CN108752522B - 一种量子点生物传感器的制备及对牛血红蛋白的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种L‑半胱氨酸修饰的硫化锌量子点及其表面印迹聚合物的制备方法,属于生物传感领域。本发明通过共沉淀法合成了粒径较小、尺寸均一的硫化锌量子点,并使用L‑半胱氨酸对其进行了表面修饰。以L‑半胱氨酸修饰的硫化锌量子点为载体,通过表面印迹技术制备了量子点‑分子印迹聚合物荧光复合材料,并作为荧光传感器应用于牛血红蛋白的特异性识别和检测。该材料具有良好的分散性和荧光稳定性,对牛血红蛋白具有良好的选择性吸附能力,能快速达到吸附平衡,且荧光猝灭程度对牛血红蛋白的浓度有很好的线性关系。该制备方法还可拓展应用于其他蛋白质的分析检测,在生物传感、亲和分离、疾病诊断和食品分析等研究领域均具有广阔的应用前景。

Description

一种量子点生物传感器的制备及对牛血红蛋白的检测方法
技术领域
本发明属于生物传感领域,特别涉及一种L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点的制备方法和一种硫化锌量子点表面印迹聚 合物的制备方法。
背景技术
量子点(Quantum Dots,QDs)是一种纳米结构的材料,也是一种零维的半导体纳米晶体或纳米微晶。这种纳米晶体半 导体,按照其元素组成,一般是由Ⅱ-Ⅵ(CdTe、CdSe等),Ⅲ-Ⅴ(InP、GaN等)或Ⅳ-Ⅵ(PbSe等)元素组成的微球,直 径为1-12nm。当量子点尺寸减少到一定的临界值时(小于或者接近材料的激子波尔半径),这些纳米颗粒会有不同的量子限域,它们的材料结构和性质将会从宏观向微观发生变化。量子点展现出来了引人注意的光学和电学特性,包括高量子产率、 大的斯托克斯位移、稳定的光学特征、宽的激发波长范围、发射波长由尺寸决定以及较窄的光谱带等。它在许多生物领域得 到了广泛应用,比如:生物领域(荧光标记及细胞成像)、分析领域(检测小分子化合物及蛋白大分子等)、能源领域(量子 点敏化太阳能电池)、传感器和光电器件等,具有极大的研究应用前景。
分子印迹技术(Molecularly Imprinting Technique,MIT)是指通过交联单体与给定模板分子之间的相互作用,在聚合物 基质的合成过程中形成与模板分子在大小、形状、功能基团上具有互补性能的印迹空穴,从而实现印迹聚合物对目标分子特 异识别与吸附的一项技术。利用分子印迹技术制备的对模板分子及其结构类似物在空间结构和结合位点完全匹配,具有特异 性识别和选择性吸附的高分子聚合物就称为分子印迹聚合物(Molecularly Imprinting Polymer,MIP)。
以量子点作为载体制备分子印迹聚合物时,聚合物会形成特殊的核-壳结构,当表面印迹聚合物层选择性的捕获模板分 子后,由于量子点和模板分子之间存在着电子能量转移,量子点的电荷传递到模板分子上,会导致量子点自身荧光猝灭。此 外,量子点的荧光猝灭程度与加入的模板分子浓度成比例,根据这一特征,将量子点和分子印迹技术联合,结合分子印迹技 术的高选择性与量子点荧光检测技术的高灵敏性,可制备分子印迹-量子点传感器,用于微量小分子化合物或生物大分子定 量分析分离。
本发明中,通过共沉淀法合成了硫化锌量子点,并使用L-半胱氨酸通过配体交换作用对量子点进行了表面修饰,以L- 半胱氨酸修饰后的量子点为印迹载体,采用表面印迹技术制备了量子点-分子印迹聚合物荧光复合材料,并作为目标分析物 的荧光人工受体应用于牛血红蛋白的检测分析。与传统的分子印迹聚合物相比,这种荧光人工受体不仅保留了传统分子印迹 聚合物的优点,将生物分子识别过程转换为光学信号分析;还展现了一些优异的新性能,包括分析过程简单快捷、响应时间 快、易去除模板分子以及更低的检测限等,具备作为一种荧光生化传感器特异识别和分析目标分析物的潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点及其表面印迹聚合物的方法,该方法合成的硫化锌量子 点粒径较小、尺寸均一,荧光强度高,具有良好的分散性和稳定性;TEM透射电镜图片分析表明,制备的L-半胱氨酸修饰 的硫化锌量子点粒径约为4nm,L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物颗粒粒径约为6nm;制备的印迹聚合物对 牛血红蛋白具有很好的选择性吸附能力,能迅速达到吸附平衡,对牛血红蛋白的荧光响应快速,且荧光猝灭程度对牛血红蛋 白的浓度有很好的线性关系。
本发明的目的主要通过以下技术手段实现:
本发明中L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点及其表面印迹聚合物合成具体步骤如下:
1)称取一定量的七水合硫酸锌(ZnSO4·7H2O)、四水合氯化锰(MnCl2·4H2O)、九水合硫化钠(Na2S·9H2O),其摩尔 比范围为七水合硫酸锌:四水合氯化锰:九水合硫化钠=10:1:10~15:1:15;
