銅離子的熒光納米檢測方法研究進(jìn)展

牛安春

（中國食品安全報社，北京 100070）

銅是生命體中含量僅次于鋅和鐵的必需微量元素，在各種有機(jī)體的基本生理過程中都發(fā)揮著重要作用[1-2]。機(jī)體攝入過量的銅會導(dǎo)致細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的紊亂，從而引起嚴(yán)重的神經(jīng)退行性疾病[3]。Cu2+已經(jīng)成為環(huán)境污染物的主要成分之一，特別是在飲用水中。銅污染及其對人類的潛在毒性作用仍然是世界范圍內(nèi)具有挑戰(zhàn)性的問題。因此，使用現(xiàn)場分析和快速測定銅離子的高靈敏度和高選擇性的實用方法對食品安全、人類健康和環(huán)境污染監(jiān)測至關(guān)重要。近年來，熒光快速檢測方法以高靈敏度、響應(yīng)迅速、低成本和易于操作的獨特優(yōu)勢受到了研究者們廣泛的關(guān)注，熒光納米探針是能夠發(fā)出熒光信號的一類納米材料，具有響應(yīng)時間短、靈敏度高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)生物傳感、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域[4]。目前用于熒光標(biāo)記的納米探針主要有貴金屬團(tuán)簇、發(fā)光量子點、納米復(fù)合材料和熒光聚合物納米粒子。

1 基于貴金屬團(tuán)簇的熒光納米探針

貴金屬團(tuán)簇（Noble Metallic Nanoclusters，NMNCs）是由Au、Ag等貴金屬的幾個至幾十個原子組成的具有熒光、水溶性的分子級聚集體。與其他熒光納米粒子相比，貴金屬團(tuán)簇具有獨特的發(fā)光性質(zhì)，如較大的斯托克斯位移和高光穩(wěn)定性。LIU[5]等以聚甲基丙烯酸鈉鹽為模板，通過水熱法合成了熒光銀納米簇探針（AgNCs）。該探針熒光可在Hg2+或Cu2+存在下淬滅，檢測線性范圍分別為10 nmol/L至20 μmol/L或10 nmol/L至30 μmol/L。通過使用乙二胺四乙酸鹽（Ethylenediamine Tetraacetate，EDTA）作為Cu2+的掩蔽劑，可以高靈敏度（LOD=10 nmol/L）檢測Hg2+與Cu2+共存，這也為Cu2+提供了可重復(fù)使用的檢測方法。DING[6]等通過綠色的方法設(shè)計了一種熒光納米探針。在22 ℃和pH=8下將二硫蘇糖醇（Dithiothreitol，DTT）作為封端劑和還原劑合成熒光金納米簇，首次實現(xiàn)了在簡單溫和條件下合成貴金屬團(tuán)簇。該探針能以高選擇性和高靈敏度識別銅離子，線性為0～60 μmol/L，檢出限為 8 μmol/L。目前，貴金屬團(tuán)簇已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于銅離子的可視化檢測中，但在多數(shù)研究中這些納米簇仍然無法將銅與其他一些金屬離子（例如汞離子）區(qū)分開，只能加掩蔽劑進(jìn)行處理，所以制造高選擇性的貴金屬團(tuán)簇依舊是未來研究的方向。

2 基于量子點的熒光納米探針

量子點（Quantum Dots，QDs）是近年來發(fā)展起來的一種半導(dǎo)體熒光納米顆粒[7]。發(fā)光的波長可通過量子點尺寸調(diào)控，具有較高的發(fā)光效率、較大的斯托克斯位移等優(yōu)點。其光譜范圍涵蓋可見光區(qū)域，能在其他離子存在下定量檢測Cu2+，靈敏度高。

2.1 基于金屬量子點的熒光納米探針

LU[8]等基于Cu2+誘導(dǎo)的CdTe量子點的熒光帶移現(xiàn)象開發(fā)出了一種視覺檢測Cu2+的新策略。該策略為檢測Cu2+提供了超高的選擇性，可以有效防止伴隨離子的干擾。此外，該方法無需復(fù)雜的預(yù)結(jié)合步驟或昂貴、復(fù)雜的設(shè)備即可實現(xiàn)銅離子的視覺檢測，節(jié)約成本。對于生物樣品和環(huán)境樣品中銅離子的現(xiàn)場檢測，該策略具有很大潛力。KUMAR[9]等采用經(jīng)過表面硫脲改性的Cds量子點來作為飲用水和地下水中銅離子檢測的熒光納米探針，加入銅離子，量子點熒光淬滅。結(jié)果表明，該探針在2 min內(nèi)即可快速完成檢測過程，在0.025～10.000 mg/L呈現(xiàn)線性相關(guān)，整個過程伴隨著藍(lán)色至無色的顏色變化。目前應(yīng)用這種表面鈍化的Cds量子點作為試劑盒探針來實現(xiàn)現(xiàn)場快速、靈敏的檢測銅離子的策略是今后發(fā)展的重要方向。

