銅納米團(tuán)簇的制備及其熒光性能研究進(jìn)展

袁斌霞，孫永軍，李 敏，秦德昭，王道累，劉建峰，曹 盛

(1.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)(2.廣西大學(xué) 廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004)

1 前 言

隨著測(cè)量與表征技術(shù)的進(jìn)步，納米科學(xué)和技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)高度跨學(xué)科的新興研究領(lǐng)域。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，關(guān)于金屬納米顆粒(metallic nanoparticles, MNPs)的研究取得了豐富的成果。近幾年，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)MNPs的尺寸接近電子的費(fèi)米波長(zhǎng)時(shí)，其粒子特性消失，譜帶變成離散能級(jí)[1]，表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)；這些尺寸介于原子與納米粒子之間的超小粒子被稱為金屬納米團(tuán)簇(metal nanoclusters, MNCs)[2]。相較于量子點(diǎn)與有機(jī)染料等熒光材料，MNCs具有出色的光穩(wěn)定性、大的斯托克斯位移及低毒性，可以補(bǔ)充甚至取代傳統(tǒng)的熒光探針，為熒光檢測(cè)和生物標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展提供了巨大的機(jī)會(huì)。

在過(guò)去的10余年中，MNCs的相關(guān)研究發(fā)展迅速，研究人員制備了多種新型熒光MNCs，使用的材料主要集中在Au及Ag，而非常有前途的銅納米團(tuán)簇(Cu NCs)受到的關(guān)注較少。與貴金屬納米團(tuán)簇需要昂貴的前驅(qū)體相比，制備Cu NCs的前驅(qū)體資源相對(duì)豐富且價(jià)格低廉。首先，本文將介紹Cu NCs的合成方法及性質(zhì)，然后詳細(xì)介紹Cu NCs的光學(xué)性能，主要闡述在蛋白質(zhì)、核酸、小分子、重金屬離子、有機(jī)污染物、pH的檢測(cè)及細(xì)胞成像中的應(yīng)用研究，并展望Cu NCs未來(lái)的研究方向。

2 銅納米團(tuán)簇的合成方法

Cu NCs因其低成本、低毒性、良好的生物相容性和優(yōu)異的熒光性而備受關(guān)注，但由于Cu NCs比表面積大，易發(fā)生團(tuán)聚，并且在空氣中表面易氧化，從而導(dǎo)致Cu NCs易變質(zhì)。越來(lái)越多的研究者致力于制備穩(wěn)定性強(qiáng)的Cu NCs，常用的Cu NCs制備方法主要是使用Cu2+通過(guò)還原劑和模板在特定環(huán)境下還原。

2.1 模板法

2.1.1 以脫氧核糖核酸(DNA)為模板合成銅納米團(tuán)簇

脫氧核糖核酸(DNA)具有納米級(jí)的結(jié)構(gòu)，無(wú)毒、生物相容性好、特異性識(shí)別分子能力強(qiáng)并且官能團(tuán)豐富，廣泛應(yīng)用于納米團(tuán)簇的合成模板。2010年，Alexandru等[3]首次使用雙鏈DNA(dsDNA)作為模板合成了Cu NCs(圖1)，當(dāng)采用340 nm激光激發(fā)后，所制備的Cu NCs在587～600 nm展現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性能，且熒光強(qiáng)度與dsDNA模板上的堿基對(duì)數(shù)有關(guān)。Qing等研究發(fā)現(xiàn)[4]，含有胸腺嘧啶的DNA(ssDNA)也可以作為合成Cu NCs的模板，制得的Cu NCs表現(xiàn)出良好的熒光特性。此外，DNA/RNA(核糖核酸)嵌合體也可以作為合成Cu NCs的模板，且與以DNA為模板制備的Cu NCs具有相同的光譜特性[5]。

圖1 雙鏈DNA(dsDNA)(a, b)與含有胸腺嘧啶的DNA(ssDNA)(c) 模板合成Cu NCs示意圖[3]Fig.1 Schematic diagram of synthesis of Cu NCs by dsDNA (a, b) and ssDNA (c)[3]

