銅離子的熒光納米檢測(cè)方法研究進(jìn)展

牛安春

（中國食品安全報(bào)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(huì)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(duì)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(chǎng)分析和快速測(cè)定銅離子的高靈敏度和高選擇性的實(shí)用方法對(duì)食品安全、人類健康和環(huán)境污染監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。近年來，熒光快速檢測(cè)方法以高靈敏度、響應(yīng)迅速、低成本和易于操作的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)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(hào)的一類納米材料，具有響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)、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(gè)至幾十個(gè)原子組成的具有熒光、水溶性的分子級(jí)聚集體。與其他熒光納米粒子相比，貴金屬團(tuán)簇具有獨(dú)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(cè)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(cè)Hg2+與Cu2+共存，這也為Cu2+提供了可重復(fù)使用的檢測(cè)方法。DING[6]等通過綠色的方法設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了在簡(jiǎn)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(shí)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(cè)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(diǎn)的熒光納米探針

量子點(diǎn)（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(diǎn)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(diǎn)。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(cè)Cu2+，靈敏度高。

2.1 基于金屬量子點(diǎn)的熒光納米探針

LU[8]等基于Cu2+誘導(dǎo)的CdTe量子點(diǎn)的熒光帶移現(xiàn)象開發(fā)出了一種視覺檢測(cè)Cu2+的新策略。該策略為檢測(cè)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(shí)現(xiàn)銅離子的視覺檢測(cè)，節(jié)約成本。對(duì)于生物樣品和環(huán)境樣品中銅離子的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，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(diǎn)來作為飲用水和地下水中銅離子檢測(cè)的熒光納米探針，加入銅離子，量子點(diǎn)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(cè)過程，在0.025～10.000 mg/L呈現(xiàn)線性相關(guān)，整個(gè)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(diǎn)作為試劑盒探針來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速、靈敏的檢測(cè)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(diǎn)的熒光納米探針

碳量子點(diǎn)（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(bào)道了各種用于銅離子檢測(cè)的基于碳量子點(diǎn)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(diǎn)用于水中銅離子檢測(cè)。與藍(lán)色熒光碳量子點(diǎn)相比，黃色熒光碳量子點(diǎn)更易于肉眼分辨。該探針具有0.25～10.00 μmol/L的線性檢測(cè)范圍，0.029 5 μmol/L的檢測(cè)極限，3 s的響應(yīng)時(shí)間。與已報(bào)道的碳量子點(diǎn)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(diǎn)。

基于量子點(diǎn)的熒光納米探針，檢測(cè)限可達(dá)到納摩爾級(jí)別，遠(yuǎn)低于市面現(xiàn)有銅試劑盒的響應(yīng)時(shí)間，有望成為今后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的新方法，但是量子點(diǎn)自身的毒性極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。所以開發(fā)相對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的定量分析[12]。BABAEE等[13]設(shè)計(jì)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(diǎn)（CQD）組成，用于測(cè)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(duì)這兩個(gè)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(duì)汞離子有選擇性，在堿性條件下（pH=10.0）時(shí)僅對(duì)銅離子有選擇性，實(shí)現(xiàn)了自來水和礦泉水樣品中汞離子和銅離子的測(cè)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(diǎn)上，以設(shè)計(jì)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(gè)熒光淬滅探針相比，此方法提供了對(duì)環(huán)境干擾的內(nèi)置校正，且顯示出強(qiáng)大的視覺檢測(cè)能力。此外，該比例熒光探針已成功應(yīng)用于實(shí)際水樣中Cu2+的檢測(cè)，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(diǎn)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(cè)納米探針。

ZONG[15]等將染料摻雜的二氧化硅核用作參考信號(hào)，通過Cu2+的螯合劑將響應(yīng)染料共價(jià)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(cè)Cu2+提供了有效的平臺(tái)，檢出限低至10 nmol/L，可以快速檢測(cè)真實(shí)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(duì)Cu2+進(jìn)行檢測(cè)。這種納米混合傳感器對(duì)Cu2+檢測(cè)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(jì)了一種用于視覺檢測(cè)水溶液中Cu2+的簡(jiǎn)單紙基測(cè)試設(shè)備，裸眼檢出極限約為0.5 μmol/L，可應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)視覺檢測(cè)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(jì)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(huì)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(shí)了高分子熒光聚合物納米粒子能作為一種很實(shí)用的模板對(duì)金屬離子進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而將熒光探針引入納米級(jí)的概念?；谏鲜鲈?，ZHANG[19]等通過采用一種簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)將熒光染料共價(jià)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(huì)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(duì)銅離子的檢測(cè)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(cè)提供了一種新策略。

綜上，基于納米材料檢測(cè)銅離子的熒光納米探針具有超短的響應(yīng)時(shí)間和超高的靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。但是大多數(shù)熒光傳感器仍具有一些固有的缺點(diǎn)，如貴金屬團(tuán)簇的原材料相對(duì)昂貴，量子點(diǎn)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(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物成像等多方面的實(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)于食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(cè)限已低至皮摩級(jí)別，檢測(cè)時(shí)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(chǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域必將有廣泛的前景，為研究者今后進(jìn)一步設(shè)計(jì)、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?cè)谏飿?biāo)記、醫(yī)療診斷等方面對(duì)銅離子的進(jìn)一步研究。基于目前銅離子檢測(cè)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(gè)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(shí)間的銅離子熒光探針，對(duì)銅離子進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位、可視化檢測(cè)。②發(fā)展簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的新策略，實(shí)現(xiàn)實(shí)際樣品的大批量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。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)。