納米銅簇合成與應(yīng)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究進(jìn)展

單蓮云，任佳姝，王炳熙，陳金龍

(中國(guó)藥科大學(xué) 藥學(xué)院，江蘇 南京 210009)

近年來(lái)，由于納米金屬簇(metal nanoclusters，MNCs)諸多獨(dú)特的化學(xué)、物理及生物學(xué)特性，已受到各國(guó)科學(xué)家的高度關(guān)注[1]。納米金屬簇是指尺寸小于2 nm，介于原子與傳統(tǒng)金屬納米粒子之間，由幾個(gè)到幾十個(gè)金屬原子組成的相對(duì)穩(wěn)定的聚集體。由于其尺寸和電子的費(fèi)米波長(zhǎng)相近，金屬納米粒子的等離子體共振效應(yīng)消失，能級(jí)分裂，能級(jí)譜帶不連續(xù)，使其具有類(lèi)分子的性質(zhì)，如光致熒光、HOMO-LUMO電子轉(zhuǎn)移、氧化還原行為等。除此之外，納米金屬簇合成條件溫和、毒性低且生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，使其成為理想的生物傳感和影像材料[2-4]。

目前，科學(xué)家們主要集中在對(duì)納米貴金屬簇的研究上，如納米金簇、納米銀簇、納米鈀簇、納米鉑簇等材料上。對(duì)于納米銅簇(copper nanoclusters,Cu NCs)的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，主要由于超小尺寸的納米銅簇在環(huán)境中穩(wěn)定性差、易氧化和團(tuán)聚，為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)和不便。而鑒于納米銅簇自身獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)，如：銅源儲(chǔ)量大、廉價(jià)、無(wú)毒、合成方法操作簡(jiǎn)單等，使其成為最具潛力的金屬簇研究對(duì)象，現(xiàn)今已有越來(lái)越多的研究者投入到納米銅簇的研究中，通過(guò)不斷改進(jìn)合成方法和工藝，越來(lái)越多的性質(zhì)優(yōu)良的納米銅簇被相繼報(bào)道，因而具有愈加廣闊的應(yīng)用前景。本文中，筆者介紹了納米銅簇的主要合成方法、理化性質(zhì)以及在分析傳感、化學(xué)催化、生物成像等方面的最新應(yīng)用進(jìn)展。

1 納米銅簇的合成方法

納米銅簇具有超小尺寸、高比表面能、易被空氣氧化等特點(diǎn)，在制備、純化、存儲(chǔ)等過(guò)程中，較易獲得粒徑均勻且穩(wěn)定的團(tuán)簇。當(dāng)前，制備Cu NCs最常見(jiàn)的方法主要有：模板輔助法、化學(xué)還原法及刻蝕法；其他合成法還有微波輔助法、電化學(xué)法、反相微乳法等。

1.1 模板輔助法

模板合成法是研究者們研究制備納米金屬簇的高效合成方法之一。模板分子可提供特定的空間構(gòu)型，通過(guò)和金屬離子的相互作用，對(duì)合成的納米金屬簇的尺寸和形態(tài)均有可調(diào)性。常見(jiàn)的模板分子主要有DNA[5-7]、蛋白質(zhì)[8-11]、硫醇類(lèi)化合物[12-16]、樹(shù)枝狀聚合物[17-18]等。

