CN116590019B - 一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试纸条和应用 - Google Patents

一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试纸条和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试纸条和应用，所述片状纳米晶包括绿色和/或黄色型片状纳米晶以及红色型片状纳米晶，它们均为核‑缓冲层‑壳型片状纳米结构。本发明所述可控组装过程包括以将开放的树枝状二氧化硅三维孔道模板化实现疏水片状纳米颗粒基元的深层次包埋、逐步表面极性转换修饰策略，以实现其水溶性化及高效、稳定发光，拓展其生物医学应用。本发明提供了一种基于片状纳米晶‑树枝状二氧化硅球结构的探针的荧光免疫层析应用，其检测结果可以被裸眼可视化识别信号、通过手机拍照实现低浓度快捷定量，可在检测对象浓度区间内拥有更多裸眼可分辨的荧光颜色。

Description

一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试 纸条和应用
技术领域
本发明涉及一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试纸条和应用。
背景技术
病原微生物的抗原检测具有检测快速(检测时间10-30min)，无需集中采集/送样和用户友好、无需实验室专业人员等优势，从而能实现受试者的大规模与现场筛查。目前现场即时检测(POCT)中完成抗原检测主要依赖于抗原检测免疫层析检测，也被称为抗原检测试纸条，其中，在商业化试纸条产品中胶体金纳米颗粒常被用作试纸条信号报告基元，可在居家条件下快速便捷的完成可视化检测结果读出，缺点是其较低的灵敏度通常会造成”假阴性”检测结果以及受限于定性检测模式。荧光标记材料已被开发用于提高试纸条的灵敏度和提高检测结果的信噪比，然而需要配备额外的荧光检测系统来实现定量分析，复杂和专业的荧光检测仪增加了居家配备检测的难度，同时检测结果的信号亮度易受激发光源稳定，环境光源等外界条件干扰，影响检测准确度，从而使荧光检测模式难以被推广为常态化的检测应用。
相对于荧光检测结果的仪器端定量，可视化图像数据可直接被人裸眼感知并方便被拍照设备获取与分析，开发适合裸眼视觉辨识和去仪器化定量功能的免疫层析原理与技术可以使荧光检测模式变的更加具有普适性以及便捷性。颜色色调(Hue值)作为亮度(Lightness)的高维度表现形式，其裸眼辨识度和图像传感辨识度均有更高水平，因为人视网膜内含有以红/绿/蓝视锥细胞为代表的大量感光细胞，使得人眼对于色调变化的敏感程度往往强于明暗变化。将传统单色亮度响应转变为高色纯度发光探针的色调变化机制，可实现高灵敏的人眼区间定量视觉判读。借助双信号同步响应可进一步屏蔽激发光源、环境光等外界条件对强度的干扰，并可设计反向变化信号放大机制。
另一方面，金属氧化物半导体元件(CMOS)通常被用作便携式智能手机的图像传感器。其工作原理为：复合光通过红/绿/蓝(RGB)滤色片阵(Bayer Pattern)将颜色拆分为三基色分量，所对应的光电二极管阵列中的每个像点接收红/绿/蓝三基色中的一个分量，随后生成拜尔片阵图像也称为原生数据(Raw Data)；再通过去马赛克的图像重建方法将原生图像转换为JPEG、TIFF等格式的三基色图像。采用纯净的红/绿/蓝三基色光作为检测信号输入，与RGB阵列中的各采集通道相匹配，可有效降低图像信息损失，提升免疫分析性能。
以化学合成手段精确控制三基色RGB发光基元是获得高辨识度视觉判读与手机拍照定量的前提条件。半导体片状纳米晶与目前发展迅速的量子点同属于Ⅱ-Ⅵ族，与三维受限的量子点不同，半导体纳米晶只在厚度维度上一维量子受限，因而半高峰宽(FWHM)可以低至10-20nm，而通常量子点的发射峰半峰宽在20-40nm，因此具备更高的颜色纯度的片状纳米晶相比于量子点更适合作为三基色发光基元。然而油相合成的片状纳米晶表面被疏水有机链覆盖，使得其应用受限于激光光源、高性能显示器件及照明等领域，将片状纳米晶的应用拓展到生物光学传感领域要求开发新的片状纳米晶水溶性修饰策略。目前已发展的片状纳米晶水溶性修饰方法主要为对单一纳米颗粒进行表面配体替换、磷脂分子层包覆、两亲性聚合物分子层包裹等策略，纳米晶表面亲水层受硫醇分子吸附-脱附平衡、两亲分子胶束结构的热/动力学稳定性等制约，其水分散体的光学/胶体稳定程度与可集成度仍有待提升。对于构筑液相悬浮与胶体分散的R/G/B多色生物探针而言，需对发光基元进行可控组装与化学修饰来实现信号放大、水分散性以及胶体/光学稳定性等特征。为解决以上问题：首先，需开发适合于二维片状纳米晶形貌特征的特殊组装模板与组装方法。从基元组装与填充效率上来看，将表层负载模式拓展为载体内三维空间填充模式，将在组装体均一度，尤其是信号单元分布密度方面获得显著提升。其次，需发展片状纳米晶的低损伤可控集成与逐步表面极性转换策略，以保持纳米晶表面微化学环境及其荧光发射特征。