2.1.2 以蛋白質(zhì)為模板合成銅納米團(tuán)簇

蛋白質(zhì)是一種天然模板，可以用于合成不同功能的納米團(tuán)簇，蛋白質(zhì)上的胺基、羧基和硫醇基等基團(tuán)不僅可以充當(dāng)有效的還原劑，還可以作為模板和配體控制Cu NCs結(jié)構(gòu)，提高其穩(wěn)定性。2009年，牛血清蛋白(bovine serum albumin, BSA)首次被報(bào)道用于金納米團(tuán)簇的合成[6]，之后研究人員以BSA為模板對(duì)銀納米團(tuán)簇進(jìn)行了研究。2011年，Goswami等[7]使用BSA為模板合成了水溶性Cu NCs，所制備的團(tuán)簇由Cu5和Cu13組成，且具有藍(lán)色熒光。2015年，Miao等[8]等以木瓜蛋白酶作為模板制備了Cu NCs，可在620 nm處發(fā)射紅色熒光。2015年，Qiao等報(bào)道，雞蛋白(chicken egg white, CEW)可作為模板快速合成綠色熒光的CEW@Cu NCs，并且熒光強(qiáng)度在pH為6.14～12.08范圍內(nèi)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系[9]。除上述研究以外，越來(lái)越多的蛋白質(zhì)被用于合成Cu NCs，如溶菌酶、胰蛋白酶及酵母提取物等[10-12]。

2.1.3 以聚合物為模板合成銅納米團(tuán)簇

聚合物上的官能團(tuán)可以作為Cu2+結(jié)合位點(diǎn)，因此聚合物可以直接用作合成Cu NCs的模板。Crooks研究組[13]以聚酰胺-胺型(polyamidoamine, PAMAM)樹(shù)枝狀大分子為模板和穩(wěn)定劑合成了Cu NCs。聚乙烯亞胺(polyethylenimine, PEI)含有大量的氨基官能團(tuán)，具有較強(qiáng)的Cu2+絡(luò)合能力。同時(shí)，在還原劑(抗壞血酸、水合肼、甲醛等)的作用下，PEI-Cu2+前驅(qū)體在加熱等條件下獲得PEI-Cu NCs。Song研究組[14]以PEI為模板和保護(hù)劑、油酸(oleic acid, OA)為還原劑，用甲醛刻蝕合成了PEI-Cu NCs(圖2)；當(dāng)反應(yīng)溫度分別為20，50，90和150 ℃時(shí)，PEI-Cu NCs發(fā)射波長(zhǎng)逐漸由 460紅移到600 nm，量子產(chǎn)率分別為8.2%，7.0%，5.3%和4.6%。Wang等[15]以聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone, PVP)作為模板、抗壞血酸為還原劑，制備了藍(lán)色熒光的Cu NCs(430 nm)，量子產(chǎn)率為8%；進(jìn)一步用谷胱甘肽(glutathione, GSH)處理后，量子產(chǎn)率增加到了27%。

圖2 聚乙烯亞胺-Cu納米團(tuán)簇(PEI-Cu NCs)制備示意圖[14]Fig.2 Preparation of polyethylenimine-Cu nanocrystals (PEI-Cu NCs)[14]

2.1.4 以小分子為模板合成銅納米團(tuán)簇

隨著對(duì)Cu NCs研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)采用小分子修飾Cu NCs，會(huì)大大提高Cu NCs的量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性。目前，通常采用的模板主要包括巰基化合物和非巰基化合物。巰基化合物，如GSH、半胱氨酸和硫辛酸，它們都具有巰基官能團(tuán)，該官能團(tuán)既對(duì)Cu2+具有較強(qiáng)的絡(luò)合能力，又具有較強(qiáng)還原性，可以直接將Cu2+還原，形成熒光Cu NCs。Wang等[16]以GSH為還原劑和保護(hù)劑，直接在乙醇中合成Cu NCs，獲得亮橘色的Cu NCs，量子產(chǎn)率達(dá)到48%，遠(yuǎn)高于已報(bào)道的其他Cu NCs。Lin等[17]以巰基苯甲酸(mercaptobenzoic acid，MBA)的3個(gè)同分異構(gòu)體為模板合成熒光Cu NCs。其中，鄰位巰基苯甲酸為模板合成的藍(lán)色熒光的Cu NCs，量子產(chǎn)率達(dá)到13.2%。可見(jiàn)，采用不同異構(gòu)體為模板時(shí)，形成Cu NCs的聚集狀態(tài)不同，導(dǎo)致熒光性質(zhì)差別很大。非巰基化合物主要是指含羧基或者氨基等的小分子。Wang等[18]以腺苷為模板，檸檬酸緩沖液為還原劑，制備了藍(lán)色熒光的Cu NCs，發(fā)射峰位于417 nm。Cao等[19]以單寧酸(tannic acid, TA)為模板、抗壞血酸為還原劑，制備了藍(lán)色熒光的Cu NCs，激發(fā)和發(fā)射峰值分別位于360和430 nm，量子產(chǎn)率為14%，通過(guò)單寧酸中羧酸官能團(tuán)修飾Cu NCs表面，可以有效防止Cu NCs的團(tuán)聚和氧化，提高Cu NCs的穩(wěn)定性。