1.1.1 以DNA為模板

在DNA的4種堿基中，胸腺嘧啶與Cu2+有較強(qiáng)的親和力，因此富含胸腺嘧啶的序列常被用于制備納米銅簇。Rotaru等[5]首次報(bào)道了利用雙鏈DNA(dsDNA)為模板制備納米銅簇的方法(圖1)，在抗壞血酸(AA)和Cu2+的作用下，只有dsDNA可與之反應(yīng)合成納米銅簇，而單鏈DNA(ssDNA)則不能發(fā)生反應(yīng)，并且發(fā)現(xiàn)納米銅簇的尺寸和熒光強(qiáng)度與dsDNA的堿基對(duì)數(shù)成正比，此后有關(guān)DNA為模板功能化的納米銅簇研究逐步加深。Wang等[6]利用聚胸腺嘧啶為模板合成的納米銅簇可作為熒光探針來(lái)檢測(cè)多巴胺。Gao等[7]基于dsDNA模板化Cu NCs的熒光性質(zhì)依賴(lài)于聚(AT-TA)的長(zhǎng)度，開(kāi)發(fā)了一種新的用于檢測(cè)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dam MTase)的無(wú)標(biāo)記熒光分析法，并且還發(fā)現(xiàn)此方法可用于評(píng)估和篩選Dam MTase抑制劑。

圖1 以雙鏈DNA為模板合成納米銅簇的示意[5]Fig.1 Synthesis of Cu NCs using dsDNA as template[5]

1.1.2 以蛋白質(zhì)為模板

蛋白質(zhì)、多肽等物質(zhì)中的氨基酸可提供許多與銅相互作用的位點(diǎn)，且具有良好的生物相容性。以蛋白質(zhì)為模板合成納米銅簇的方法中，牛血清白蛋白(BSA)是最廣泛使用的模板。Rajamanikandan等[8]合成的BSA-Cu NCs可作為精確的熒光納米探針應(yīng)用于肌酸酐的光學(xué)識(shí)別。肌酸酐和BSA-Cu NCs探針之間可形成配位絡(luò)合物使BSA-Cu NCs的熒光顯著降低，該方法成功用于檢測(cè)尿液(人)樣品中的肌酸酐，具有非常好的回收率(97.63%～102.43%)。Wu等[9]設(shè)計(jì)了一種近紅外發(fā)射的以變性牛血清白蛋白為模板的納米銅簇(dBSA-Cu NCs)，用于肝素的痕量檢測(cè)，檢測(cè)限(LOD)低至0.26 ng/mL。除BSA之外，還有利用天然絲素蛋白[10]、木瓜蛋白酶[11]合成納米銅簇的方法。

1.1.3 以硫醇化合物、聚合物為模板

巰基可與Au3+、Ag+、Cu2+等金屬離子之間發(fā)生相互作用，因此巰基類(lèi)化合物也是合成納米銅簇的理想模板。谷胱甘肽(GSH)是這類(lèi)物質(zhì)中最常用的模板，Lin等[12]、Patel等[13]等都分別報(bào)道了將GSH用作還原劑和保護(hù)劑一鍋法制備Cu NCs的方法。其他巰基類(lèi)化合物還有巰基咪唑[14]、硫辛酸[15]、青霉胺[16]等物質(zhì)，可用于Cu NCs的合成。

高分子聚合物憑借其表面的適當(dāng)官能團(tuán)可與各種金屬離子、小分子等結(jié)合形成復(fù)合物的優(yōu)勢(shì)，使其可作為合成納米銅簇的優(yōu)選模板。Wang等[17]合成的聚乙烯吡咯烷酮-納米銅簇(PVP-Cu NCs)具有27%的高量子產(chǎn)率；Ling等[18]利用聚乙烯亞胺(PEI)合成的納米銅簇平均直徑為1.8 nm，發(fā)射峰位置在480 nm處。

錄入患者一般情況、基線實(shí)驗(yàn)室指標(biāo)；分別計(jì)算患者 Child、終末期肝病模型（MELD）、MELD-Na、慢性肝衰竭-序貫器官衰竭評(píng)估 （CLIF-SOFA）和SOFA評(píng)分；記錄28 d生存狀態(tài)、各類(lèi)并發(fā)癥。結(jié)合患者的既往病史、實(shí)驗(yàn)室檢查、影像學(xué)檢查、內(nèi)鏡檢查及病理檢查等對(duì)HBV-ACLF患者既往肝病基礎(chǔ)進(jìn)行再診斷，按照WGO關(guān)于ACLF基礎(chǔ)肝病類(lèi)型分為A、B、C型。分析比較不同臨床分型HBV-ACLF患者的臨床特征，包括實(shí)驗(yàn)室檢查、臨床并發(fā)癥、28 d生存率及預(yù)后影響因素。