本发明针对二维片状纳米晶特殊的狭长片状结构，开发了树枝状介孔二氧化硅(dSiO2)作为三维孔道介孔模板，通过对孔道表面巯基改性，利用金属-巯基作用力对片状基元进行牢固的深层次、均匀分布负载，然后在片状基元外表面利用疏水有机硅烷逐层表面转换的修饰策略，获得高亮度、窄发射水相分散的RGB探针。最后，本文在此基础上开发了绿红颜色渐变与色调识别模式的去仪器化诊断新冠N蛋白抗原，以解决单色荧光需要荧光仪器定量，且读取结果时单色信号相邻强度不易区分的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶、其可控组装结构及试纸条和应用。本发明公开了一种将片状纳米晶和树枝状二氧化硅模板形成可控组装结结构的制备方法，旨在提供一种高负载纳米晶、明亮的、信号增强的同时具备颜色高分辨能力的新型荧光探针。首先通过高温热注射方法调控元素组成和反应时间，合成绿色、黄色和红色片状纳米晶，产物的发射波长半峰宽在20-30nm。以阴离子辅助法和致孔剂调节树枝状二氧化硅模板的孔径，可用于可控负载纳米晶，同时调节其尺寸使其满足侧流免疫层析应用的需要。组装体转水相后在外层包覆一定厚度的二氧化硅薄层，将孔道内的纳米晶与外界复杂环境隔绝，同时提供后续改性位点。以此为基础进行羧基化后偶联新冠标记抗体形成片状纳米晶探针(iSNS)，用于荧光免疫层析平台检测新冠N蛋白抗原。
本发明采用的技术方案如下：
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶，其特征在于包括绿色和/或黄色型片状纳米晶以及红色型片状纳米晶，它们均为核-缓冲层-壳型片状纳米结构，红色型片状纳米晶是以CdSe为核心，绿色和黄色型片状纳米晶均是以S元素掺杂的CdSeS为核心，三者均是以CdS作为缓冲层且以ZnS作为壳层，使最终纳米晶的发射波长在540-640nm范围内且发射峰半峰宽均在20nm-30nm之间。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶，其特征在于纳米晶的制备方法包括以下步骤：
1)纳米晶核心采用CdSe或者以S元素掺杂的CdSeS，CdSeS中摩尔比S：Cd≤0.37；
2)以十八烯ODE为溶剂，醋酸镉、油胺、油酸锌、辛硫醇和纳米晶核心CdSe或CdSeS在溶剂中混合反应，于280-320℃温度下反应15-40min，降温至室温之后，加入正己烷和乙醇沉淀产品，用乙酸乙酯洗涤纯化后，即制备完成；
所述醋酸镉和油酸锌均是提前于80-100℃加热熔融形成液体，以便用于反应；
制备红色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1:0.05-0.06:0.08-0.12:0.3-0.35，以CdSe为核心；
制备绿色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1:0.15-0.16:0.8-1.0:2.5-3.0，以S元素掺杂的CdSeS为核心；
制备黄色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1:0.065-0.07:0.2-0.22:0.6-0.7，以S元素掺杂的CdSeS为核心。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，本发明所述可控组装过程包括以将开放的树枝状二氧化硅三维孔道模板化实现疏水片状纳米颗粒基元的深层次包埋、逐步表面极性转换修饰策略，以实现其水溶性化及高效、稳定发光，拓展其生物医学应用。以巯基化修饰的树枝状介孔二氧化硅dSiO2-SH微球为模板，在模板dSiO2-SH上亲和组装所述红色、绿色或黄色型片状纳米晶构建油溶性组装体dSiO2-NPLs。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，其特征在于在模板dSiO2-SH上亲和组装所述红色、绿色或黄色型片状纳米晶构建油溶性组装体dSiO2-NPLs的过程为：将模板dSiO2-SH加入至含所述红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs的甲苯溶液中，超声5-10分钟处理后获得均匀分散的溶液，通过离心除去上清液，用甲苯洗涤后，即获得油溶性组装体dSiO2-NPLs；其中，所述甲苯溶液中红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs的浓度为8-12mg/mL，红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs与模板dSiO2-SH的投料比为1.8-2.2:1。