

以發現新的敏感機制和方法為導向，尋找納米結構的分子識別與敏感信號輸出的規律，構建針對環境基質中優控污染物的快速檢測平臺，這對環境問題中突出的痕量優控污染物的檢測是具有重要意義的。納米功能材料制備及熒光傳感方法的發展將為突破制約環境檢測的技術瓶頸，降低了檢測成本，使監管從事后處理變為現場反應，為提高公共安全水平奠定了技術基礎。