具有长波长荧光发射特性的碳点(CDs)材料由于其在生物领域的广阔应用而受到越来越多的关注。 长波长发射荧光碳点的合成主要基于高温高压的方法, 室温合成的方法和研究还比较少。 采用碱催化的方式, 将氢氧化钠溶液与果糖溶液混合后透析, 无需加热和其他额外的能量输入即可制备出一种蓝绿色发光可调的碳点, 并通过透射电子显微镜、 紫外-可见分光光度计、 稳态荧光光谱仪等光谱技术对合成碳点进行了表征。 进一步采用圆二色分光光度计和皮秒时间相关单光子计数等测量系统对碳点与牛血红蛋白(BHb)之间的相互作用进行了探究。 虽然已有较多应用碳点检测BHb的研究, 但这些研究更注重分析BHb检测的效果, 而对BHb猝灭碳点荧光的机理还缺少较为详细的系统性证明。 测量得到了二者在不同温度下相互作用的Stern-Volmer图像, 以及碳点在BHb加入前后的荧光寿命, 结果表明BHb对碳点荧光的猝灭是一个静态的过程。 并且在该过程中, BHb的α-螺旋含量下降了约3%, 证明了碳点会使蛋白的结构发生改变。 BHb与碳点混合后形成了复合物, 导致碳点的荧光下降。 通过分析干扰样品以及反应时间对检测BHb的影响, 证实了碳点检测BHb具有良好的选择性和稳定性。 另外, 碳点荧光强度下降, 下降比例与BHb浓度成线性关系, 因此可以设计基于碳点荧光猝灭的血红蛋白生物传感器, 用于微量BHb的特异性检测, 所检测的线性范围为0～5 μmol·L-1, 检测限为243 nmol·L-1(S/N=3)。 所合成的碳点还可以实现双波长激发检测, 实验证实在370和425 nm激发下, 碳点的荧光猝灭程度和BHb的浓度之间表现出良好的线性关系, 这为该荧光探针检测BHb提供了更多的应用价值。 由于该碳点的合成手段简便, 操作技术难度低且合成原料容易获得, 该荧光探针对BHb的微量检测在生命科学研究和刑侦领域都具有十分重要的意义。

胆红素二甲酯(bilirubin dimethyl ester, BRE)是一种线性四吡咯, 是胆红素 (Bilirubin, BR)的类似物［1-3］。 用UV, IR, MS等光谱表征BR与BRE, 结果并无明显差别。 BR/BRE可与多种金属离子形成配合物。 BR与金属离子的配位点主要是吡咯氮和丙酸侧链, 用甲基取代BR丙酸侧链羧基上的氢得到BRE, 使金属离子只与吡咯氮配位。 因此本文采用酯化的胆红素BRE研究其与金属离子的作用, 优点是可以减少与金属的配位点, 降低产物复杂程度, 有助于光谱分析。

锌离子Zn2+对胆红素BR有着显著的荧光增强效应, 基于该荧光特性, 利用紫外可见光吸收和稳态荧光光谱技术提出了一种BR作为荧光探针用于Zn2+浓度检测的新方法, 特别是首次采用在波长663和600 nm处的稳态荧光强度比值方法系统地研究了其与锌离子浓度在0~90 μmol·L-1范围内变化的关系, 与常用的单波长荧光强度探测方法比较, 有效地避免了探针浓度变化及激发光强度变化等非目标因素的影响。 实验研究结果发现BR荧光探针对Zn2+的识别行为在0~20 μmol·L-1范围内, 探针BR 的荧光强度比值I663 nm/I600 nm与 Zn2+的浓度之间具备线性增长关系, 尤其是0~10 μmol·L-1有非常好的线性关系, 线性相关系数r=0.999 87, 同时Zn2+检测限为0.1 μmol·L-1 。 在20~90 μmol·L-1范围内, 荧光强度比值I663 nm/I600 nm趋于饱和。 研究发现对实时检测人体内的Zn2+具有很好的应用前景。