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，其特征在于以所述油溶性组装体dSiO2-NPLs为原料，经转水相后偶联抗体制备可控组装纳米晶探针，具体过程如下：对所述油溶性组装体dSiO2-NPLs，以正辛基三甲氧基硅烷/甲醇/氨水为水解体系经硅烷化修饰，组装体转水相后，通过法利用正硅酸乙酯TEOS在其表面水解生长二氧化硅薄层，以便将孔道内的纳米晶与外界复杂环境隔绝；接着，依次通过3-氨丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰、以及通过丁二酸酐进行羧基修饰，将羧基修饰的组装体与抗体进行偶联以及封闭，最终获得基于颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针。以上组装过程同时适用于有机相热注射法合成的，油胺/油酸等疏水配体修饰的半导体片状纳米晶。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，其特征在于通过3-氨丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰的过程为：将组装体分散在乙醇中，加入氨水和3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应10-15h，之后离心，用乙醇清洗，即获得表面带有氨基基团的组装体。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，其特征在于通过丁二酸酐进行修饰的过程为：将带有氨基基团的组装体分散在含有丁二酸酐的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌反应3-5h，之后离心，用乙醇和水清洗，即获得羧基修饰的组装体。
所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装结构，其特征在于将羧基修饰的组装体与抗体进行偶联以及封闭的过程为：将羧基修饰的组装体加入pH＝6.0PB缓冲液中，加入NHS和EDC，于摇床中室温孵育20～40min；随后离心收集产物；将产物重悬于pH＝7.4PB缓冲液中，加入标记抗体，室温摇床反应2～3h；反应结束后，离心，分散在pH＝7.4PB缓冲液中，加入终浓度1.5-2.5mg/ml乙醇胺猝灭偶联反应，然后加入10％w/v的反式脂肪酸BSA封闭2h；随后离心收集微球，用pH＝7.4PB缓冲液洗涤后，保存在蛋白缓冲液中冷藏保存。
所述的一种用于荧光免疫层析平台检测新冠N蛋白抗原的免疫层析试纸，其特征在于包括样品垫、结合垫、硝酸纤维素膜、吸水纸和聚苯乙烯底板，硝酸纤维素膜搭接在聚苯乙烯底板上，样品垫、结合垫依次叠压在硝酸纤维素膜的左端，吸水纸叠压在硝酸纤维素膜的右端；所述硝酸纤维素膜上设置靠近结合垫的检测线T线、靠近吸水纸的一条控制线C线；所述结合垫上包被所述的可控组装纳米晶探针，所述可控组装纳米晶探针中组装有本发明的红色、绿色或黄色型片状纳米晶；所述硝酸纤维素膜的T线上包被新冠N蛋白单克隆抗体以及与可控组装纳米晶探针组装的片状纳米晶不同色型的片状纳米晶；所述硝酸纤维素膜的C线上包被羊抗鼠抗体IgG。例如，所述可控组装纳米晶探针中组装有红色型片状纳米晶，硝酸纤维素膜的T线上包被新冠N蛋白单克隆抗体以及与绿色或黄色型片状纳米晶不同色型的片状纳米晶。
所述的一种用于荧光免疫层析平台检测新冠N蛋白抗原的免疫层析试纸的应用，其特征在于将含有不同抗原浓度的新冠N蛋白的样品液滴加至免疫层析试纸条的样品垫上，在吸收垫的毛细作用力下，抗原流经结合垫并与探针结合，在硝酸纤维素膜上完成反应；3-10min后用手机针对硝酸纤维素膜的T线拍照，定量读取信号进行分析，照片上的T线颜色的色相值(hue值)可以通过手机RGB取色器直接读取，然后以读取的色相值(hue值)为纵坐标，以不同抗原浓度的新冠N蛋白浓度为横坐标绘制标准曲线。进行实际样品检测时，将实际样品液滴加至免疫层析试纸条的样品垫上，3-10min后用手机针对硝酸纤维素膜的T线拍照，T线颜色的色相值(hue值)通过手机RGB取色器直接读取并代入标准曲线中，即可推断出实际样品中新冠N蛋白的浓度。
本发明的关键点在于：
1、本发明提供了一种绿色、黄色和红色核-缓冲层-壳型片状纳米晶的合成方法，其特征在于，以高温热注射合成方法合成，以CdSe以及S元素掺杂的CdSeS为核-缓冲层-壳纳米晶的核心，以不同厚度的CdS和ZnS作为缓冲层和壳层调控最终纳米晶在540-640nm范围内的发射波长。绿色、黄色和红色发射峰半峰宽均在20nm-30nm之间。
2、本发明提供了将片状纳米晶和树枝状二氧化硅球模板形成可控组装结构的制备方法。该方法为片状材料组装进入开放的狭长孔道提供了思路，在孔道中完成纳米晶深层次负载过程中纳米晶表面几乎没有收到损伤，实现了高负载率的同时保证了纳米晶原有的形貌和物理性质，作为信号探针而言实现了单颗粒纳米粒子的信号放大策略。