2.2 無(wú)模板法

微波輻射是一種被廣泛應(yīng)用的新型加工技術(shù)，具有環(huán)保和低能耗的優(yōu)點(diǎn)。微波輻射可以實(shí)現(xiàn)快速均勻加熱，為納米材料的合成提供了均勻的形核和生長(zhǎng)環(huán)境。Hideya等[20]將Cu2+與NaOH分散在乙二醇中，然后置于微波爐中并加以攪拌，合成了具有高穩(wěn)定性的小尺寸Cu NCs(平均尺寸2 nm，圖3)，在350 nm的激發(fā)波長(zhǎng)激發(fā)后，在475 nm顯示出藍(lán)色熒光峰。且在堿性環(huán)境下，乙二醇可發(fā)生乙氧基化反應(yīng)，生成產(chǎn)物可抑制Cu NCs的氧化，增加Cu NCs的穩(wěn)定性。同時(shí)，電化學(xué)合成法是合成各種功能性納米粒子的有效方法。與化學(xué)合成相比，電化學(xué)合成法可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流密度很容易地實(shí)現(xiàn)粒徑控制。Huseyinova等[21]在沒(méi)有任何表面活性劑的情況下，通過(guò)電化學(xué)方法，在水溶劑中合成了粒徑小、單分散性高的Cu NCs，每個(gè)團(tuán)簇由5個(gè)銅原子組成，該Cu NCs激發(fā)波長(zhǎng)224 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為305 nm。該方法為更小尺寸Cu NCs的合成提供了參考。

圖3 微波法制備Cu NCs示意圖[20]Fig.3 Schematic diagram of preparation of Cu NCs by microwave method[20]

3 銅納米團(tuán)簇的熒光特性

Cu NCs的熒光一般來(lái)自占據(jù)的d軌道和費(fèi)米能級(jí)附近能級(jí)態(tài)之間的電子躍遷，或者最高占據(jù)分子軌道(highest occupied molecular orbital，HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(lowest unoccupied molecular orbital，LUMO)之間的電子躍遷。Cu NCs的熒光性質(zhì)與許多因素有關(guān)，如尺寸、模板及有機(jī)溶劑等。

3.1 尺寸影響

Cu NCs的尺寸對(duì)其熒光強(qiáng)度以及發(fā)射波長(zhǎng)都有非常大的影響。Wang等[22]通過(guò)界面刻蝕法制備了熒光Cu NCs，由于量子尺寸效應(yīng)，當(dāng)Cu NCs的平均尺寸從1.8增加到3.5 nm時(shí)，熒光峰從470紅移到600 nm。Han等[23]通過(guò)氨基噻吩合成了Cu NCs，并發(fā)現(xiàn)在溶劑pH=3～7范圍內(nèi)，通過(guò)調(diào)整溶劑pH值，可以促進(jìn)團(tuán)簇間氫鍵的相互作用，形成絡(luò)合作用，增加熒光強(qiáng)度。

3.2 模板影響

模板不僅可以作為Cu NCs的穩(wěn)定劑，還可以對(duì)Cu NCs的熒光性質(zhì)產(chǎn)生影響[24]。Zhang等[25]以不同對(duì)位取代基(4—F、4—Cl、4—Br、4—CH3、4—OCH3)的苯硫酚為模板合成Cu NCs，得到的不同取代基的苯硫酚修飾的Cu NCs具有不同的發(fā)射波長(zhǎng)，并且隨著取代基團(tuán)的供電子性增加，發(fā)射波長(zhǎng)位置逐漸從548紅移至698 nm。表1列出了不同模板制備的Cu NCs的波長(zhǎng)以及量子產(chǎn)率(quantum yield，QY)。

