荧光金属纳米簇 (Metal nhaioclusters) 是一类由几个至数百个金属原子堆积而成的纳米材料, 处于单个金属原子和较大的金属纳米颗粒之间的过渡状态。金属纳米簇的尺寸接近费米波长 (<2 nm) , 与较大的纳米颗粒相比, 具有更为独特的物理化学性质, 因而表现出优异的光学特性, 如荧光发射可调、斯托克斯位移大、荧光稳定性高、量子产率较高等。荧光金属纳米簇的合成一般采用模板法, 以生物分子 (蛋白质、DNA、氨基酸和多肽等) 作为合成的配体, 金属离子在还原剂的作用下被还原成原子团簇。与传统的荧光染料和量子点相比, 荧光金属纳米簇的毒性大大降低, 生物相容性显着提高。因此, 它们作为一种新型的纳米荧光探针,

　1、 荧光金属纳米簇的合成

荧光金属纳米簇的合成根据路径可分为“自下而上”和“自上而下”两种方法, 如图1所示。前者使金属离子 (Mn+) 在还原剂存在下被还原为零价金属 (M) , 零价金属再在配体分子上成核生长为纳米簇。目前常用的配体分子有脱氧核酸 (DNA) 、多肽、蛋白质、巯基小分子或聚合物等。“自上而下”法是通过配体对大尺寸纳米粒子的刻蚀作用进而获得小尺寸的纳米簇, 按还原方法不同又可分为化学还原法、光还原法、超声还原法、微波还原法和电化学还原法等。为获得性质优良的金属纳米簇, 上述方法通常需考虑以下因素:

 (1) 配体与金属原子间较强的相互作用力; 

(2) 适宜的还原条件; 

(3) 足够的老化时间。

图1 金属纳米簇的不同制备方法

以下针对不同金属纳米簇的特点, 分别对其常用的合成方法进行了介绍。

1.1荧光金纳米簇的合成

荧光金纳米簇 (Au NCs) 是金属纳米簇中稳定性好的纳米材料之一,通常利用HAuCl4作为金属前驱体, 由于Au原子与S原子之间存在较强的共价结合力, 因此一般选择含巯基的生物分子作为配体, 在适当的还原条件下一步合成具有荧光发射的Au NCs。该方法一方面利于簇的形成, 获得光学性质优良的Au NCs;另一方面可降低材料的毒性, 使Au NCs具有良好的生物学应用价值。利用谷胱甘肽 (GSH) 作为配体, 在NaBH4还原下合成了含不同Au原子个数的Au NCs, 结果表明其光学性质普遍具有配体浓度和金核原子个数依赖性;利用牛血清蛋白 (BSA) 为配体和还原剂发展了一种“绿色”方法制备了量子产率为6%的Au NCs, 它在一定激发光照射下发出红色荧光 (图2) 。采用相似的化学还原方法, 以胃蛋白酶、乳铁蛋白、胰蛋白酶、溶菌酶和木瓜蛋白酶等蛋白质为配体的Au NCs也相继被合成。另外, 还可通过“自上而下”法即利用含巯基的配体对尺寸较大的金纳米颗粒 (Au NPs) 进行刻蚀作用合成Au NCs。刻蚀途径分为配体诱导的刻蚀和对金属核的直接刻蚀两种途径。前者是利用过量的配体对Au NPs表面的Au原子进行“剥离”, 形成配体-Au+复合物, 复合物之间再通过亲金作用 (Au+-Au+) 相互结合形成Au NCs;后者是利用过量配体对Au NPs的金核直接进行刻蚀, 使其粒径逐渐减少, 形成具有荧光发射的Au NCs。

图2 BSA-Au NCs的“绿色”合成方法[19]Fig.2 Green synthesis of BSA-Au NCs

1.2荧光银纳米簇的合成

与金纳米簇类似, Ag原子与S原子之间也存在较强的共价结合力。因此, 含巯基的化合物亦可作为配体合成银纳米簇 (Ag NCs) 。Adhikari等[34]以二氢硫辛酸 (DPA) 为配体, 利用NaBH4还原Ag+, 合成了具有近红外荧光发射的Ag NCs， 该Ag NCs的斯托克斯位移大于200 nm, 具有应用于细胞成像的潜力。在此基础上, 我们发展了以巯基化合物为配体的反向转移法, 即在水相中经化学还原后, 再将体系转移至乙醇中进行缓慢刻蚀, 所合成的Ag NCs具有更好的分散性, 超高的稳定性和超小的尺寸。

1.3荧光铜纳米簇的合成

相比于贵金属纳米簇Au NCs与Ag NCs, 有关铜纳米簇 (Cu NCs) 的报道相对较少, 主要是由于Cu NCs更易被氧化且制备过程中尺寸难以控制。硫醇类化合物中的巯基与Cu2+之间能形成Cu—S共价键, 因此硫醇类化合物也能作为合成Cu NCs的配体。Wei等[45]]利用2-巯基-5-丙烷基嘧啶为配体, 在NaBH4还原下合成了具有双发射的Cu NCs, 在氧气的电还原反应中表现出很高的电催化活性。由于某些聚合物在水溶液中能与Cu2+螯合, 以含有叔胺的羟基封端的PAMAM为配体, 利用叔胺与Cu2+的络合作用, 在NaBH4的还原下成功合成了Cu NCs。多肽和蛋白质等生物大分子也能作为配体为Cu2+提供结合位点, 以多肽作为配体, 在抗坏血酸的还原下制备了量子产率为7.3%的Cu NCs, 其荧光具有温度敏感性。以BSA为配体, 在水合肼的还原下制备了发射红色荧光的Cu NCs, 其荧光具有pH值响应性, 可应用于细胞成像。

DNA分子中富含各种官能基团, 如杂环氮、氨基、磷酸基等, 能与不同的金属离子结合, 因而可用于各种金属纳米簇的合成。我们首次以双链DNA为模板合成了具有荧光性质的Cu NCs, 发现通过控制双链DNA的长度可以调节Cu NCs的尺寸和荧光 (图3A) 。随后, 我们系统地筛选了能够作为配体分子稳定合成Cu NCs的单链DNA, 研究结果表明, 在还原剂抗坏血酸钠的存在下, 只有聚胸腺嘧啶寡核苷酸Poly (thymine) 能够快速有效地稳定合成荧光Cu NCs (图3B) 。

图3 双链DNA (A) [49]和单链DNA (B) [50]介导合成荧光铜纳米簇 (Cu NCs) 示意图

上海金畔生物可以提供多种零维纳米材料包括有各种材质的纳米粉体材料、各种材质的纳米团簇、和不同粒径的纳米颗粒及分散液以及一些新型零维纳米材料、纳米微粒或人造原子和其复合类的定制材料。

葡聚糖修饰金纳米团簇AuNCs-Dex

壳聚糖修饰金纳米团簇AuNCs-CS

DBCO修饰金纳米团簇

叶酸修饰金纳米团簇AuNCs-PEG-Folate

炔基修饰金纳米团簇颗粒AuNCs-PEG-Alkyne

多肽修饰金纳米团簇发光材料

氨基功能化金纳米团簇

卵清蛋白修饰金纳米团簇OVA-AuNCs

PEG包覆金纳米团簇

HRP-AuNCs辣根过氧化物酶修饰金纳米团簇

聚乙烯亚胺PEI修饰金纳米团簇

二氧化硅包裹金纳米团簇

聚乙二醇包覆金纳米团簇AuNCs-PEG

亲水性金纳米团簇(Gold cluster)