3、本发明提供了一种基于片状纳米晶-树枝状二氧化硅球结构的探针的荧光免疫层析应用。具体可以采用三明治夹心法、竞争法等形式完成定量检测或者半定量检测。同时将窄发射高色纯度比色模式应用于免疫层析，借助片状纳米晶窄发射高纯度的特性，构建了一种颜色识别型比色检测模式应用于免疫层析，其检测结果可以被裸眼可视化识别信号、通过手机拍照实现低浓度快捷定量。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
本发明可以在检测对象浓度区间内拥有更多裸眼可分辨的荧光颜色。
目前的核-缓冲层-壳型片状纳米晶合成产物的发射波长主要集中在橙色(590nm)到红色(630nm)，本发明采用核-缓冲层-壳的策略，使用硫化镉作为硒化镉和硫化锌之间或掺硫的硒化镉和硫化锌之间的缓冲层，减少了核-缓冲层-壳之间晶格错配造成的影响，增加了合成过程的稳定性和可控性，同时利用对加入缓冲层和壳层前驱体用量的调整实现了纳米晶的发射波长可调(540-640nm)。
将片状纳米晶应用到生物检测领域需要克服油相转水相的技术问题，目前基于片状纳米晶的转水相过程通常伴随着剧烈的荧光猝灭过程，本发明利用配体部分替换的策略最大程度的保留了原纳米晶的物理性质，并后续使用两相硅烷进一步保护了纳米晶受到来自水相的影响，提高了产物的稳定性，并最终实现了免疫层析检测平台上的应用。
以量子点为代表的荧光材料仍受到光谱展宽的影响，限制了其在多重检测和精细定量方面的应用。本发明采用的片状纳米晶拥有低维结构，只在厚度方向一维受限，从根本上确保了窄发射波长，减少了颜色混合时的光谱基线重叠区域，提高了相近的信号输出的可辨识度，从而提高了以片状纳米晶探针为基础的荧光试纸条的精确定量和多重检测能力。
附图说明
图1为本发明实施例制得的红色、绿色和黄色片状纳米晶的TEM对比结果；
a)绿色片状纳米晶，b)黄色片状纳米晶，c)红色片状纳米晶的TEM电镜图，插入图分别为荧光照片和合成结构示意图，d)红色片状纳米晶的高分辨TEM电镜图。
图2为本发明iSNS纳米球的合成路线和结构示意图；
图3为实施例4合成的各产物的TEM表征对比结果；
图4为油相片状纳米晶和水相组装体的荧光光谱图；
图4上下两部分分别为油相片状纳米晶(绿色gNPLs，黄色yNPLs和红色rNPLs)和水相组装体(绿色gSNS，黄色ySNS和红色rSNS)的荧光光谱图，插入图为紫外照片。
图5为红绿色片状纳米晶探针微球混合物的荧光表征对比结果；
图5中：a)红绿色片状纳米晶探针微球以10:0、8:2、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9、0:10比例混合得到的荧光光谱，b)将a图中得到的荧光光谱输入无色温CIE1931xy.V.1.6.0.2a软件得到的坐标点，c)b图中得到的坐标点附近的色块，以及根据CIE94的lab模型计算相邻色块的两两色差数值。
图6为免疫层析分析原理以及测试结果；
图6.a)片状纳米晶荧光多色免疫层析检测新冠N蛋白抗原示意图，b)片状纳米晶荧光多色免疫层析检测新冠N蛋白抗原浓度梯度在0-2000ng/ml的检测结果，c)T线手机颜色读取对新冠N蛋白抗原浓度的非线性拟合结果，d)20ng/ml-100ng/ml的新冠抗原浓度的线性拟合结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
红色片状纳米晶的合成
将510mg十四酸镉和36mg硒粉和45ml ODE加入100ml三口烧瓶中，在95℃下真空脱气1h，使用Schlenk管在氩气流环境下设置加热温度为240℃加热，在190～195℃之间加入103.3mg二水合醋酸镉，在240℃保持反应温度10min，空气降温，在185℃时注射1.5ml油酸后降至室温，加入24ml正己烷和乙醇纯化得到CdSe晶核。
取脱气后的ODE制备前驱体：
镉前驱体：醋酸镉使用时需要在80-100℃预融化成液体，向2ml ODE中加入2ml醋酸镉液体。
锌前驱体：油酸锌使用时需要在80-100℃预融化成液体，向0.5ml ODE中加入0.25ml油胺和0.75ml油酸锌液体。
硫前驱体：向4ml ODE中加入84ul辛硫醇。
将10ml脱气后的ODE加入100ml三口烧瓶中，设定温度300℃快速升温，当温度到达150℃时，交替注射0.5ml镉前驱体和0.5ml硫前驱体，然后注射4ml CdSe的ODE溶液(OD＝20)，然后交替注射2.6ml镉前驱体和2.6ml硫前驱体，之后交替注射1ml锌前驱体和1ml硫前驱体，加毕，在300℃延长反应时间20min，空气降温，温度降至220℃时冰浴降至室温。加入10ml正己烷和乙醇沉淀产品，用乙酸乙酯纯化两次除去CdS晶体，得到CdSe/CdS/ZnS核-缓冲层-壳片状纳米晶，产品溶解在甲苯中，保存在2～8℃干燥环境下。
实施例2：
绿色片状纳米晶的合成
将510mg十四酸镉和36mg硒粉和45ml ODE加入100ml三口烧瓶中，在95℃下真空脱气1h，使用Schlenk管置换为氩气环境，加入3ml S粉的ODE溶液(浓度0.1M)作为硫源，设置加热温度为240℃加热，在190～195℃之间加入103.3mg二水合醋酸镉，在240℃保持反应温度10min，空气降温，在185℃时注射1.5ml油酸后降至室温，加入24ml正己烷和乙醇纯化得到CdSeS晶核。