表1 已報(bào)道的具有不同模板的Cu NCs

3.3 溶劑影響

Yuan等[35]以GSH為模板制備了Cu NCs，研究了GSH-Cu NCs在6種有機(jī)溶劑(甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和二甲基亞砜)中的溶劑效應(yīng)。加入不同的有機(jī)溶劑后，GSH-Cu NCs溶液在強(qiáng)光下呈乳白色；在365 nm的紫外燈激發(fā)下，熒光發(fā)射波長(zhǎng)從黃色到紫色變化，熒光強(qiáng)度的順序?yàn)椋篘,N-二甲基甲酰胺>甲醇>二甲基亞砜>乙醇>異丙醇>正丙醇。當(dāng)溶劑由非極性異丙醇轉(zhuǎn)變?yōu)楦邩O性二甲基亞砜時(shí)，發(fā)射峰最大值也發(fā)生了變化；并且GSH-Cu NCs在乙醇溶劑中穩(wěn)定性最好(圖4)。

圖4 不同溶劑合成Cu NCs的熒光特性表征[35]：(a)強(qiáng)光下的溶液顏色，(b)365 nm紫外燈下的溶液顏色，(c)熒光強(qiáng)度，(d)穩(wěn)定性測(cè)試Fig.4 Characterization of Cu NCs synthesized by different solvents[35]: (a) color of solution under strong light, (b) color of solution under 365 nm UV lamp, (c) fluorescence intensity, (d) stability test

4 銅納米團(tuán)簇在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

由于Cu NCs生物相容性好、化學(xué)穩(wěn)定性良好、熒光特性優(yōu)異、斯托克位移大，從而能夠提高檢測(cè)信號(hào)，因此在生物標(biāo)記及熒光成像方面得到了應(yīng)用。

4.1 蛋白質(zhì)檢測(cè)

蛋白質(zhì)具有豐富的官能團(tuán)，為使用Cu NCs對(duì)其檢測(cè)提供了可能。由于Al3+與焦磷酸(pyrophosphoric acid, PPi)的強(qiáng)配位作用，焦磷酸加入到Al3+溶液中會(huì)增強(qiáng)Cu NCs熒光。Ye等[36]研究了無(wú)機(jī)焦磷酸酶(pyrophosphatase，PPase)的檢測(cè)方法：當(dāng)加入PPi后，由于PPi和Al3+之間的親和力更強(qiáng)，降低了Cu NCs熒光強(qiáng)度；而加入PPase可使PPi被水解成兩分子正磷酸鹽(Pi)，熒光強(qiáng)度恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PPase的檢測(cè)，檢測(cè)極限為1.3 μm·mL-1。Hu等[37]發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯磺酸(poly(styrenesulfonate)，PSS)可以提高Cu NCs的穩(wěn)定性，而細(xì)胞色素c(cytochrome，Cyt c)能猝滅PSS-Cu NCs的熒光。同時(shí)，加入胰蛋白酶導(dǎo)致Cyt c水解成小肽片段，會(huì)使PSS-Cu NCs恢復(fù)熒光；因此，通過(guò)該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)Cyt c和胰蛋白酶的檢測(cè)(如圖5)。除此之外，Cu NCs還可以對(duì)糖蛋白、核酸酶及半乳糖苷酶等蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)[38-40]。

圖5 Cu NCs對(duì)Cyt c和胰蛋白酶檢測(cè)示意圖[37]Fig.5 Schematic diagram of Cyt c and trypsin detection by Cu NCs[37]

4.2 核酸檢測(cè)

由于不同單鏈DNA之間可通過(guò)堿基對(duì)形成雙鏈DNA，可作為模板劑合成Cu NCs，這為DNA的檢測(cè)提供了新方法。Chen等[41]構(gòu)建了一種用于人類嗜T細(xì)胞病毒(human T-cell lymphotropic virus，HTLV-I)型DNA的熒光生物傳感器。在HTLV-I DNA的存在下，核酸酶Ⅲ(exoⅢ)可以從DNA中釋放出大量富含腺嘌呤-胸腺嘧啶堿基對(duì)(adenine-thymine, AT)的ssDNA (o-DNA)，釋放出的o-DNA與修飾石墨烯量子點(diǎn)(graphene quantum dots，GQDs)表面的DNA雜交，其最低檢測(cè)限為10 pL·L-1(檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖6)。微小核糖核酸(microRNA, miRNA)表達(dá)水平的變化可以作為診斷不同癌癥的生物標(biāo)志物，通過(guò)3′末端磷酸化的DNA與miRNA雜交反應(yīng)形成可被雙鏈特異性核酸酶(double-stranded specific nucleases, DSN)消化的DNA/RNA異源雙鏈，與miRNA互補(bǔ)的DNA片段被DSN水解釋放出帶有含3′-OH的DNA，并在末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶(terminal deoxynucleotidyl transferase, TdT)的輔助下形成poly T，可作為生成高熒光的Cu NCs的配體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)miRNA的檢測(cè)[42]。因此，通過(guò)不同DNA為模板合成的Cu NCs與多元化學(xué)計(jì)量學(xué)分析相結(jié)合，可以檢測(cè)不同的核酸[43]。