1.2 化學(xué)還原法

化學(xué)還原法是指在銅鹽溶液中加入還原劑，將銅離子還原為銅原子再逐漸聚集得到納米銅簇的方法。Hu等[19]以L-組氨酸(L-His)為穩(wěn)定劑，AA為還原劑，合成了激發(fā)/發(fā)射峰在390/485 nm處，平均直徑為3～4 nm的His-Cu NCs。Li等[20]首次在室溫下使用不同的還原劑(N2H4·H2O、NH2OH·HCl和維生素C)原位嵌入單片蛋殼膜(ESM)中得到橙色(N2H4·H2O)和紅色發(fā)光(NH2OH·HCl、維生素C)的納米銅簇(圖2)。蛋殼膜是一種雙層水不溶性生物膜，是納米科學(xué)中良好的還原劑和穩(wěn)定劑。以N2H4·H2O作為還原劑為例：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先將經(jīng)過(guò)預(yù)處理干凈的ESM在CuSO4溶液(50 mmol/L)浸泡10 min，此時(shí)由于Cu2+與ESM表面官能團(tuán)的吸附作用，ESM呈現(xiàn)藍(lán)色，棄去過(guò)量的CuSO4溶液，將ESM轉(zhuǎn)移到N2H4(85%)溶液中，在室溫下5～7 h即可合成橙色發(fā)光的Cu NCs@ESM，此納米復(fù)合材料顯示出優(yōu)異的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，值得稱(chēng)贊的是，這些路線成本極低、且具有環(huán)保、便捷、通用的特點(diǎn)，且已證明它們可被應(yīng)用于檢測(cè)Hg2+。Bao等[21]以AA作為還原劑和穩(wěn)定劑，合成了半胱胺(CA)改性的Cu NCs熒光探針用于水溶液中苦味酸(PA)的測(cè)定。Cu NCs-CA探針顯示了高靈敏度和選擇性，用于測(cè)量自來(lái)水、湖水和河水等實(shí)際樣品中的PA性能優(yōu)越。

圖2 以蛋殼膜為基質(zhì)原位合成納米銅簇的機(jī)制[20]Fig.2 Different synthetic routes for the in situ generation of Cu NCs embedded in monolithic ESM[20]

1.3 化學(xué)刻蝕法

化學(xué)刻蝕法通常先合成較大的納米顆粒，再用適合的方法將不發(fā)光的納米材料刻蝕成發(fā)光的納米金屬簇。Yuan等[22]研究了基于溫和蝕刻環(huán)境通過(guò)靜電誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)換的方法，獲得強(qiáng)熒光的銅、金、銀、鉑簇的通用合成方法(圖3)。主要包括兩個(gè)步驟：第一步是在水相中用硼氫化鈉(NaBH4)還原分解硫醇鹽-金屬中間體制備硫醇保護(hù)的納米金屬簇，但這種原始的納米簇是多分散、非熒光且性質(zhì)不穩(wěn)定的；第二步是將硫醇保護(hù)的納米金屬簇轉(zhuǎn)移到含有十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的有機(jī)相中，有機(jī)相可選擇甲苯或者己烷。在相轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，納米金屬簇表面帶負(fù)電荷的COO-(谷胱甘肽有2個(gè)羧基)和帶正電荷的疏水鹽CTA+通過(guò)靜電相互作用可實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移。納米銅簇在室溫條件下孵化24 h，即可在甲苯相中觀察到強(qiáng)烈的藍(lán)色熒光，其發(fā)射峰在412/438 nm，量子產(chǎn)率為3.5%。這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)：首先這是一種可以合成銅、金、銀、鉑及雙金屬(金/銀、金/鉑)簇的通用方法，通過(guò)相轉(zhuǎn)移的手段容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)且前后保護(hù)配體不發(fā)生改變。其次，有機(jī)相中的熒光金屬簇可以很容易穿梭回水相。例如，在甲苯相中的金屬簇溶液中，加入含疏水鹽四甲基癸酸銨(TMAD)的氯仿后，疏水的癸酸陰離子D-與硫醇保護(hù)的納米金屬簇上的疏水陽(yáng)離子CTA+快速形成疏水鹽(CTA)+D-。去除疏水陽(yáng)離子CTA+的硫醇保護(hù)的納米金屬簇恢復(fù)帶負(fù)電荷狀態(tài)，使它們能夠快速返回水相。最后，用于保護(hù)金屬簇的配體可擴(kuò)展為定制設(shè)計(jì)的多肽，從而有助于該方法的實(shí)際應(yīng)用。