镉前驱体、锌前驱体以及硫前驱体的配制参见实施例1。
将10ml脱气后的ODE加入100ml三口烧瓶中，设定温度300℃快速升温，当温度到达150℃时，交替注射0.5ml镉前驱体和0.5ml硫前驱体，然后注射4ml CdSe的ODE溶液(OD＝20)，然后交替注射0.6ml镉前驱体和0.6ml硫前驱体，之后交替注射3ml锌前驱体和3ml硫前驱体，加毕，在300℃延长反应时间20min，空气降温，温度降至220℃时冰浴降至室温。加入10ml正己烷和乙醇沉淀产品，用乙酸乙酯纯化两次除去CdS晶体，得到CdSeS/CdS/ZnS绿色核-缓冲层-壳片状纳米晶，产品溶解在甲苯中，保存在2～8℃干燥环境下。
实施例3：
黄色片状纳米晶的合成
将510mg十四酸镉和36mg硒粉和45ml ODE加入100ml三口烧瓶中，在95℃下真空脱气1h，使用Schlenk管置换为氩气环境，加入3ml S粉的ODE溶液(浓度0.1M)作为硫源，设置加热温度为240℃加热，在190～195℃之间加入103.3mg二水合醋酸镉，在240℃保持反应温度10min，空气降温，在185℃时注射1.5ml油酸后降至室温，加入24ml正己烷和乙醇纯化得到CdSeS晶核。
镉前驱体、锌前驱体以及硫前驱体的配制参见实施例1。
将10ml脱气后的ODE加入100ml三口烧瓶中，设定温度300℃快速升温，当温度到达150℃时，交替注射0.5ml镉前驱体和0.5ml硫前驱体，然后注射4ml CdSe的ODE溶液(OD＝20)，然后交替注射2ml镉前驱体2ml硫前驱体，之后交替注射1.6ml锌前驱体和1.6ml硫前驱体，加毕，在300℃延长反应时间20min，空气降温，温度降至220℃时冰浴降至室温。加入10ml正己烷和乙醇沉淀产品，用乙酸乙酯纯化两次除去CdS晶体，得到CdSeS/CdS/ZnS绿色核-缓冲层-壳片状纳米晶，产品溶解在甲苯中，保存在2～8℃干燥环境下。
图1中的分图a、b、c分别对应实施例2绿色片状纳米晶、实施例3黄色片状纳米晶和实施例1的红色片状纳米晶的TEM电镜图，图1(d)为图1(c)的高分辨透射电镜图像。图1的a-c主要证明片状纳米晶的成功合成：呈长方体形貌，分散性良好，产品纯度较高，尺寸大概在20nm*5nm*2.5nm，图1的d图的晶格说明壳层的良好包覆。
图4上半部分分图中的gNPL、yNPL和rNPL即分别为实施例2绿色片状纳米晶、实施例3黄色片状纳米晶和实施例1的红色片状纳米晶，均为油相纳米片。图4上半部分分图中，左上角为各个纳米晶在365nm紫外灯激发荧光照片，右下角为对应荧光光谱。根据gNPL、yNPL和rNPL的荧光光谱结果可以看出：绿色片状纳米晶波长为543.5nm、黄色片状纳米晶波长为568.5nm、红色片状纳米晶波长为624nm。图4中的QY即为荧光量子产率，gNPL、yNPL和rNPL的纳米晶量子产率(QY％)均超过可用于荧光免疫检测的20％的要求。图4中左下角FWHM即为右下角对应荧光光谱中荧光峰的半峰宽，可以看出gNPL、yNPL和rNPL纳米晶的半峰宽均在20-30nm之间，有利于不同纳米晶之间的光谱基线分离。
实施例4：
1、树枝状介孔二氧化硅球(dSiO2)模板的合成及其巯基功能化修饰：
在一个100ml单口烧瓶中加入0.136g的三乙醇胺(TEA)并溶解于50ml去离子水中。然后将油浴锅温度设定为80℃，待温度稳定后中速磁力搅拌0.5h。接下来，添加0.684g的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和0.515h的水杨酸钠(NaSal)，并继续搅拌1小时。之后，加入8ml的正硅酸四乙酯(TEOS)，并在接下来的3.5h内持续搅拌。在反应结束后，通过中速离心收集到纯白色沉淀，然后将白色沉淀超声分散在预先混合的200ml浓盐酸(质量分数36％)和甲醇(体积比1：1)溶液中，在60℃下磁力搅拌6h完成一次萃取过程，重复萃取过程一次以除尽有机模板CTAB。萃取完成后，使用乙醇进行数次洗涤以获得树枝状介孔二氧化硅球(dSiO2)，将树枝状介孔二氧化硅球(dSiO2)固体在100ml乙醇中超声分散。在一个100ml单口烧瓶中加入上述树枝状介孔二氧化硅球(dSiO2)的乙醇溶液与0.3ml(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷(MPS)并滴加2.5ml氨水，常温下高速搅拌持续12h。在反应结束后，通过中速离心收集到白色沉淀，使用乙醇多次洗涤除去氨水和MPS，并将产物分散在50mL乙醇中，获得巯基功能化修饰孔道的树枝状介孔二氧化硅球模板(dSiO2-SH)。
实施例4步骤1的操作步骤对应于图2合成路线示意图中的第1步。实施例4步骤1获得的dSiO2-SH的TEM电镜图以及dSiO2-SH切片的TEM电镜图，分别参见图3中的分图a和分图d，可以看出：产品形貌规整，直径在300nm左右，具备放射性径向孔道，孔直径在20nm左右，适合条状或者片状颗粒的组装。