2)首先,将七水合硫酸锌与四水合氯化锰溶解于一定量的去离子水中,混合物在氮气保护下常温搅拌30分钟;其次, 将九水合硫化钠溶于少量去离子水,并缓慢逐滴加入到上述混合液中,室温下继续搅拌反应2~3小时;再次,将上述反应 产物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产物置于冰箱冷冻15分钟后, 转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点(ZnS);
3)称取一定量的L-半胱氨酸(L-Cys)和硫化锌量子点(ZnS),其摩尔比范围为1:1~1:2;首先,将硫化锌量子点 溶解于一定量去离子水中,超声10分钟;其次,将L-半胱氨酸溶解于一定量去离子水中,在搅拌条件下将其逐滴加入到量 子点体系中;再次,在氮气保护下常温搅拌修饰12小时,离心收集沉淀,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离 子水洗涤一次;最后,将所得产物置于冰箱冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的 冰箱中备用,即得到L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点;
4)称取一定量的L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点并分散在一定量的磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)中,加入一定量 牛血红蛋白,置于摇床中常温孵育1小时;
5)按照摩尔比范围为丙烯酰胺(AAm):N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm):甲基丙烯酸(MAA):N,N-亚甲基双丙烯酰 胺(MBA)=2:4:1.5:1~4:8:3:1称取一定量的AAm、NIPAAm、MAA和MBA,将其分散在一定量的磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)中,混匀后加入上述孵育好的量子点/牛血红蛋白混合液中,并置于摇床中常温孵育1小时;
6)将上述混合物吹氮气10分钟,在机械搅拌下加入一定量的过硫酸铵(APS)溶液和四甲基乙二胺(TEMED),在氮 气保护下反应24小时;
7)将反应后的混合物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤两次,再用去离子水洗涤一次;将所得产物置于冰箱 冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点表面印迹 聚合物(MIP);非印迹聚合物(NIP)的合成过程中除不加牛血红蛋白外,其他均相同。
本发明中基于L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物作为人工受体对牛血红蛋白的特异性识别和检测方法如 下:
8)称取一定量的MIP/NIP,加入一定量10%乙酸(v:v)-乙腈混合液洗脱,每隔5小时更换一次洗脱液,洗脱三次; 将洗脱后的MIP/NIP转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用;
9)响应时间的测定:称取一定量洗脱后的MIP/NIP并溶解在磷酸盐缓冲液(pH6.5,0.02M)中,加入一定量的牛血红 蛋白并混合均匀;从加入的时刻起,每隔一段时间使用荧光分光光度计测定混合液的荧光强度,直至荧光强度不再变化为止, 记录起止时间差;
10)选用牛血清白蛋白(BSA)和溶菌酶(Lyz)作为牛血红蛋白的结构类似物来测定MIP/NIP的选择性:首先,使用 磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)配制一定浓度的MIP/NIP混合液,测定其荧光强度F0;其次,将上述MIP/NIP混合液分装 在10mL离心管中,并在其中分别加入不同量的牛血红蛋白,使最终混合液中牛血红蛋白的浓度分别为 0/10/30/50/70/90/110/130/150μg/mL,在吸附平衡后分别测定其荧光强度F;再次,根据公式F0/F=1+KSV[Q](Q为牛血红 蛋白在混合液中的初始浓度)分别计算KSV,MIP和KSV,NIP;最后,分别使用牛血清白蛋白和溶菌酶重复上述步骤,计算不 同蛋白质的KSV,MIP和KSV,NIP并比较。
附图说明
图1是合成的L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点TEM透射电镜图
图2是合成的硫化锌量子点表面印迹聚合物TEM透射电镜图
图3是印迹聚合物(MIP)和非印迹聚合物(NIP)响应时间测定曲线图
图4是不同浓度的牛血红蛋白对印迹聚合物(MIP)猝灭光谱图
图5是分子印迹聚合物(MIP)材料的选择性比较图
具体实施方式
实施例1
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点的合成:
