第一作者： 郭静，张建
通讯作者： 张建，张奎
通讯单位： 安徽工业大学化学化工学院
论文DOI： https://doi.org/10.1002/adfm.202507278
荧光发色团的光漂白现象常因激发光诱导的结构降解被视为光学传感与生物成像的瓶颈问题，但本研究发现Mn2+掺杂Zn2GeO4纳米棒（ZGO:Mn NRs）的光漂白行为呈现出独特机制：尽管紫外辐照下其荧光与长余辉强度显著衰减（光电子转移至表面吸附O2生成•O2-引发静态猝灭，同时光生空穴积累增强非辐射复合），材料晶体结构却保持完整，未发生传统量子点或染料的光化学降解。基于此特性，血红蛋白（HGB）可通过催化清除•O2-及空穴，快速恢复ZGO:Mn NRs的辐射复合路径，实现荧光/余辉发光的可逆调控。该机制被转化为超灵敏HGB检测平台，检出限低至0.80 nmol/L，并成功应用于多孔（棉布、滤纸）与非孔（金属、塑料）基底表面潜血痕迹的可视化识别，兼具抗复杂环境干扰能力。研究突破性地将光漂白从限制性缺陷转化为可控传感工具，为新型发光材料设计及生物医学检测、法医痕量分析等领域的应用开辟了新范式。
荧光团在长时间高能激发光光照下后会暂时失去或永久失去其发光能力，通常意味着荧光团的微观结构和组成由于各种光化学反应（如氧化还原反应、分子内重排、断裂或与其他分子反应）而发生不可逆的变化。虽然，对半导体量子点、稀土掺杂纳米晶体、分子染料和荧光蛋白等材料的光谱白过程进行了详细的探讨，但是我们对光漂白的探索仍然有限，特别是对于具有新发光特性的材料。Mn2+掺杂的Zn2GeO4纳米棒（ZGO:Mn NRs）作为一种新型的光学材料，具有能够在没有连续光激发的情况下储存激发能并持续发光的特性，在数据存储、防伪、传感和生物成像等应用中极具价值。此外，ZGO:Mn NRs中的本征晶体缺陷通过促进电荷载流子分离和减少电子-空穴复合可增强其光催化活性，从而促进ROS的产生。然而，一个关键的问题出现了：照射过程中产生的ROS是否也会诱导长余辉发光ZGO:Mn纳米棒发生光漂白，从而损害ZGO:Mn NRs的光学稳定性或结构完整性？与此同时，光漂白被认为是阻碍光学传感和生物成像的关键因素，对检测准确性、灵敏度和可重复性有不利影响。如何将光漂白效应，传统上被认为是分析传感领域的局限，用于调控传感体系中光信号，进而实现对各种分析物的光学传感，将有助于新型的光学传感器的设计。
本研究首次发现ZGO:Mn纳米棒在紫外辐照下呈现荧光/长余辉显著衰减但结构稳定的独特光漂白现象，并创新性将其转化为可控传感机制，开发出血红蛋白（HGB）超灵敏检测与法医潜血可视化新技术。本研究的核心创新点如下：
机理创新：揭示•O2-静态猝灭与光生空穴非辐射复合的协同光漂白机制，证实材料在强辐照下仍保持晶体结构的完整性；
传感突破：基于HGB清除•O2-及空穴的特性，构建发光恢复型传感器，实现0.80 nM级HGB检测，灵敏度优于传统荧光素探针；
应用革新：建立多基底（多孔/非孔）潜血痕可视化检测体系，解决法医痕量血迹在复杂界面（金属、织物等）的精准识别难题，并通过时间门控技术有效排除次氯酸等假阳性干扰。
图1：(a,d) 不同pH条件（7.0–10.0）下合成的ZGO:Mn NRs的荧光激发/发射光谱及长余辉发光特性; (b, e) 在254 nm紫外辐照（0.14mW/cm2）下的荧光猝灭与长余辉衰减光谱; (c, f) ZGO:Mn NRs的荧光和长余辉衰减动力学曲线; (g)不同pH合成样品的荧光光漂白照片。
图1a所示，除pH 7.0样品外，所有ZGO:MnNRs均呈现高度一致的荧光激发/发射光谱，且均具有超100秒的长余辉衰减特性（图1d）。其中pH 9.5合成的样品因最优的荧光与长余辉性能被选为光漂白机制研究对象。该样品在254 nm紫外灯（0.14 mW/cm2）照射下发生快速荧光猝灭（0.12mg/mL浓度下荧光强度降低90.13%），而不同pH（7.0-10.0）合成的NRs经紫外处理后均呈现荧光强度下降趋势。进一步研究表明，长余辉光漂白行为中，pH 9.5样品余辉强度也降低了75.55%，且所有pH梯度合成的NRs长余辉光都出现了下降，但总体上其光稳定性优于荧光信号模式。