2、半导体片状纳米晶的负载(dSiO2/NPLs)及转水相(dSiO2/NPLs-OTMS)：
取1mL上述dSiO2-SH的乙醇溶液，离心除去上清液后获得沉淀(约10mg dSiO2-SH)，并置于空气中稍干后加入含硒化镉/硫化镉/硫化锌片状纳米晶(NPLs，选择为实施例1-3合成的红色、绿色或黄色片状纳米晶中的一种)的甲苯溶液2mL(分散浓度10mg/mL)，经过超声7min处理后获得均匀分散的溶液，通过离心除去上清液，用甲苯洗涤除去未结合的NPLs，获得组装NPLs的油溶性组装体(dSiO2/NPLs)。将200μL的辛基三甲氧基硅烷(OTMS)添加到前面提到的油溶性组装沉淀物中。将混合物超声处理几分钟，直至其溶解成均匀的溶液。接下来，加入30mL甲醇和0.75mL氨水的溶液，然后超声处理30min。可以通过离心收集产生的沉淀物，并且可以用甲醇洗掉任何多余的未结合的OTMS。最后，将产物分散于33mL水和50μL氨水的溶液中，并在室温下以中速搅拌18h。这将导致有机硅壳的形成和表面硅烷改性复合物(dSiO2/NPLs-OTMS)的产生。
实施例4步骤2的操作步骤对应于图2合成路线示意图中的第2步和第3步，组装NPLs的油溶性组装体(dSiO2/NPLs)及其切片的TEM电镜图分别参见图3中的分图b和分图e，负载特征为深层次、均匀负载有颗粒，证明片状纳米晶的成功负载。
3、SiO2包覆(SNS)及羧基化(SNS-COOH)：
通过法对dSiO2/NPLs-OTMS表面进行硅烷生长，将上述的dSiO2/NPLs-OTMS离心除去上清，取离心后的dSiO2/NPLs-OTMS约20mg超声分散至20mL乙醇中，随后加入5mL水以及0.625mL氨水，同时加入20μL硅酸四乙酯(TEOS)中速搅拌反应，间隔1h后重复加入一次TEOS，共反应2h，两次共计加入TEOS 40微升。反应结束后离心收集产物，随后用乙醇洗涤三次以除去多余的TEOS，随后分散至8mL乙醇溶液中，获得表面二氧化硅包裹的SNS纳米复合物。将上述SNS溶于40mL乙醇，随后加入1mL氨水，40μL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)，在室温下搅拌12h，得到氨基修饰的SNS-NH2。随后用乙醇洗涤除去多余的APTES，分散在20mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，并加入100mg丁二酸酐，继续搅拌4h，得到羧基修饰的SNS微球(SNS-COOH)。用乙醇和水洗涤产物数次后，最后分散在PB缓冲液(pH＝6.0，0.01mol/L)中。
实施例4步骤3的操作步骤对应于图2合成路线示意图中的第4步，得到的表面二氧化硅包裹的SNS纳米复合物及其切片的TEM电镜图分别参见图3中的分图c和分图f，可以看出树状二氧化硅负载片状纳米晶后在表面负载一层二氧化硅保护层，二氧化硅层清晰可见。
图4下半部分分图中的gSNS、ySNS和rSNS即为实施例4中步骤2的dSiO2上分别组装绿色片状纳米晶、黄色片状纳米晶或红色片状纳米晶后继续完成SiO2包覆(SNS)及羧基化(SNS-COOH)修饰后的产物，即分别为绿色、黄色或红色片状纳米晶组装体，均为水相纳米片。图4下半部分分图中，左上角为SNS在365nm紫外灯激发荧光照片，右下角为对应荧光光谱。绿色片状纳米晶组装体波长为543.5nm、黄色片状纳米晶组装体波长为569nm、红色片状纳米晶波长为624nm；左下角的纳米晶量子产率(QY％)仅有很少部分的下降，且仍符合用于免疫检测的要求；左下角FWHM即为右下角荧光光谱中荧光峰的半峰宽，可以看出纳米晶组装体的波长和半峰宽基本和纳米晶的荧光光谱没有差别，说明纳米晶的物理性质在组装过程中得到了保持。
图4为三种片状纳米晶、三种纳米晶组装体的荧光性质的表征对比结果，首先可以直观的看到三色纳米晶的波长分布，FWHM即为半峰宽均在20-30nm之间；且在组装过程中纳米晶的荧光性质得到了保留，没有发生波长的红移或者蓝移。通常来讲，油相纳米晶转水相过程中会发生很大比例的荧光猝灭，本发明采用的方法保留了纳米晶的物理性质，QY即为荧光量子产率只存在很小比例的下降；另外QY需在20％以上才具备免疫检测过程中的荧光信号识别和区分的要求。
图5中的①至⑨对应于图4中的gSNS与rSNS依次分别以10:0、8:2、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8、1:9和0:10的质量比混合的组装体。按照上述过程，总计得到9组片状纳米晶探针微球。
图5是对所述9组片状纳米晶探针微球的表征结果汇总，用作实施例4中步骤4的红绿颜色混色后颜色可区分的的理论可行性验证。图5的分图a为gSNS和rSNS以不同比例混合后得到的荧光光谱图，红色和绿色的纳米晶以不同比例混合后的组装微球(即片状纳米晶-树枝状二氧化硅组装体合成实例1的步骤3的最终产物)得到的荧光光谱图，荧光图可以看出用于混色的微球的荧光强度比例，用于混色后的荧光强度保持一致。