圖6 以HTLV-I型DNA為模板合成Cu NCs及定量檢測(cè)DNA的示意圖[41]Fig.6 Schematic diagram of synthesis of Cu NCs and quantitative detection of DNA using HTLV-I DNA as template[41]

4.3 小分子檢測(cè)

特殊小分子可以通過(guò)表面官能團(tuán)與Cu NCs相互作用，促使Cu NCs結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熒光猝滅，利用此性質(zhì)可以對(duì)特殊小分子進(jìn)行檢測(cè)。半胱氨酸(Cys)被認(rèn)為是一種神經(jīng)毒素，Cys水平不足或過(guò)多會(huì)導(dǎo)致各種疾病。Rajamanikandan等[44]發(fā)現(xiàn)GSH-Cu NCs表面可與Cys的巰基之間發(fā)生金屬-硫醇相互作用，從而引起GSH-Cu NCs的猝滅，該方法中Cys最低檢測(cè)限為8.63×10-9mol·L-1。過(guò)氧化氫(H2O2)是一種重要的生物小分子，參與細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、衰老和癌癥等多種生理過(guò)程。Ling等[45]以PEI為模板合成了Cu NCs，構(gòu)建成熒光納米探針用于檢測(cè)H2O2，最低檢測(cè)極限為0.5 μmol·L-1。除此之外，以PEI為模板合成的Cu NCs也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的檢測(cè)[34]。Shao等[46]發(fā)現(xiàn)諾氟沙星(norfloxacin，NOR)可通過(guò)內(nèi)濾效應(yīng)及團(tuán)聚誘導(dǎo)使以L-蛋氨酸為模板合成的Cu NCs發(fā)生熒光猝滅，實(shí)現(xiàn)對(duì)NOR的快速檢測(cè)，檢測(cè)下限為17 nmol·L-1。另外，Cu NCs對(duì)曲酸及鳥(niǎo)苷5′-三磷酸同樣具有檢測(cè)效果[47, 48]。

4.4 細(xì)胞成像

Cu NCs由于具有合成簡(jiǎn)單、發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)、分散性好、生物相容性好及毒性低等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[49]。與其它成像方法相比，熒光成像在靈敏度、檢測(cè)能力和設(shè)備成本方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[50]。Rajamanikandan等[44]利用GSH修飾的銅納米團(tuán)簇(GSH-Cu NCs)作為熒光探針時(shí)，遇到活細(xì)胞中的Cys會(huì)發(fā)出亮紅色熒光，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)白血病細(xì)胞的成像。Wang等[51]以牛血清蛋白為模板合成了BSA-Cu NCs，可對(duì)人口腔癌細(xì)胞(oral cancer cells，CAL-27)進(jìn)行細(xì)胞成像。Ramadurai等[52]報(bào)道了以3-巰基丙基磺酸鹽(3-mercaptopropyl sulfonate, MPS)為模板的新型Cu NCs，使用異硫氰酸熒光素(fluorescein isothiocyanate，F(xiàn)ITC)濾波器(460～490 nm)產(chǎn)生綠色熒光，對(duì)A549肺癌細(xì)胞進(jìn)行了有效成像?？梢?jiàn)，Cu NCs在生物醫(yī)學(xué)和癌癥診斷應(yīng)用中的具有適用性。

5 環(huán)境領(lǐng)域檢測(cè)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，環(huán)境惡化不僅會(huì)影響人們正常生活，甚至?xí)绊懭藗兊纳眢w健康，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境污染物是環(huán)境保護(hù)和疾病預(yù)防的先決條件。Cu NCs由于其特殊性質(zhì)，可用于離子、有機(jī)污染物及pH值的檢測(cè)。

