發(fā)光功能化二氧化硅納米材料的研究進展

邱淑銀，柳傲雪

（昌吉學院化學與化工學院，新疆 昌吉 831100）

功能化發(fā)光納米材料，是采取一定方法將大量化學發(fā)光試劑負載于納米材料上，從而使材料具備發(fā)光性能，通常酶或發(fā)光底物也可以產(chǎn)生化學發(fā)光信號，負載于納米材料上，可獲得發(fā)光功能化納米材料[1-4]。依據(jù)發(fā)光功能化納米材料的制備方式不同，其可分為如下幾類：①摻雜或者包裹模式，將發(fā)光試劑通過包裹的形式摻雜于納米材料內(nèi)部，如摻雜聯(lián)吡啶釕的二氧化硅、包裹魯米諾的二氧化硅等[5-8]；②僑聯(lián)模式，利用一些具備特殊性能的僑聯(lián)分子與產(chǎn)生發(fā)光信號的發(fā)光試劑進行反應，通過僑聯(lián)分子做為紐帶鏈接于納米材料表面[9-12]；③價鍵修飾模式，將產(chǎn)生發(fā)光信號的分子以共價鍵、非共價鍵等方式負載于納米材料表面[13-16]；④自身具有發(fā)光性能的納米材料，如具有電致化學發(fā)光性能的量子點材料[17-20]。發(fā)光功能化二氧化硅納米材料，指通過包裹或者摻雜的形式將能夠產(chǎn)生化學發(fā)光信號的發(fā)光試劑包覆在二氧化硅納米材料中。獲得新型發(fā)光功能化的二氧化硅納米粒子不但具備二氧化硅納米材料本身獨特的物理化學性質(zhì)以及化學發(fā)光試劑的發(fā)光性能，而且納米材料本身的獨特性質(zhì)可以提升發(fā)光試劑的發(fā)光性能。

1 發(fā)光功能化的二氧化硅納米粒子的合成方法

溶液中二氧化硅納米粒子的合成可以在各種條件下使用溶膠-凝膠工藝[21]獲得。經(jīng)典的合成方法是St?ber 法及反相微乳液法[22-24]，每種方法合成的納米材料結構都有其各自的優(yōu)點和局限性，選擇合適方法以適合特定的應用。

1.1 St?ber法

St?ber 等在Kolbe 之前的研究基礎上開展建立使用溶膠-凝膠法獲得二氧化硅納米顆粒[25]的方法。由于通過一鍋法獲得粒徑尺寸范圍從10 納米到幾百納米，St?ber法非常盛行，其實質(zhì)就是正硅酸乙酯（TEOS）作硅源，在乙醇、水、氨水堿性體系（pH為11～12）中TEOS水解形成二氧化硅納米顆粒。一鍋法非常簡單，可以將二氧化硅與不同類型的染料分子進行組合，使染料摻雜進二氧化硅基質(zhì)中，獲得復合二氧化硅納米材料，其發(fā)光特性取決于染料分子基團和二氧化硅基體的相互位置。研究小組采用了不同的方法，證明在納米顆粒形成過程中染料的自我劃分是如何發(fā)生的，并自發(fā)地導致核-殼結構[26]。但是St?ber 法也有其局限性，合成的納米顆粒尺寸不均一，尺寸偏大，沒有良好的單分散性。

1.2 反相微乳液法

反相微乳液法，即指由表面活性劑、油相、水相混合物誘導形成反膠束的分散體，其能夠容納有限量的水，形成宏觀的各向同性的反相微乳液（油包水型），反相為乳液中水滴分布在非極性相連續(xù)區(qū)域，納米尺寸大小的水核可以被用作納米反應容器，TEOS 堿性水解和縮合成二氧化硅發(fā)生在水相和油相的分界面。已經(jīng)提出了幾種方法來獲得在約15～200 nm 的尺寸范圍內(nèi)的納米顆粒制備和表面修飾，其中尺寸很大程度上取決于表面活性劑類型和表面活性劑與水的摩爾比。這種合成方法通常適用于帶正電的水溶性染料[28]，這一先決條件在摻入不溶于水的發(fā)光團或帶負電的發(fā)光納米顆粒的合成中構成了非常強的限制。另一方面，該方法在制備多層二氧化硅結構方面表現(xiàn)突出，同時也是用二氧化硅殼包裹其他材料（金屬、量子點、鐵氧化物等）的納米粒子非常合適且通用的方法。