2.2 基于碳量子點的熒光納米探針

碳量子點（Carbon Quantum Dots，CQD）是由分散的類球狀碳顆粒組成的具有熒光性質(zhì)的納米碳材[10]。目前，已經(jīng)報道了各種用于銅離子檢測的基于碳量子點的熒光納米探針。WANG[11]等通過超聲波輔助化學(xué)氧化法從石油焦中制得黃色熒光碳量子點用于水中銅離子檢測。與藍(lán)色熒光碳量子點相比，黃色熒光碳量子點更易于肉眼分辨。該探針具有0.25～10.00 μmol/L的線性檢測范圍，0.029 5 μmol/L的檢測極限，3 s的響應(yīng)時間。與已報道的碳量子點熒光探針相比具有易于準(zhǔn)備、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)使用的特點。

基于量子點的熒光納米探針，檢測限可達(dá)到納摩爾級別，遠(yuǎn)低于市面現(xiàn)有銅試劑盒的響應(yīng)時間，有望成為今后現(xiàn)場檢測的新方法，但是量子點自身的毒性極大地限制了其實際應(yīng)用。所以開發(fā)相對環(huán)保的銅離子熒光傳感器也將成為今后的主要研究方向。

3 基于納米復(fù)合材料的熒光納米探針

3.1 基于貴金屬團(tuán)簇與量子點的熒光納米探針

目前，很多研究應(yīng)用貴金屬納米團(tuán)簇與量子點結(jié)合來制作比例熒光納米探針。通過峰強(qiáng)度比值的變化擴(kuò)大動態(tài)響應(yīng)的范圍，通過建立內(nèi)標(biāo)極大地削弱探針濃度、溫度、pH值等可變因素的干擾，從而實現(xiàn)對目標(biāo)物質(zhì)的定量分析[12]。BABAEE等[13]設(shè)計了一種創(chuàng)新的雙發(fā)射比例納米混合探針，該探針由紅色發(fā)光的（Ag/Au）@胰島素納米簇和藍(lán)色發(fā)光的碳量子點（CQD）組成，用于測定銅離子和汞離子。該探針僅通過控制探針溶液的pH值即可切換探針對這兩個離子的選擇性，而無需使用任何螯合劑。探針在酸性條件下（pH=4.0）僅對汞離子有選擇性，在堿性條件下（pH=10.0）時僅對銅離子有選擇性，實現(xiàn)了自來水和礦泉水樣品中汞離子和銅離子的測定。LIU[14]等合成超支化聚乙烯亞胺保護(hù)的銅納米團(tuán)簇（hPEI-CuNCs），然后將其綴合到CdSe量子點上，以設(shè)計比例熒光探針。Cu2+可以與hPEICuNCs的胺基相互作用導(dǎo)致熒光淬滅，使顏色發(fā)生黃綠色至紅色的改變，檢出限為8.9 nmol/L。與單個熒光淬滅探針相比，此方法提供了對環(huán)境干擾的內(nèi)置校正，且顯示出強(qiáng)大的視覺檢測能力。此外，該比例熒光探針已成功應(yīng)用于實際水樣中Cu2+的檢測，充分證明了其在環(huán)境樣品和生物樣品分析中的巨大潛力。

3.2 基于無機(jī)納米粒子的熒光納米探針

近期以無機(jī)硅殼型材料為主的納米顆粒引起了眾多關(guān)注。復(fù)合熒光二氧化硅納米粒子由功能性的內(nèi)核、可生物修飾的硅以及修飾在表面的生物分子構(gòu)成，其內(nèi)核可以是有機(jī)熒光染料、量子點等。發(fā)光性質(zhì)穩(wěn)定、顆粒分布均勻、表面光滑，是一種新型的超微檢測納米探針。

ZONG[15]等將染料摻雜的二氧化硅核用作參考信號，通過Cu2+的螯合劑將響應(yīng)染料共價接枝在二氧化硅納米顆粒的表面。此納米探針為準(zhǔn)確檢測Cu2+提供了有效的平臺，檢出限低至10 nmol/L，可以快速檢測真實水樣中的Cu2+。CHEN[16]等通過混合羅丹明衍生物和CdTe @ SiO2QDs制造了一種新型納米熒光探針，用于對Cu2+進(jìn)行檢測。這種納米混合傳感器對Cu2+檢測具有優(yōu)異的選擇性、靈敏度和抗干擾性，檢出限低至8.4 nmol/L。此外，已經(jīng)通過將PVA和RL-CdTe @ SiO2的混合物固定在普通濾紙上，設(shè)計了一種用于視覺檢測水溶液中Cu2+的簡單紙基測試設(shè)備，裸眼檢出極限約為0.5 μmol/L，可應(yīng)用于現(xiàn)場視覺檢測中。