圖3 刻蝕法合成納米銅簇的原理示意[22] Fig.3 Forming Cu NCs by ligand etching method[22]

1.4 其他方法

Pan等[23]在波長(zhǎng)為532 nm的納秒激光脈沖照射下，研究了金納米顆粒與Cu2+離子之間的抗置換反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：可以從CuCl2溶液中提取出平均直徑為2 nm的高純度裸銅納米團(tuán)簇。Au納米顆粒完全轉(zhuǎn)化為Au3+和Au+，這是因?yàn)榈入x子體激元產(chǎn)生的“熱電子”克服了Au納米顆粒和Cu2+離子之間熱力學(xué)反應(yīng)的限制。此外，還發(fā)現(xiàn)裸銅納米簇表現(xiàn)出比具有相似尺寸的配體保護(hù)的Cu NCs高1 500倍的電催化性能，以實(shí)現(xiàn)氧還原反應(yīng)。Jayasree等[24]通過(guò)微波輔助法合成牛血清白蛋白穩(wěn)定的納米銅簇(BSA-Cu NCs)可作為膽紅素的檢測(cè)器，合成的BSA-Cu NCs尺寸小于4 nm，發(fā)射峰在405 nm處。Wang等[25]利用GSH作為還原劑和穩(wěn)定劑，通過(guò)聲化學(xué)途徑得到了在室溫下顯示紅色熒光的超小尺寸和低毒性的納米銅簇，合成的Cu NCs展現(xiàn)出良好的順磁性，有望開(kāi)發(fā)成新的核磁共振成像(MRI)造影劑。

2 納米銅簇的應(yīng)用進(jìn)展

銅簇的熒光特性是由于電子激發(fā)態(tài)sp帶到d帶的帶間轉(zhuǎn)移，或者是占據(jù)最高分子軌道HOMO與最低分子軌道LUMO的帶內(nèi)躍遷。目前，報(bào)道的成功合成的納米銅簇的熒光發(fā)射從藍(lán)光到紅光，覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)[26]。常見(jiàn)的有機(jī)染料如熒光素，在稀溶液中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的熒光，但在濃溶液中或在聚集狀態(tài)下以熱振動(dòng)、碰撞等形式釋放能量導(dǎo)致非輻射躍遷，從而使得熒光猝滅，這種現(xiàn)象叫做聚集誘導(dǎo)猝滅效應(yīng)(ACQ)。而Kwok等[27]發(fā)現(xiàn)有些物質(zhì)在稀溶液中熒光很弱，但在聚集狀態(tài)時(shí)熒光顯著增強(qiáng)，這種反?，F(xiàn)象為聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)(AIE)。而納米銅簇也呈現(xiàn)出良好的AIE現(xiàn)象，進(jìn)一步拓展了其制備強(qiáng)熒光金屬簇探針的應(yīng)用[28]，被廣泛用于金屬離子、陰離子、生物大分子等的檢測(cè)和化學(xué)催化及生物標(biāo)記成像等領(lǐng)域。