胆红素(Bilirubin, BR)是脊椎动物分解代谢血红素的最终产物之一, 具有抗氧化和消炎等作用。 体内保持正常含量的胆红素对人类的健康起着非常重要的作用, 被认为有利于预防癌症、 中风、 糖尿病和心血管等疾病的发生［1-2］。 然而胆红素过量则被认为是肝功能障碍的征兆, 同时也是引起新生儿严重脑损伤的原因。 因此, 对人体中胆红素含量的快速精准检测具有十分重要的应用价值。 目前为止, 用于检测血清样品中胆红素含量的方法主要有重氮法、 过氧化物酶法、 光纤传感检测法和荧光光谱法等。 其中, 荧光光谱法具有检测迅速和操作简便的优势, 吸引了越来越多研究人员的关注。 但是, 由于胆红素自身的荧光量子产率通常低至10-4量级, 直接荧光测量难度很大, 因此通常采用间接方式解决胆红素含量测量的难题。 例如, Wabaidur等通过胆红素猝灭Ru(bopy)2+3荧光的方式来测量胆红素的含量; Aparna等通过胆红素猝灭铜纳米团簇荧光的方式来测量胆红素的含量; Iwatani等通过UnaG蛋白结合胆红素增强荧光的方式来测量胆红素的含量。 UnaG与胆红素具有极高的亲和力, 且自身几乎不发射荧光, 其与胆红素结合后, 会将胆红素的荧光提高三个数量级, 可以用作人体内的荧光传感器。 然而, 由于蛋白的制备和保存的成本十分高昂, 人们更希望使用有机小分子或无机分子对胆红素的荧光进行增强。 例如, Yang等发现Zn2+有助于显著增强胆红素的荧光, Kotal等提出了将Zn2+用于胆红素代谢物（尿胆素原）含量测量的方法。 为了研究Zn2+增强胆红素荧光的机理并用于胆红素含量的测量, 研究首先使用了稳态荧光光谱和紫外-可见吸收光谱表征了不同Zn2+浓度下胆红素的光学特性, 并采用相对法测量了其量子产率。 通过分析Zn2+-胆红素络合物在不同探测波长下的激发谱, 提出了该络合物具有两个发光基团的设想。 为了进一步验证关于发光基团的设想, 使用了飞秒瞬态吸收光谱的手段研究分析了Zn2+-胆红素络合物的超快光动力学过程, 分析结果与之前发表的对胆红素和Zn2+配位方式的结论有很好的吻合。 根据瞬态吸收光谱和稳态荧光光谱的数据以及所提出的模型, 得到了在有无Zn2+条件下胆红素的平均激发态寿命, 进一步计算出了其辐射跃迁速率和非辐射跃迁速率的理论值。 通过数据对比, 得出了络合物相对单纯胆红素有更大的消光系数而具有更高的辐射跃迁速率的结论, 同时发现胆红素与Zn2+的配位方式增加了胆红素以锥型交叉退激发态的效率。

甲醛(HCHO)是目前室内空气主要污染物之一, 长期暴露在过量甲醛环境中会对人的眼睛、 皮肤、 呼吸器官等产生严重危害, 甚至可能导致神经系统功能的丧失［1］以及耳、 鼻和喉癌[2]。 因此, 快速、 高效、 准确地实现甲醛气体的检测, 对于保障人类健康具有重大的意义。 当前有很多种方法可以用于甲醛气体的检测。 例如, 气相色谱法(GC)[3]和高效液相色谱法(HPLC)[4], 色谱仪器能够提供低至μg·m-3级别的浓度检测, 但是仪器较为大型笨重, 并且检测非常耗时, 难以实现实时连续地对甲醛气体浓度的监测; 基于气敏薄膜的半导体气体传感器具备响应时间短, 稳定性高以及可连续监测等优点, 然而这类传感器通常检测限较高(>300 μg·m-3）, 并且选择性差[5]; 基于酶的生物传感器通常有较好的灵敏性和选择性, 但是其热稳定性通常较差, 这严重限制了其应用[6]。 比色法和荧光法由于响应速度快, 灵敏度高, 检测限低, 选择性好以及传感器简单便宜等特点, 被广泛地应用于甲醛气体传感器的设计中去［7-9］。 这种方法是利用探针分子与甲醛发生特异性结合, 形成新的物质, 从而引起探针吸收光谱的变化或者发出荧光, 实现对甲醛的定量测量。 Descamps等使用4-氨基-3-戊烯-2-酮(Fluoral-P)作为探针分子, 设计了一种手提式的甲醛检测仪[10]。 Fluoral-P是一种烯氨酮结构的物质, 能与甲醛特异性结合形成环状化合物3,5-diacetyl-1,4-dihydrolutidine(DDL)。 由于Fluoral-P自身的特征吸收带与DDL的吸收带相隔较远, 同时与甲醛结合后能够产生大斯托克斯位移的荧光峰, 因而被广泛应用于甲醛检测。 然而, Fluoral-P在空气中有水分子存在的情况下极其不稳定, 容易发生水解, 形成乙酰丙酮和氨气, 严重限制了Fluoral-P在甲醛检测上的应用[10]。 采用紫外可见吸收光谱、 稳态荧光光谱和气相色谱质谱(GC-MS)技术研究了Fluoral-P的一种衍生物, 4-氨基-1,1,1-三氟-3-丁烯-2-酮(3F-FP), 与甲醛溶液相互作用的光学和化学特性。 实验发现, Fluoral-P的水解速率为k＝1.555 9×10-5 L2·mol-2·s-1, 然而, 3F-FP具有非常低（接近0）的水解速率, 水溶液环境下表现出了极好的稳定性。 同时, 3F-FP可以与甲醛反应生成一种类似DDL的环状化合物6F-DDL, 使得3F-FP在430 nm处出现了一个新的吸收带, 并且在峰值489 nm处的荧光强度也得到了明显增强, 增强因子为12, 在峰值处的荧光增长速率为k=7.881×103 h-1。 下一步我们将使用多孔玻璃作为3F-FP探针的载体, 不仅可以提高3F-FP分子浓度, 也可以增加探针分子与甲醛的接触表面积[11], 荧光增长速率还可以得到进一步的提高, 因此3F-FP分子在甲醛气体检测领域具备了良好的应用前景。