5.1 離子檢測(cè)

Cu NCs與離子之間會(huì)引起靜電或范德華力，進(jìn)而對(duì)其熒光產(chǎn)生影響[53]。Hg2+、Fe3+及Pb2+等重金屬離子是一種劇毒污染物，會(huì)對(duì)人的大腦、神經(jīng)系統(tǒng)和腎臟等造成重大傷害[54]。Benavides等[55]利用多硫醇聚合物生成Cu NCs，Hg2+可誘導(dǎo)該Cu NCs發(fā)生聚集引起熒光猝滅，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的檢測(cè)，該方法已應(yīng)用于人類尿液檢測(cè)。當(dāng)尿液中Hg2+在10～100 μmol·L-1的范圍內(nèi)時(shí)，會(huì)引起Cu NCs熒光呈線性猝滅。Wang等[56]通過(guò)超聲化學(xué)法，以GSH為還原劑制備了GSH-Cu NCs。GSH-Cu NCs中有游離的羧基和氨基，Pb2+可與之結(jié)合從而使GSH-Cu NCs產(chǎn)生熒光猝滅，Pb2+檢測(cè)的最低極限為1 nmol·L-1。Das等[57]利用GSH作為模板和還原劑合成發(fā)藍(lán)光的GSH-Cu NCs，F(xiàn)e3+離子與GSH-Cu NCs表面電子發(fā)生相互作用從而引起GSH-Cu NCs熒光猝滅，F(xiàn)e3+檢測(cè)的最低極限為25 nmol·L-1。

圖7 Cu NCs檢測(cè)S2-的示意圖[58]Fig.7 Schematic diagram of Cu NCs testing S2-[58]

5.2 pH檢測(cè)

酸堿度(pH值)在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)研究中具有非常重要的作用，會(huì)引起酸雨以及微生物種群的增長(zhǎng)[60]。在不同pH值條件下，用于合成Cu NCs的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)都會(huì)發(fā)生變化。Pandit等[61]使用溶菌酶作為模板合成了Cu NCs，當(dāng)pH值在2.50～7.50范圍時(shí)，Cu NCs的熒光發(fā)射強(qiáng)度和平均衰減時(shí)間隨著溶液pH值的降低而逐漸增加。這是由于隨著pH值的變化，溶菌酶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了Cu NCs的表面結(jié)構(gòu)變化。Miao等[62]發(fā)現(xiàn)BSA在堿性環(huán)境中帶負(fù)電，因靜電排斥作用可阻止BSA-Cu NCs聚集；當(dāng)pH值下降時(shí)，正負(fù)電荷中和，導(dǎo)致BSA-Cu NCs在靜電吸引作用下聚集，使BSA-Cu NCs發(fā)生熒光猝滅。當(dāng)pH值從12變到5時(shí)，該團(tuán)簇?zé)晒鈴?qiáng)度線性降低，可用于檢測(cè)較寬范圍的酸堿度。

5.3 有機(jī)物污染物檢測(cè)

Cu NCs在有機(jī)污染物的檢測(cè)方面也有著廣泛的應(yīng)用。2015年，Zhang等[63]提出了一種檢測(cè)微囊藻素-亮氨酸-精氨酸(micro cystin leucine arginine，MC-LR)的檢測(cè)策略，利用dsDNA-Cu NCs的出色熒光特性，以及它與MC-LR和其適體鏈的特異性識(shí)別功能，因而對(duì)MC-LR具有高靈敏度和高選擇性(檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖8)。Wang等[64]以腺苷為模板合成了Cu NCs，可用于檢測(cè)呋喃妥因(nitrofurantoin，NFT)，具有高靈敏度和高選擇性，可應(yīng)用于對(duì)水體污染物的檢測(cè)。Deng等[65]以BSA為模板合成了Cu NCs，并對(duì)2,4,6-三硝基苯酚(2,4,6-trinitrophenol, TNP)進(jìn)行了熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescenceresonance energy transfer，F(xiàn)RET)檢測(cè)；基于Cu NCs的熒光光譜和TNP在350至450 nm的吸收光譜之間的光譜重疊，首次開(kāi)發(fā)了Cu NCs和TNP的能量供受體對(duì)的估算；在TNP存在下，Cu NCs的熒光急劇猝滅，該方法對(duì)TNP最低檢測(cè)極限為120 nmol·L-1。除此之外，Cu NCs還可用于赭曲霉毒素A及三聚氰胺的檢測(cè)[66, 67]。