2.1 傳感器領(lǐng)域

2.1.1 金屬離子及陰離子的檢測(cè)

目前，納米銅簇已經(jīng)成功應(yīng)用于多種金屬離子的檢測(cè)，如Pb2+[29]、Hg2+[30]、Fe3+[31]、Cu2+[32]和Cr4+[14]等，檢測(cè)的原理為金屬離子可誘導(dǎo)納米銅簇發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移，使得傳感體系發(fā)生熒光增強(qiáng)或淬滅進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)目的，在此之前有諸多總結(jié)，本文著重介紹其最新進(jìn)展，即將納米銅簇應(yīng)用于對(duì)Al3+、Co2+的檢測(cè)。Hu等[33]用二硫蘇糖醇(DTT)作為還原劑和配體(圖4)，室溫條件還原CuSO4水溶液得到橙色熒光的DTT-Cu NCs，其最大發(fā)射波長(zhǎng)為590 nm，激發(fā)波長(zhǎng)為360 nm。在Al3+存在下，可明顯聚集誘導(dǎo)增強(qiáng)Cu NCs的熒光強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上成功開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、靈敏、選擇性好的熒光傳感器，可用于檢測(cè)食品樣品中的Al3+，線性范圍為0.01～7.0 μmol/L，檢測(cè)限為0.01 μmol/L。Boonmee等[34]用半胱胺為封端劑合成了一種單分散、呈球形的納米銅簇，其檢測(cè)限低至26.7 nmol/L，且成功測(cè)定飲用水樣品中的Al3+。此外，Han等[35]開(kāi)發(fā)了室溫下制備溶菌酶穩(wěn)定的Cu NCs(Lys-Cu NCs)，可用于水溶液中Co2+的靈敏檢測(cè)，檢測(cè)限為2.4 nmol/L，線性范圍為10 nmol/L～0.8 μmol/L。

圖4 DTT-Cu NCs用于檢測(cè)Al3+示意[33]Fig.4 Schematic illustration for the detection of Al3+ based on the DTT-Cu NCs[33]

Hu等[19]使用L-組氨酸作為保護(hù)劑合成的納米銅簇建立了一種新型高靈敏度檢測(cè)堿性磷酸酶(ALP)活性的熒光探針。該方法合成的Cu NCs在390 nm的熒光激發(fā)峰與ALP在410 nm處水解產(chǎn)物的特征吸收帶有較好的重疊，可通過(guò)內(nèi)部濾光效應(yīng)(IFE)導(dǎo)致Cu NCs的熒光猝滅。因此，根據(jù)ALP水平與猝滅效率之間的相關(guān)性可進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)限低至0.045 U/L，遠(yuǎn)低于人血清中ALP水平40～190 U/L，此外，該方法可用于檢測(cè)加入人血清樣品中的ALP水平，在實(shí)際診斷應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

Zhang等[38]首次證明了磷酸化Cu NCs用于胰蛋白酶檢測(cè)的應(yīng)用，由于Cu NCs和細(xì)胞色素c(Cyt c)之間的靜電相互作用，Cyt c和Cu NCs可分別作為猝滅劑和熒光團(tuán)。Cu NCs可通過(guò)靜電和疏水相互作用與帶正電荷的Cyt c結(jié)合進(jìn)而有效猝滅Cu NCs的磷光。而在胰蛋白酶存在下，Cyt c被消化，因此保留了Cu NCs的磷光故可用于檢測(cè)胰蛋白酶活性。為評(píng)估所提出方法對(duì)胰蛋白酶檢測(cè)的特異性，進(jìn)行了一系列競(jìng)爭(zhēng)性蛋白BSA、單胺氧化酶A(Mao-A)、單胺氧化酶B(Mao-B)、GSH、焦磷酸酶(PPase)和溶菌酶的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，并與胰蛋白酶進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：除胰蛋白酶外，其他蛋白質(zhì)沒(méi)有顯著改變Cu NCs的磷光從而保證檢測(cè)的特異性。