加入微乳液中，混合均勻，磁力攪拌30 min 至溶液透亮；在磁力攪拌下逐滴加入濃氨水150 μL，攪拌下逐滴加入適量的TEOS，TEOS 在堿性條件下水解，形成二氧化硅外殼，反應24 h后，加入丙酮破乳；在12 000 rpm下離心15 min 得到了包裹了染料的功能化復合二氧化硅納米粒子。

2 二氧化硅基發(fā)光納米粒子的分析應用

二氧化硅基發(fā)光納米粒子具有良好的生物相容性、無毒性、信號放大、優(yōu)越的發(fā)光性能及光穩(wěn)定性等特點，使得其被應用在許多領域：

2.1 量子點功能化二氧化硅基發(fā)光納米粒子的分析應用

范美端等[29]采取浸泡法，通過氨基中氮的單電子實現(xiàn)與量子點表面偶聯(lián)，將PbS 量子點與NH2-MSN 相結合，量子點成功吸附到NH2-MSN 上，成功制備了負載量子點的介孔二氧化硅（QDs@MSNs），提高了量子點在錐區(qū)的密度。實驗結果表明：將泵浦功率從50 mW 增加到300 mW 時，放大器在1 550 nm 處的開關增益從1.1 dB 增長到8.09 dB；當泵浦功率為280 mW 時，開關增益達到飽和。

鄒雪艷等[30]成功制備了量子點功能化的二氧化硅納米微球ZnS/SiO2-GSH，制備的ZnS/SiO2-GSH 微球可以從混合蛋白中直接分離純化谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶為標簽的融合蛋白，電泳結果顯示，該復合微球能夠特異性地分離目標蛋白，分離效果良好，成功實現(xiàn)對蛋白質(zhì)的親和分離并具有良好的重復利用性。

Shan Y等[31]使用PDADMAC作為橋接，通過靜電吸附原理，將帶負電的染料負載于二氧化硅納米微球上。

Goryacheva 等[32]采用熱注射法，通過反向微乳液合成了二氧化硅包被CdSe/CdS 和CdSe/CdS/Zns 量子點，用作多色橫向流動免疫分析法（LFIA）中的熒光納米探針，該方法旨在同時檢測多種真菌毒素。由此產(chǎn)生的測定方法能夠在自然污染的玉米和小麥樣品中快速篩選由鐮刀菌產(chǎn)生的真菌毒素。

Zhao 等[33]開發(fā)了一種基于熒光納米探針由藍色碳點（cd）和硅涂層量子點（QDs@SiO2）組成。在該體系中，發(fā)射藍色cd 的熒光在Fe3+的存在下被猝滅，并隨著濃度的增加而恢復AA 升高，F(xiàn)e3+還原為Fe2+，同時，以發(fā)射紅色的QD@SiO2NPs的熒光作為穩(wěn)定的內(nèi)標，將CDQD@SiO2-Fe3+探針對AA的檢測具有很高的選擇性成功應用于食品質(zhì)量和醫(yī)療保健的抗壞血酸（AA）監(jiān)測的熒光檢測。

Wang等[34]提出了一種檢測血清素（5-HT）的熒光方法，該方法基于摻雜ZnS 量子點、二氧化硅納米顆粒和分子印跡聚合物組成的層狀結構探針QDs@SiO2@MIPs，通過氨基和羥基之間的氫鍵形成了QDs@SiO2@MIPs 和5-HT 的配合物。當5-HT 重結合發(fā)生時，能量從量子點轉(zhuǎn)移到配合物誘導熒光猝滅。該復合物具有良好的選擇性，在50 ~ 500 ng/mL 范圍內(nèi)印跡系數(shù)為5.96，相關系數(shù)為0.992 8，檢出限為0.69 ng/mL。該探針制備工藝簡單，靈敏度高，選擇性好，檢出限低，分析時間短。