4 基于熒光聚合物納米粒子的熒光納米探針

熒光聚合物納米粒子又稱半導(dǎo)體聚合物納米粒子，是指由熒光聚合物形成的不連續(xù)相的分散納米顆粒[17]。2009年，F(xiàn)RIGOLI[18]等設(shè)計了一種核殼結(jié)構(gòu)的雙發(fā)射熒光聚合物納米粒子，其表面由配體環(huán)拉胺修飾，核結(jié)構(gòu)中嵌入2種熒光素分別為9,10-聯(lián)苯蒽（供體）與PM567（受體）。這兩種熒光素會在銅離子的激發(fā)下持續(xù)引起熒光共振能量轉(zhuǎn)移。研究證實了高分子熒光聚合物納米粒子能作為一種很實用的模板對金屬離子進(jìn)行檢測，進(jìn)而將熒光探針引入納米級的概念。基于上述原理，ZHANG[19]等通過采用一種簡便的一鍋微乳液聚合技術(shù)，也構(gòu)建了基于核-殼納米粒子的FRET系統(tǒng)。此實驗將熒光染料共價結(jié)合到顆粒核和Cu2+配體即乙烯基芐基環(huán)酰胺（Vinyl Benzyl Cyclic Amide，VBC）中，形成了環(huán)酰胺官能化的熒光聚合物納米粒子。在加入Cu2+后，會由于粒子內(nèi)的熒光共振能量從疏水性PMMA核中的染料轉(zhuǎn)移至納米粒子表面上的Cu2+–Cyclam絡(luò)合物從而導(dǎo)致熒光淬滅，檢出限為500 nmol/L，在水性介質(zhì)中對銅離子的檢測亦表現(xiàn)出優(yōu)異的長期的光穩(wěn)定性（＞45 d）。因此，這種方法也為環(huán)境和生物應(yīng)用中的銅離子比例檢測提供了一種新策略。

綜上，基于納米材料檢測銅離子的熒光納米探針具有超短的響應(yīng)時間和超高的靈敏度等優(yōu)點。但是大多數(shù)熒光傳感器仍具有一些固有的缺點，如貴金屬團(tuán)簇的原材料相對昂貴，量子點自身的毒性，聚合物納米粒子復(fù)雜的合成等，這些限制了人們進(jìn)一步的研究，妨礙了在食品安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物成像等多方面的實際應(yīng)用。因此，如何在原有基礎(chǔ)上優(yōu)化探針性能、解決上述缺陷將成為今后面對的一大挑戰(zhàn)。

5 結(jié)語

銅離子在機(jī)體的生長、發(fā)育等生命活動中發(fā)揮著重要的作用，與疾病的發(fā)生、環(huán)境污染密切相關(guān)。因此，發(fā)展高靈敏度、高選擇性的銅離子熒光探針對于食品安全、環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷等方面都具有非常重要的意義。目前，銅離子熒光探針檢測限已低至皮摩級別，檢測時間可達(dá)1 min以內(nèi)，這些高靈敏度、高選擇性、快速響應(yīng)的探針在現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域必將有廣泛的前景，為研究者今后進(jìn)一步設(shè)計、開發(fā)銅離子試劑盒提供了重要的材料與依據(jù)。但是，很多探針具有合成復(fù)雜且昂貴及多在有機(jī)溶劑中使用的性質(zhì)，限制了人們在生物標(biāo)記、醫(yī)療診斷等方面對銅離子的進(jìn)一步研究。基于目前銅離子檢測探針的研究現(xiàn)狀，在未來幾年，發(fā)展新型銅離子熒光探針應(yīng)著重注意以下3個方面的問題。①開發(fā)具有更高選擇性、更高靈敏度、更短響應(yīng)時間的銅離子熒光探針，對銅離子進(jìn)行實時、原位、可視化檢測。②發(fā)展簡便、經(jīng)濟(jì)的新策略，實現(xiàn)實際樣品的大批量現(xiàn)場監(jiān)測。③提高熒光探針在細(xì)胞或器官中的保留能力以及生物相容性、降低生物毒性，為進(jìn)一步探索其生理學(xué)功能奠定基礎(chǔ)。