Bu等[39]以溶菌酶為穩(wěn)定劑制備的Cu NCs對(duì)膽堿有較高且靈敏的選擇性，由此開(kāi)發(fā)的傳感器能夠在水溶液和浸沒(méi)的濾紙上進(jìn)行肉眼視覺(jué)檢測(cè)膽堿，且在人血清和液態(tài)奶樣品中也顯示出優(yōu)異的檢測(cè)性能。Han等[40]使用2,3,5,6-四氟苯硫酚(TFTP)作為還原劑和保護(hù)劑合成的Cu NCs，通過(guò)自組裝誘導(dǎo)在590 nm處有強(qiáng)烈的熒光發(fā)射，量子產(chǎn)率高達(dá)43.0%。利用該傳感系統(tǒng)，分析了魚(yú)、蝦和紅酒中組胺的含量，且制備了基于Cu NCs的發(fā)光試紙條用于檢測(cè)食品中的組胺。

2.1.3 pH與溫度檢測(cè)

Wang等[41]用刻蝕法合成的PEI封端的Cu NCs的熒光信號(hào)對(duì)溶液的pH波動(dòng)敏感，隨著pH從2.0增至13.2，顏色從無(wú)色變?yōu)樗{(lán)色，熒光強(qiáng)度增加了約20倍，因此可用作pH檢測(cè)的顏色指示劑。Zhang等[42]合成了水溶性的天然絲素蛋白(SF)穩(wěn)定的Cu NCs，其熒光發(fā)射峰在420 nm處，pH線性范圍為6.08～10.05。同時(shí)，與低pH 6.08相比，SF@Cu NCs的熒光強(qiáng)度在高pH下增加了約8倍。且在不同的緩沖溶液中也呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。該方法成功用于檢測(cè)實(shí)際水樣的pH，從而表明其潛在的應(yīng)用價(jià)值。Zhou等[43]用半胱氨酸(Cys)作為還原劑和封端劑獲得的Cu NCs在pH為4～10范圍內(nèi)顯示出可逆響應(yīng)，因此可以用做可逆的pH指示劑。

Ye等[44]提出了一種在癌細(xì)胞中原位生物合成Cu NCs的策略，可準(zhǔn)確地作為納米溫度計(jì)應(yīng)用于體內(nèi)癌細(xì)胞熒光成像和細(xì)胞水平的溫度測(cè)量。他們發(fā)現(xiàn)在MDA-MB-231癌細(xì)胞中可自發(fā)地生物合成Cu NCs，但在正常細(xì)胞(即L02細(xì)胞)中不能，所得Cu NCs顯示紅色熒光發(fā)射(610 nm)，平均直徑為2.0～2.8 nm，生物合成的Cu NCs熒光信號(hào)在MDA-MB-231細(xì)胞中溫度為20～40 ℃時(shí)具有熱敏感性，人體直腸溫度的正常值為36.9～37.9 ℃，口腔溫度(舌下部)平均比直腸溫度低0.3 ℃，腋窩溫度平均比口腔溫度低0.4 ℃，因此人體的生理溫度范圍在Cu NCs的溫度熱敏范圍內(nèi)，并且發(fā)現(xiàn)其可以在癌細(xì)胞中有效積累進(jìn)而進(jìn)行生物成像，拓展了Cu NCs在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。Huang等[45]使用人工多肽作為模板合成的Cu NCs在10～55 ℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的溫度依賴(lài)關(guān)系，熒光強(qiáng)度隨溫度升高而降低，進(jìn)一步表明了Cu NCs作為溫度傳感器的應(yīng)用。