2.2 聯(lián)吡啶聊功能化二氧化硅基發(fā)光納米粒子的分析應用

付文等[35]基于DNAzyme 聚乙烯吡咯烷酮/Ru（bpy）2+3/SiO2納米粒子及鉛（Ⅱ）的相互作用建立了一種檢測鉛離子的電化學發(fā)光新方法，鉛離子的檢測限達0.5 nmol/L。

鄭行望等[36]基于Silica/chitosan/Ru 納米粒子電化學發(fā)光法檢測汞離子的方法，檢出限達3 pM。

Ge 等[37]開發(fā)了用于HBsAg 的高靈敏ECL 免疫測定，線性范圍在1.0~100 pg/ mL 之間（R2= 0.991 2），檢測限為0.11 pg/mL。

Dang 等[38]基于富含G 四聯(lián)體DNA 適體和殼聚糖/Ru（bpy）32+/SiO2納米粒子改性的玻碳電極，開發(fā)了一種無標記的靈敏電化學適配體傳感器用于檢測K+，檢測限為0.3 nM。

2.3 魯米諾類功能化二氧化硅基發(fā)光納米粒子的分析應用

2006 年，Zhang 等[39]通過自組裝技術合成核殼型魯米諾摻雜的SiO2納米粒子，并將其固定在殼糖涂層石墨電極表面。然后，基于其對ECL增強效應的核殼型魯米諾摻雜的二氧化硅納米粒子，開發(fā)了用于連苯三酚的新型電致化學發(fā)光（ECL）傳感器，進而構建鄰苯三酚的新型電致化學發(fā)光傳感器。

2007年，張犁黎等[40]通過微乳法成功制備了魯米諾二氧化硅納米粒子，成功開發(fā)了一種基于魯米諾二氧化硅納米粒子的新型ECL方法，選擇異煙肼作為模型分析物來說明這種新型ECL方法的特點。在選定的條件下，擬議的ECL 對異煙肼濃度的響應在1.0×10-10至1.0×10-6g/mL范圍內(nèi)呈線性，檢出限為1.0×10-6g/mL。

2018年，Li等[41]利用魯米諾和氯化血紅素功能化納米粒子標記免電化學發(fā)光法測定DNA，采用反相微乳法成功制備了Luminol/Hemin/SiO2，通過殼聚糖改性后修飾于ITO電極表面，利用靜電作用將DNA探針修飾于復合納米材料上，構建基于Luminol/Hemin/SiO2納米粒子的DNA 電化學發(fā)光傳感器。結果表明，其目標DNA濃度的對數(shù)與相對應的電化學發(fā)光強度在1.0×10-6～1.0×10-10mol/L 范圍內(nèi)呈線性關系，目標DNA 的檢出限為0.05 nM。

3 結論

化學發(fā)光試劑功能化納米粒子兼具納米材料本身優(yōu)點，同時可賦予納米材料化學發(fā)光特性，其發(fā)展是目前功能化納米材料發(fā)展的一種新趨勢。納米二氧化硅作為一種生物相容型納米材料，將其作為載體，將發(fā)光試劑負載于二氧化硅納米材料中獲得發(fā)光功能化二氧化硅納米材料，可以提供高發(fā)光信號，因其自身具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性、易于表面改性和尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點而備受關注?；陔娀瘜W發(fā)光分析法易于操作、靈敏度高、檢測范圍寬以及控制性強、選擇性好、可進行原位發(fā)光分析等優(yōu)點，使其在諸多領域應用廣泛?；诎l(fā)光功能化二氧化硅納米材料結合電化學發(fā)光特性而建立的電化學發(fā)光分析方法廣泛應用于環(huán)境分析、生物分析及臨床診斷等領域?；瘜W發(fā)光試劑被摻入二氧化硅納米粒子中以形成發(fā)光試劑摻雜的二氧化硅納米粒子，以提高二氧化硅納米粒子中發(fā)光試劑的CL 和ECL 強度，拓寬發(fā)光試劑摻雜SiO2納米粒子的應用范圍。