葡萄球菌核酸酶（SNase）是一种小型球状蛋白， 其变体常用来研究蛋白质的折叠过程。 不同于之前报道的研究方法和技术手段， 采用时间相关单光子计数（TCSPC）及飞秒荧光上转换技术， 结合紫外吸收谱和稳态荧光光谱， 研究了SNase蛋白变体Δ+PHS和Δ+PHS+I92A的荧光动力学， 以及不同温度下蛋白结构与热稳定性的关系， 证明蛋白质内色氨酸残基可作为一种内源性探针对蛋白变体的结构折叠和热稳定性进行印证和研究。 衰减相关光谱（DAS）表明了两种变体随温度变化的不同趋势， 在此基础上进一步分析了这两种变体的结构折叠及热稳定性的差异。 皮秒时间分辨发射光谱（TRES）显示色氨酸残基存在05 ns的连续光谱弛豫过程， 而光谱移动量可作为SNase变体蛋白结构紧密程度的判断依据。 飞秒上转换数据分析结果中， 05 ps的DAS在光谱蓝端为正、 红端为负， 表明了色氨酸残基受到弛豫效应的影响。 200 ps的寿命则说明色氨酸残基与周围猝灭基团之间存在电子转移过程。 时间分辨荧光各向异性（anisotropy）的分析结果则说明了色氨酸残基在蛋白质体系内具有独立的局部运动， 且其强弱与变体的热稳定性和热运动的整体效果有关。 测量和分析色氨酸残基的时间分辨荧光性质为深入研究SNase蛋白的结构和功能提供了新的思路。

由于金属离子包括铜离子对人体的重要性, 报道了一种含单个色氨酸的新型多肽分子（WDAHSS), 证明利用这种分子可以通过荧光光谱测量的方法实现铜离子灵敏检测。 WDAHSS的荧光由其包含的色氨酸残基的本征荧光贡献, 易被铜离子猝灭。 通过分析铜离子在不同pH值条件下与WDAHSS作用的荧光光谱并与单个色氨酸分子的光谱相比较, 详细研究了铜离子猝灭WDAHSS荧光的机理。 研究表明, WDAHSS结构中的组氨酸通过金属配位与铜离子作用, 并联合肽键形成稳固的四方形平面结构, 螯合铜离子, 致使色氨酸残基发生荧光猝灭。 同时详细讨论了不同pH值环境对WDAHSS荧光光谱的影响。 通过荧光光谱测量和数值拟合, 推测了WDAHSS和铜离子的结合常数。 为了增强WDAHSS抗pH干扰的能力, 特意对其氨基端乙酰化, 在生理pH值范围内稳定了其荧光发射。 此外, WDAHSS也采用了一些特殊设计的结构, 很好地增强了它对铜离子灵敏探测的特异选择性和生物相容性。 对WDAHSS的进一步研究有望用于生物体内或细胞内荧光成像检测。