2.1.4 抗生素檢測(cè)和殺菌

Wang等[46]以多巴胺為模板，用NaBH4為還原劑制得的Cu NCs發(fā)出藍(lán)綠色熒光，可成功應(yīng)用于四環(huán)素的檢測(cè)，當(dāng)四環(huán)素濃度在3.6×10-6～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，最低檢測(cè)限為9.2×10-7mol/L，并在實(shí)際樣品牛奶的檢測(cè)中進(jìn)一步證實(shí)其實(shí)用性。Wang等[47]以BSA為基質(zhì)制備了紅色發(fā)光納米銅簇(BSA-Cu NCs)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)黃酮類(lèi)化合物蘆丁的檢測(cè)，在0.1～100 μmol/L范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好線性關(guān)系，且成功應(yīng)用于人血清樣品中蘆丁的檢測(cè)和在濾紙上蘆丁的裸眼視覺(jué)成像檢測(cè)。Miao等[48]以木瓜蛋白酶為保護(hù)配體制備了發(fā)紅色熒光的Cu NCs(圖5)，并發(fā)現(xiàn)Cu NCs與較低濃度的H2O2相互作用能起到良好的殺菌作用，同時(shí)證明H2O2與Cu NCs反應(yīng)過(guò)程中被轉(zhuǎn)化成了羥基自由基(·OH)，利用產(chǎn)生的·OH具有高效殺菌活性的優(yōu)良特性，成功建立了H2O2與Cu NCs的殺菌消毒體系，并在以金黃色葡萄球菌為代表的革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌和以大腸桿菌為代表的革蘭氏陰性菌的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了其優(yōu)越的殺菌效力，同時(shí)在小鼠傷口的殺菌消毒實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用該體系處理的傷口在48 h后幾乎完全愈合，未發(fā)現(xiàn)水腫和紅疹，進(jìn)一步拓展其作為抗菌材料的應(yīng)用。

圖5 納米銅簇用于提高H2O2抗菌活性的示意[48]Fig.5 Schematic diagram of Cu NCs for improving the antibacterial of H2O2[48]

2.2 化學(xué)催化

金屬物質(zhì)如金、銀、銅在自然界中可以穩(wěn)定存在，但當(dāng)它們的尺寸降低至納米級(jí)別，由于其超小的尺寸和較高的比表面積使其展現(xiàn)出良好的催化活性[20,49]。Hoty等[49]研究了Cu13團(tuán)簇對(duì)H2離解的催化行為，并證明了有限尺寸效應(yīng)可以在納米銅簇中產(chǎn)生顯著磁矩，團(tuán)簇的幾何高對(duì)稱(chēng)性和量子尺寸效應(yīng)使Cu13具有大的磁矩，從而導(dǎo)致依賴(lài)于磁化的催化行為，這種對(duì)磁化的依賴(lài)可能是磁控制催化活性的途徑。

亞甲藍(lán)(MB)是一種吩噻嗪類(lèi)染料，其作為藥物在臨床應(yīng)用上歷史悠久且價(jià)格低廉，具有解毒、鎮(zhèn)痛、抗菌、抗氧化等藥理作用，在微生物學(xué)和醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[50-52]。Jia等[53]研究了納米銅簇在MB與水合肼(N2H4)氧化還原反應(yīng)過(guò)程中的催化作用，MB有氧化型和還原型兩種形態(tài)，氧化型時(shí)呈現(xiàn)藍(lán)色，還原型時(shí)為無(wú)色。在一定量MB(33 μmol/L)溶液中加入N2H4(60 mmol/L)溶液，二者在無(wú)催化劑條件下反應(yīng)緩慢，混合溶液呈現(xiàn)藍(lán)色，其紫外吸收峰的最大值在654 nm；向混合體系加入一定量Cu NCs(100 μmol/L)溶液，混合溶液顏色在1 min內(nèi)迅速由藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)色，紫外吸收峰也隨之消失，測(cè)定其反應(yīng)速率常數(shù)為(8.6±0.8)×103L2·mo-2·s-1，表明Cu NCs具有較高的催化活性。隨后Li等[20]合成的納米銅簇在MB與N2H4的反應(yīng)中也展現(xiàn)了良好的催化性能，進(jìn)一步證實(shí)了納米銅簇優(yōu)越的催化性能。