1)称取10mmol ZnSO4·7H2O、0.5mmol MnCl2·4H2O于50mL三口瓶中,加入30mL去离子水,混合物在氮气保护下 常温搅拌30分钟;
2)称取10mmol Na2S·9H2O并溶于8mL去离子水中,将其缓慢逐滴加入三口瓶中,常温搅拌反应2~3小时;将上述 反应产物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产物置于冰箱冷冻15分 钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点;
3)用L-半胱氨酸修饰硫化锌量子点:首先,称取2mmol硫化锌量子点于三口烧瓶中,加入40mL去离子水,超声10 分钟;其次,将2mmol L-半胱氨酸溶解于10mL去离子水中,在搅拌条件下将其逐滴加入到三口瓶中;再次,在氮气保护 下常温搅拌修饰12小时,离心收集沉淀,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产 物置于冰箱冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到L-半胱氨酸 修饰的硫化锌量子点。
实施例2
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点的合成:
1)称取15mmol ZnSO4·7H2O、0.5mmol MnCl2·4H2O于50mL三口瓶中,加入30mL去离子水,混合物在氮气保护下 常温搅拌30分钟;
2)称取15mmol Na2S·9H2O并溶于8mL去离子水中,将其缓慢逐滴加入三口瓶中,常温搅拌反应2~3小时;将上述 反应产物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产物置于冰箱冷冻15分 钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点;
3)用L-半胱氨酸修饰硫化锌量子点:首先,称取4mmol硫化锌量子点于三口烧瓶中,加入40mL去离子水,超声10 分钟;其次,将2mmol L-半胱氨酸溶解于10mL去离子水中,在搅拌条件下将其逐滴加入到三口瓶中;再次,在氮气保护 下常温搅拌修饰12小时,离心收集沉淀,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产 物置于冰箱冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到L-半胱氨酸 修饰的硫化锌量子点。
实施例3
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点的合成:
1)称取12.5mmol ZnSO4·7H2O、0.5mmol MnCl2·4H2O于50mL三口瓶中,加入30mL去离子水,混合物在氮气保护 下常温搅拌30分钟;
2)称取12.5mmol Na2S·9H2O并溶于8mL去离子水中,将其缓慢逐滴加入三口瓶中,常温搅拌反应2~3小时;将上述 反应产物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得产物置于冰箱冷冻15分 钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点;
3)用L-半胱氨酸修饰硫化锌量子点:首先,称取3.34mmol硫化锌量子点于三口烧瓶中,加入40mL去离子水,超声 10分钟;其次,将2mmol L-半胱氨酸溶解于10mL去离子水中,在搅拌条件下将其逐滴加入到三口瓶中;再次,在氮气保 护下常温搅拌修饰12小时,离心收集沉淀,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤一次,再用去离子水洗涤一次;最后,将所得 产物置于冰箱冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到L-半胱氨 酸修饰的硫化锌量子点。
实施例4
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物的合成:
1)称取0.7mmol L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点于三口瓶中,加入20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)中,超声 分散5分钟后加入10mg牛血红蛋白(BHb),置于摇床中常温孵育1小时;
2)称取0.32mmol丙烯酰胺(AAm)、0.64mmol N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、0.16mmol N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)于50mL锥形瓶中,加入0.24mmol甲基丙烯酸(MAA)和20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M),混匀后加入 三口瓶中,置于摇床中常温继续孵育1小时;