圖8 dsDNA-Cu NCs對(duì)微囊藻素-亮氨酸-精氨酸(MC-LR)檢測(cè)示意圖[63]Fig.8 Schematic diagram of MC-LR detection by dsDNA Cu NCs[63]

5.4 溫度檢測(cè)

溫度升高會(huì)導(dǎo)致Cu NCs間熱碰撞頻率和非輻射躍遷增加，同時(shí)也會(huì)使其輻射躍遷和熒光發(fā)射強(qiáng)度降低，基于此可實(shí)現(xiàn)Cu NCs對(duì)溫度的檢測(cè)。Fu等[68]通過(guò)Cu NCs與層狀雙金屬氫氧化物(layered double hydroxide，LDH)合成了高量子產(chǎn)率的Cu NCs/LDHs薄膜材料；當(dāng)溫度為10～60 ℃時(shí)，該材料的熒光強(qiáng)度具有良好的溫度響應(yīng)特性，并具有良好的循環(huán)特性。Ye等[69]以GSH為模板合成了Cu NCs，在生理溫度范圍內(nèi)(20～45 ℃)，在人乳腺癌細(xì)胞MDA-MB-231中具有良好的熱響應(yīng)特性，這項(xiàng)研究為Cu NCs在臨床診斷相關(guān)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用提供了可能。

6 結(jié) 語(yǔ)

在過(guò)去的幾十年里，關(guān)于銅納米團(tuán)簇(Cu NCs)化學(xué)合成的研究已取得了重大進(jìn)展，使其光學(xué)性能可與金納米團(tuán)簇(Au NCs)及銀納米團(tuán)簇(Ag NCs)相匹配。雖然已合成了各種結(jié)構(gòu)的Cu NCs，但其合成機(jī)理的研究仍有不足，在高反應(yīng)速率下，粒徑及組分的精確控制仍有困難，其穩(wěn)定性和發(fā)射波長(zhǎng)仍不能得到精確控制。Cu NCs的應(yīng)用目前僅局限于熒光檢測(cè)方面，研究表明Cu NCs在催化領(lǐng)域也具有很大的應(yīng)用潛力。因此，關(guān)于Cu NCs的研究工作仍有很大的改進(jìn)空間，主要可以從以下幾點(diǎn)出發(fā)：

(1)目前合成的Cu NCs尺寸分布不均、穩(wěn)定性不高，并且Cu NCs的發(fā)射波長(zhǎng)只能通過(guò)產(chǎn)物測(cè)試得到，無(wú)法預(yù)測(cè)。因此，需要繼續(xù)探索Cu NCs的合成機(jī)理和熒光發(fā)射機(jī)理，探索出一種高效、可控的反應(yīng)路線來(lái)制備組分及尺寸可控的Cu NCs，并實(shí)現(xiàn)其熒光發(fā)射波長(zhǎng)的預(yù)測(cè)。

(2)Cu NCs量子產(chǎn)率相對(duì)較低，且Cu NCs發(fā)射波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，從而限制了其在生物成像中的應(yīng)用。因此，如何制備出量子產(chǎn)率高、發(fā)射波長(zhǎng)在可見(jiàn)～紅外范圍內(nèi)可調(diào)的Cu NCs，仍有很大的研究空間。

(3)Cu NCs對(duì)污染物的檢測(cè)精確度容易受到探針濃度、外部環(huán)境及儀器條件變化(如光漂白、散射光等)的影響。因此，提高Cu NCs的穩(wěn)定性及優(yōu)化檢測(cè)物選擇性，或開(kāi)發(fā)新型檢測(cè)響應(yīng)模式的檢測(cè)方法具有重要意義；另外，開(kāi)發(fā)具有污染物檢測(cè)和去除雙重功能的Cu NCs具有重要研究?jī)r(jià)值[70]。

(4)目前，關(guān)于Cu NCs在催化方面的研究報(bào)道較少。金屬尺寸越小，其催化活性越高，且原子數(shù)n≤8的Cu NCs具有較高的氧還原催化特性[71]。同時(shí)，Cu NCs具有較高的比表面積與體積比，這也有利于提升其催化性能；但目前Cu NCs在催化領(lǐng)域的應(yīng)用未得到足夠的重視，關(guān)于Cu NCs催化性能的研究仍有很大的空間。