2.3 生物標(biāo)記與成像

由于納米銅簇的毒性低，且生物相容性好，因此使其在生物標(biāo)記與生物成像中有潛在應(yīng)用。Prakash等[54]首次合成了以2-巰基-1-甲基咪唑(MMI)封端的納米銅簇(圖6)，并且利用人肝癌細(xì)胞(HepG2)進(jìn)行細(xì)胞毒性研究，發(fā)現(xiàn)納米銅簇即使在較高濃度(細(xì)胞半抑制濃度大于100 μmol/L)下對(duì)細(xì)胞也無(wú)毒性作用，進(jìn)一步共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)結(jié)果表明：Cu NCs的可有效內(nèi)化，在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中保持著可見(jiàn)的熒光特性，具有監(jiān)測(cè)藥物遞送潛在的應(yīng)用。He等[11]開(kāi)發(fā)了基于發(fā)藍(lán)光的碳點(diǎn)(CDs)和發(fā)紅光的Cu NCs的雙比率型納米熒光探針。首先通過(guò)水熱法處理檸檬酸鈉和碳酸氫銨可制備藍(lán)色發(fā)光碳點(diǎn)(CDs)，然后與3-氨基苯硼酸(APBA)結(jié)合制備APBA修飾的CDs；再以BSA為穩(wěn)定劑，N2H4·H2O為還原劑，制備紅色發(fā)光的Cu NCs，二者通過(guò)碳二亞胺偶聯(lián)成功得到顯示雙發(fā)射的熒光探針。由于APBA可充當(dāng)多巴胺(DA)的受體，因此在DA存在條件下，APBA可與DA的順式二醇之間發(fā)生特異性偶聯(lián)作用誘導(dǎo)CDs表面上DA和APBA的結(jié)合，DA觸發(fā)了電子從CDs到DA的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致復(fù)合物中CDs在440 nm處的熒光猝滅，而復(fù)合物中Cu NCs在640 nm處的熒光發(fā)射峰幾乎沒(méi)有變化，因此實(shí)現(xiàn)了DA在水溶液和濾紙上的熒光及裸眼成像應(yīng)用。

圖6 納米銅簇用于細(xì)胞成像的示意[54]Fig.6 Schematic diagram of the Cu NCs for cells imaging[54]

3 總結(jié)與展望

納米銅簇因其在光學(xué)、催化、磁學(xué)等方面優(yōu)越的理化性質(zhì)引起科研工作者們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注，使其成為備受矚目的新型熒光探針。但相較其他貴金屬簇而言，對(duì)納米銅簇的研究還相對(duì)欠缺，有待進(jìn)一步深入探索，現(xiàn)今主要集中在以下方面：1)納米銅簇的穩(wěn)定性：納米銅簇的超小粒徑和高的比表面能使其在空氣中易氧化和聚集限制其應(yīng)用；2)納米銅簇的熒光增強(qiáng)及淬滅機(jī)制，對(duì)納米銅簇聚集誘導(dǎo)熒光增強(qiáng)和某些物質(zhì)能使其熒光增強(qiáng)或淬滅的機(jī)制研究尚在起步階段，有待深入探討；3)納米銅簇的精準(zhǔn)合成，納米銅簇的合成方法還要進(jìn)一步優(yōu)化，使其大小、形貌及表面功能化基團(tuán)可控。但隨著科技的不斷進(jìn)步與對(duì)基礎(chǔ)研究的深入探索，相信納米銅簇必將會(huì)在眾多新型材料中脫穎而出并加強(qiáng)與其他學(xué)科的交融，而進(jìn)一步拓展其在生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用。