3)将混合物吹氮气10分钟,在机械搅拌下加入0.4mmol过硫酸铵(APS)和0.2mmol四甲基乙二胺(TEMED),氮 气保护下继续搅拌反应24小时;
4)将反应后的混合物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤两次,再用去离子水洗涤一次;将所得产物置于冰箱 冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点表面印迹 聚合物(MIP)。
实施例5
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物的合成:
1)称取1.6mmol L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点于三口瓶中,加入20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)中,超声 分散5分钟后加入10mg牛血红蛋白(BHb),置于摇床中常温孵育1小时;
2)称取0.64mmol丙烯酰胺(AAm)、1.28mmol N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、0.16mmol N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)于50mL锥形瓶中,加入0.48mmol甲基丙烯酸(MAA)和20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M),混匀后加入 三口瓶中,置于摇床中常温继续孵育1小时;
3)将混合物吹氮气10分钟,在机械搅拌下加入0.6mmol过硫酸铵(APS)和0.2mmol四甲基乙二胺(TEMED),氮 气保护下继续搅拌反应24小时;
4)将反应后的混合物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤两次,再用去离子水洗涤一次;将所得产物置于冰箱 冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点表面印迹 聚合物(MIP)。
实施例6
L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物的合成:
1)称取1.04mmol L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点于三口瓶中,加入20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)中,超声 分散5分钟后加入10mg牛血红蛋白(BHb),置于摇床中常温孵育1小时;
2)称取0.42mmol丙烯酰胺(AAm)、0.86mmol N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、0.16mmol N,N-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA)于50mL锥形瓶中,加入0.32mmol甲基丙烯酸(MAA)和20mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M),混匀后加入 三口瓶中,置于摇床中常温继续孵育1小时;
3)将混合物吹氮气10分钟,在机械搅拌下加入0.44mmol过硫酸铵(APS)和0.2mmol四甲基乙二胺(TEMED),氮 气保护下继续搅拌反应24小时;
4)将反应后的混合物离心收集,先用乙醇/水(1:1;v:v)洗涤两次,再用去离子水洗涤一次;将所得产物置于冰箱 冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时,保存在4摄氏度的冰箱中备用,即得到硫化锌量子点表面印迹 聚合物(MIP)。
实施例7
基于L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点表面印迹聚合物作为人工受体对牛血红蛋白的特异性识别和检测:
1)称取100mg MIP/NIP于200mL锥形瓶中,加入100mL 10%乙酸(v:v)-乙腈混合液,在机械搅拌下洗脱;每隔5 小时更换一次洗脱液,洗脱三次;将洗脱后的MIP/NIP置于冰箱冷冻15分钟后,转移至真空冷冻干燥机中冷冻干燥5小时, 保存在4摄氏度的冰箱中备用;
2)响应时间的测定:称取8mg洗脱后的MIP/NIP于50mL锥形瓶中,加入40mL磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M), 超声分散5分钟;称取10mg牛血红蛋白于10mL小烧杯中,加入5mL去离子水溶解;取1mL上述牛血红蛋白溶液加入 锥形瓶中,从加入的时刻起,每隔3分钟使用荧光分光光度计测定锥形瓶中混合液的荧光强度,直至荧光强度不再变化为止, 起止时间差即为响应时间;