图2： (a) 光功率密度和(b)ZGO:Mn NRs的浓度对光漂白效应的影响; (c) ZGO:Mn NRs与传统荧光材料（荧光素、CdTe QDs）的光漂白性及(d)相应的荧光照片; (e) 不同pH下合成的ZGO:Mn NRs的长余辉寿命和光漂白之间的关系; (f) ZGO:Mn NRs中缺陷态介导的长余辉机理示意图; (g) 不同pH下合成的ZGO:Mn NRs的氧空位EPR信号。
图2a揭示了光功率密度对ZGO:MnNRs光漂白行为的调控规律：在低功率（0.01-0.02 mW/cm2）下荧光与长余辉保持稳定，但功率提升至0.10 mW/cm2时触发快速光漂白，且高浓度（1.20 mg/mL）样品的光漂白速率显著低于稀溶液（0.12 mg/mL）。对比传统绿色荧光材料（CdTe量子点、FITC）发现，ZGO:Mn NRs特有的长余辉特性使其即便在低功率光照下仍表现出更显著的光漂白敏感性。通过系统分析不同pH（7.0-10.0）合成样品的性能（图2e），发现pH 9.5样品长余辉持续时间最优（435 s），但其光漂白敏感性也最高，与余辉稳定性排序（pH 9.5<10.0<9.0<8.0<7.0）形成负相关。图2g显示pH 9.5时氧空位浓度达到峰值，证实缺陷态密度的增加在延长余辉的同时也加剧了光漂白敏感性。这一现象揭示了缺陷工程对光功能材料性能的双刃剑效应——虽然氧空位通过增加陷阱态密度提升余辉性能，但同时也通过促进光生载流子非辐射复合加速了光漂白进程，但是具体调控机制仍需进一步深入解析。
图3：(a) 在去离子水和脱氧水中ZGO:Mn NRs的光漂白行为; (b, c) 光照前后ROS的EPR光谱; (d) 加入ROS清除剂后ZGO:Mn NRs的光漂白行为; (e) 光漂白前后ZGO:Mn的TEM图像(左)和粒度分布(右); (f) 光漂白前后ZGO:Mn NRs的XRD光谱; (g)不同•O2−浓度对ZGO:Mn NRs的荧光信号的影响；(h) 光漂白前后ZGO:Mn NRs的荧光寿命。
对照实验（图3a）表明，脱氧溶液中ZGO:MnNRs的荧光强度仅降低17.95%，显著低于未脱氧体系的86.21%降幅，证实氧分子参与光漂白过程并暗示活性氧（ROS）的关键作用。通过EPR自旋捕获实验（图3b-c），在光照下检测到显著的•OH和DMPO-•O2-信号，而1O2信号可忽略，初步锁定•O2-和•OH为潜在ROS物种。进一步采用TBA（•OH清除剂）、NaN3（1O2清除剂）及SOD（•O2-清除剂）验证发现：添加SOD后荧光显著恢复，而TBA/NaN3处理无显著影响，明确•O2-为ROS诱导光漂白的主导因子。与传统认知不同，STEM/XRD表征（图3e-f）显示ZGO:Mn NRs在光漂白后仍保持晶体完整性（长轴~70 nm）与单分散性，归因于其宽禁带（4.75 eV）抑制了•O2-对晶格的氧化蚀刻，类似于核壳量子点中无机壳层的保护机制。为探究•O2-的猝灭机制，验证实验显示：随•O2-浓度升高（至~2.5 mM），Mn2+特征发射（536 nm）完全猝灭，但时间分辨荧光寿命（~13 ms）与吸收光谱均未变化，排除了动态猝灭、FRET及内滤效应，证实•O2-可通过与材料形成非荧光基态复合物引发静态猝灭，是ZGO:Mn NRs光漂白的原因之一。
图4: (a) 光照-离心-再分散循环后的荧光变化点线图; (b) 30分钟暗态荧光间隔下的荧光衰减曲线; (c) 紫外光照射下ZGO:Mn NRs的zeta电位变化曲线图; (d) 光照前后TEPMO-h+的ERP信号; (e) 在水和甲醇溶液中的光漂白行为; (f, g)辐照过程中光漂白机制。
图5：HGB的加入对光照射后ZGO:Mn NRs的(a)荧光和(c)长余辉光谱；荧光(b)和长余辉发光信号(d)与HGB浓度之间的点线图：(e) HGB加入对光漂白后ZGO:Mn NRs的Zeta电位的影响；(f)加入HGB后DMPO-•O2− EPR信号的变化图；(g, h )HGB检测相应的选择性和抗干扰。