图5的分图c可看出gSNS和rSNS混色后色块与理论模拟保持一致，相邻色块颜色可以人眼区分，试纸条颜色渐变模式在理论上可行。
图5用于验证纳米晶混色得到分辨信号的可行性验证，图5的分图c中的相邻色差值大部分都超过5，人眼可清晰分辨两种颜色，图5的分图c上半部分为混合色的理论颜色，下半部分为实际的微球混合颜色，可以看到微球实际混合后相邻色块的色差值超过5，因此在试纸条上做微球混合后得到不同浓度对应不同色相值的颜色信号是可行的。
4、基于SNS-COOH开发的绿红颜色渐变与色调识别模式的诊断新冠N蛋白抗原：
1)信号探针(iSNS)的制备
以两步法活化SNS-COOH表面羧基，取2mg SNS-COOH溶液离心，弃去上清，以10mMPB 6.0缓冲液超声分散后10000rpm离心，微球复溶在2ml 10mM PB6.0缓冲液中，加入1.25mg EDC和1.25mg Sulfo-NHS,超声均匀后在室温下摇床反应30min。10000rpm离心重悬除去羧基活化试剂，加入2ml 10mM PB7.4缓冲液分散；然后向溶液中加入40μg新冠N蛋白单克隆抗体，在室温下反应2.5h；反应完后离心，分散在2ml 10mM PB7.4中，加入终浓度2mg/ml乙醇胺猝灭偶联反应，然后加入10％w/v的反式脂肪酸BSA封闭2h。反应完毕用10mMPB7.4洗涤三次，产物以4mg/ml的浓度分散于1ml蛋白缓冲液中2～8℃下保存(蛋白保存液配方为10mM PBS pH＝7.4,含0.1％BSA,0.01％吐温-20)。
实施例4步骤4的分步1)对应于图2示意图中的第5步。
2)基于iSNS信号探针的免疫层析试纸的制备及检测
首先用样品垫处理液(Tris-HCl体系，pH调至7-8之间，含0.12％EDTA，0.5％吐温-20,1％海藻糖，0.04％酪蛋白酸钠)处理样品垫，用结合垫处理液(PB体系，20mM PB7.4溶液中含有0.5％牛血清蛋白，0.5％吐温20,0.1％酪蛋白酸钠，3％海藻糖)，在37℃下干燥至少3.5h；在结合垫上以喷金的方式喷涂信号探针iSNS(3mg/ml)，在37℃下干燥4h。以划膜喷金仪(XYZ三维划膜喷金仪HM3030)对NC膜划线，测试线上：将17.6ul新冠N蛋白单克隆抗体溶液(4.8mg/mL)和6ug片状纳米晶绿色微球混合后以0.75μL/cm的浓度固定包被抗体，质控线上：将羊抗鼠抗体IgG(1mg/mL)用0.75μL/cm的浓度固定，在37℃下干燥4h。其中实施例4步骤2半导体片状纳米晶的负载中NPLs选择实施例1制备的红色片状纳米晶，即信号探针iSNS的组成结构中包含红色片状纳米晶。随后将处理好的样品垫、结合垫、NC膜和吸水纸依次组装，并用切条机切成3.8mm宽的纸条于密闭条件下保存(温度25℃，湿度不高于40％)。将含有不同抗原浓度的新冠N蛋白的样品液滴加到样品垫上，抗原流经结合垫并与探针结合，在NC膜上完成反应。3-10min内即可使用手机拍照并定量读取信号进行分析，以T线上颜色的色相值(hue值)作为纵坐标，以不同抗原浓度的新冠N蛋白浓度为横坐标绘制标准曲线，结果见图6的分图c。
实施例4步骤4的分步2)对应于图6中分图a，分图a主要示意了检测过程。分图b为分图a中的实际免疫层析结果，可以看到试纸条的T线随抗原浓度增加由绿色逐渐为红色，试纸条的C线全部为红色；分图c为T线拍照取点取颜色hue值做标准曲线，R2为0.974；分图d为分图c中的线性区间，线性区间为20ng/ml-100ng/ml，R2为0.991，说明hue值与抗原浓度线性相关性好。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (6)

1.一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针，其特征在于以巯基化修饰的树枝状介孔二氧化硅dSiO2-SH微球为模板，在模板dSiO2-SH上亲和组装红色、绿色或黄色型片状纳米晶构建油溶性组装体dSiO2-NPLs；
在模板dSiO2-SH上亲和组装所述红色、绿色或黄色型片状纳米晶构建油溶性组装体dSiO2-NPLs的过程为：将模板dSiO2-SH加入至含红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs的甲苯溶液中，超声5-10分钟处理后获得均匀分散的溶液，通过离心除去上清液，用甲苯洗涤后，即获得油溶性组装体dSiO2-NPLs；其中，所述甲苯溶液中红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs的浓度为8-12 mg/mL，红色、绿色或黄色型片状纳米晶NPLs与模板dSiO2-SH的投料比为1.8-2.2:1；