3)选用牛血清白蛋白(BSA)和溶菌酶(Lyz)作为牛血红蛋白的结构类似物来测定MIP/NIP的选择性:首先,使用 磷酸盐缓冲液(pH 6.5,0.02M)配制0.2mg/mL的MIP/NIP混合液,测定其荧光强度F0;其次,分别吸取 0/25/75/125/175/225/275/325/375μL的2mg/mL牛血红蛋白溶液于10mL离心管中,各加入0.2mg/mL的MIP/NIP混合液, 使不同离心管中的混合液总体积均为5mL,轻摇混匀,待吸附平衡后分别测定其荧光强度F;再次,根据公式F0/F=1+KSV [Q](Q为牛血红蛋白在混合液中的初始浓度)分别计算KSV,MIP和KSV,NIP;最后,分别使用牛血清白蛋白和溶菌酶重复上 述步骤,计算不同蛋白质的KSV,MIP和KSV,NIP并比较。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、 改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)称取一定量的七水合硫酸锌、四水合氯化锰并溶解在一定量的去离子水中,混合物在氮气保护下常温搅拌30分钟;
2)称取一定量的九水合硫化钠并溶解于一定量的去离子水中,将得到的Na2S溶液逐滴加入到步骤1)中制得的混合溶液中,室温下继续搅拌反应2-3小时;
3)将步骤2)制得的反应产物离心收集,先用体积比1:1的乙醇/水洗涤一次,再用去离子水洗涤一次,将产物冷冻干燥,即可得到硫化锌量子点;
4)称取摩尔比范围为1:1~1:2的L-半胱氨酸和硫化锌量子点,将其溶解在一定量去离子水中,避光常温搅拌反应12小时;
5)将步骤4)制得的反应产物离心收集,先用体积比1:1的乙醇/水洗涤一次,再用去离子水洗涤一次,将产物冷冻干燥后置于4摄氏度冰箱中保存,即可得到L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点,所述L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点粒径为4nm;
6)称取一定量的L-半胱氨酸修饰的硫化锌量子点分散在一定量pH 6.5、浓度为0.02M的磷酸盐缓冲溶液中,加入一定量的牛血红蛋白,置于摇床中常温孵育1小时;
7)称取摩尔比范围为2:4:1.5:1~4:8:3:1的丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸和N,N-亚甲基双丙烯酰胺分散在一定量的磷酸盐缓冲液中,混合均匀后加入步骤6)中混合液,置于摇床中常温孵育1小时;
8)将混合物吹氮气10分钟,并在机械搅拌下加入一定量的过硫酸铵溶液和四甲基乙二胺,在氮气保护下反应24小时;
9)将反应产物离心收集,冷冻干燥备用。
2.根据权利要求1所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法的制备方法,其特征在于:所述步骤1)和2)中七水合硫酸锌:四水合氯化锰:九水合硫化钠的摩尔比范围为10:1:10~15:1:15。
3.根据权利要求2所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法的制备方法,其特征在于:所述步骤1)和2)中七水合硫酸锌:四水合氯化锰:九水合硫化钠的摩尔比范围为12.5:1:12.5。
4.根据权利要求1所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:所述步骤4)中L-半胱氨酸:硫化锌量子点的摩尔比范围为1:1.67。
5.根据权利要求1所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:所述步骤7)中丙烯酰胺:N-异丙基丙烯酰胺:甲基丙烯酸:N,N-亚甲基双丙烯酰胺的摩尔比范围为2.6:5.4:2:1。
6.根据权利要求1所述的一种硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:硫化锌量子点:N,N-亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵:四甲基乙二胺的摩尔比范围为3.5:3.2:2:1~8:6.4:3:1。
7.根据权利要求6所述的一种硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:硫化锌量子点:N,N-亚甲基双丙烯酰胺:过硫酸铵:四甲基乙二胺的摩尔比范围为5.2:4.4:2.2:1。
8.根据权利要求1所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:还包括步骤10)制备印迹空穴的步骤,加入体积百分比10%乙酸-乙腈混合液,在机械搅拌下洗脱,冷冻干燥备用。
9.根据权利要求8所述的硫化锌量子点表面印迹聚合物的制备方法,其特征在于:洗脱后,所述硫化锌量子点表面印迹聚合物颗粒粒径为6nm。
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