血红蛋白（HGB）作为红细胞中氧转运的核心金属蛋白，其亚铁离子介导的氧结合特性使其成为法医血迹鉴定与临床健康评估的关键标志物。传统HGB检测依赖荧光素探针的催化氧化（易光漂白）或鲁米诺化学发光（信号瞬态，~2-5 s），存在显著局限。本研究利用光漂白ZGO:Mn NRs开发新型传感平台：添加HGB后，其荧光(图5a)与长余辉(图5c)同步恢复，荧光检测线性范围为2.50 nmol/L–0.10 μmol/L，检出限达0.80 nmol/L(图5b)；长余辉检测线性区间19.80 nmol/L–1.20 μmol/L（R2=0.9921），LOD为3.70 nmol/L（图5d），且信号3分钟内快速稳定。机制研究表明，HGB通过配位吸附（羟基与Zn2+结合）清除光生空穴（h+）及•O2-; Zeta电位由漂白后的-1.50 eV恢复至-4.27 eV，EPR证实h+与•O2-信号被消除，揭示了h+诱使HGB-Fe2+氧化为Fe3+，Fe3+再被•O2-还原为Fe2+且•O2-转化为O2。该过程通过Fe2+/Fe3+氧化还原与O2再生形成稳定加合物，阻断非辐射复合路径，实现NRs发光恢复与抗漂白强化，即使在持续光照下仍保持稳定。
图6：（a）基于光漂白的ZGO:Mn NRs水凝胶珠用于HGB检测；（b）光漂白ZGO:Mn NRs对血迹的荧光可视化响应图片；（c）将鞋类在各种表面（包括地板、桌面、泡沫板、棉纤维、石灰墙、塑料板和垃圾袋）上的印记的潜伏血迹可视化；（d）光漂白ZGO:Mn NRs分别暴露于血迹和NaClO后的荧光响应光谱。
基于光漂白ZGO:MnNRs的光响应特性，我们开发了水凝胶微球传感体系，实现水中痕量HGB的超灵敏检测（图6a），并可揭示阳光不可见的潜血痕迹。实际血液样本测试显示，0.01%稀释血液仍能触发显著荧光恢复，成功识别鞋面潜血（图6b）。该方法适用于多类基底（无孔：瓷砖、金属等；多孔：棉布、滤纸），即使在自发荧光背景下仍可清晰成像鞋印血迹（图6c）。针对次氯酸（HClO）消毒剂的假阳性干扰，研究发现其诱导的荧光信号在110秒内衰减至基线，而真实血迹发光可稳定维持>20分钟（图6d）。通过集成时间门控检测技术，有效区分瞬态干扰与稳定信号，显著提升检测特异性与抗干扰性，为法医现场复杂环境下的潜血痕鉴定提供了高可靠解决方案。
ZGO:MnNRs在光激发下因超氧自由基的静态猝灭与光生空穴增强的非辐射复合协同作用，表现出显著荧光及长余辉光漂白，但其晶体结构在光漂白过程中保持完整，区别于传统量子点与染料的降解行为。引入血红蛋白可高效清除h+及•O2-，逆转非辐射路径并恢复发光，由此构建出血红蛋白高灵敏度检测平台，同时实现多类型基底表面潜血痕迹的高效检测与抗干扰识别。该研究为开发兼具优异光稳定性与功能可调性的新型发光材料提供了机理指导，并拓展了其在生物传感与痕量分析中的应用潜力。
张建，安徽工业大学副教授、博士生导师，博士毕业于中国科学技术大学。研究方向为新型发光纳米材料的设计与合成，光学器件的设计与制备及其对环境有害物和生物小分子的识别与鉴定研究。以通讯作者或第一作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., Biosens. Bioelectron., J. Hazard. Mater.等国际期刊上发表SCI论文30多篇，并获得国家授权发明专利7件。主持国家自然科学基金面上项目，青年基金各一项，其他纵横项课题4项。
张奎，安徽工业大学，二级教授，博士生导师。安徽省学术和技术带头人，享受省政府特殊津贴专家，连续入选全球前2%顶尖科学家榜单。主要从事公共安全化学测量、光化学及光功能材料等领域研究。曾获宝钢优秀教师奖、安徽省自然科学一等奖、安徽省教学成果一等奖等奖励。先后主持国家自然科学基金3项，安徽省杰出青年科学基金等部省级项目8项。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Anal. Chem.等期刊上发表SCI论文160多篇，被引用6800多次，获国家授权发明专利10多件。担任中国感光学会光学传感与诊疗专业委员会委员及《Chinese Chemical Letters》《Acta Physico-Chimica Sinica》《Rare Metals》等期刊青年编委。
声明
“邃瞳科学云”直播服务