以所述油溶性组装体dSiO2-NPLs为原料，经转水相后偶联抗体制备可控组装纳米晶探针，具体过程如下：对所述油溶性组装体dSiO2-NPLs，以正辛基三甲氧基硅烷/甲醇/氨水为水解体系经硅烷化修饰，组装体转水相后，通过Stöber法利用正硅酸乙酯TEOS在其表面水解生长二氧化硅薄层，以便将孔道内的纳米晶与外界复杂环境隔绝；接着，依次通过3-氨丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰、以及通过丁二酸酐进行羧基修饰，将羧基修饰的组装体与抗体进行偶联以及封闭，最终获得基于颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针；
所述红色、绿色或黄色型片状纳米晶，均为核-缓冲层-壳型片状纳米结构，红色型片状纳米晶是以CdSe为核心，绿色和黄色型片状纳米晶均是以S元素掺杂的CdSeS为核心，三者均是以CdS作为缓冲层且以ZnS作为壳层，使最终纳米晶的发射波长在540-640 nm范围内且发射峰半峰宽均在20 nm-30 nm之间；
所述纳米晶的制备方法包括以下步骤：
1）纳米晶核心采用CdSe或者以S元素掺杂的CdSeS，CdSeS中摩尔比S：Cd≤0.37；
2）以十八烯ODE为溶剂，醋酸镉、油胺、油酸锌、辛硫醇和纳米晶核心CdSe或CdSeS在溶剂中混合反应，于280-320 ℃温度下反应15-40 min，降温至室温之后，加入正己烷和乙醇沉淀产品，用乙酸乙酯洗涤纯化后，即制备完成；
所述醋酸镉和油酸锌均是提前于80-100 ℃加热熔融形成液体，以便用于反应；
制备红色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1 :0.05-0.06 : 0.08-0.12 : 0.3-0.35，以CdSe为核心；
制备绿色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1 :0.15-0.16 : 0.8-1.0 : 2.5-3.0，以S元素掺杂的CdSeS为核心；
制备黄色型片状纳米晶时，醋酸镉液体、辛硫醇液体、油胺、油酸锌的体积比为1 :0.065-0.07 : 0.2-0.22 : 0.6-0.7，以S元素掺杂的CdSeS为核心。
2.如权利要求1所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针，其特征在于通过3-氨丙基三乙氧基硅烷进行氨基修饰的过程为：将组装体分散在乙醇中，加入氨水和 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应10-15 h，之后离心，用乙醇清洗，即获得表面带有氨基基团的组装体。
3.如权利要求1所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针，其特征在于通过丁二酸酐进行修饰的过程为：将带有氨基基团的组装体分散在含有丁二酸酐的N,N-二甲基甲酰胺溶液中，搅拌反应3-5 h，之后离心，用乙醇和水清洗，即获得羧基修饰的组装体。
4.如权利要求1所述的一种颜色可调与窄发光的片状纳米晶的可控组装纳米晶探针，其特征在于将羧基修饰的组装体与抗体进行偶联以及封闭的过程为：将羧基修饰的组装体加入pH=6.0 PB缓冲液中，加入NHS和EDC，于摇床中室温孵育20~40 min；随后离心收集产物；将产物重悬于pH=7.4 PB缓冲液中，加入标记抗体，室温摇床反应2~3 h；反应结束后，离心，分散在pH=7.4 PB缓冲液中，加入终浓度1.5-2.5 mg/ml乙醇胺猝灭偶联反应，然后加入10 % w/v的反式脂肪酸BSA封闭2 h；随后离心收集微球，用pH=7.4 PB缓冲液洗涤后，保存在蛋白缓冲液中冷藏保存。
5.一种用于荧光免疫层析平台检测新冠N蛋白抗原的免疫层析试纸，其特征在于包括样品垫、结合垫、硝酸纤维素膜、吸水纸和聚苯乙烯底板，硝酸纤维素膜搭接在聚苯乙烯底板上，样品垫、结合垫依次叠压在硝酸纤维素膜的左端，吸水纸叠压在硝酸纤维素膜的右端；所述硝酸纤维素膜上设置靠近结合垫的检测线T线、靠近吸水纸的一条控制线C线；
所述结合垫上包被权利要求1所述的可控组装纳米晶探针，其中，结合垫上包被的可控组装纳米晶探针中组装红色片状纳米晶；所述硝酸纤维素膜的T 线上包被新冠N蛋白单克隆抗体以及权利要求1所述的可控组装纳米晶探针，其中，T线上包被的可控组装纳米晶探针中组装绿色片状纳米晶；所述硝酸纤维素膜的C线上包被羊抗鼠抗体IgG。
6.如权利要求5所述的一种用于荧光免疫层析平台检测新冠N蛋白抗原的免疫层析试纸，其特征在于：所述免疫层析试纸的应用方法为：将含有不同抗原浓度的新冠N蛋白的样品液滴加至免疫层析试纸条的样品垫上，在吸收垫的毛细作用力下，抗原流经结合垫并与探针结合，在硝酸纤维素膜上完成反应；3-10 min后用手机对硝酸纤维素膜的T 线拍照，定量读取信号进行分析。
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