DNA模板荧光金属纳米团簇的合成及应用.pdf

第 卷第 期化学试剂 模板荧光金属纳米团簇的合成及应用毛安丽王海波(.信阳职业技术学院 基础医学部河南 信阳.信阳师范学院 化学化工学院河南 信阳)摘要:荧光金属纳米团簇的尺寸介于金属原子和纳米颗粒之间特殊的结构和尺寸赋予了金属纳米团簇一系列优异的荧光特性如荧光强度高、抗光漂白性能强、较大的斯托克斯位移 脱氧核糖核酸()由于其独特的结构和可设计的序列而成为合成金属纳米簇的理想模板 模板的金属纳米簇主要包括 模板的银纳米团簇()、铜纳米团簇()、金纳米团簇()等 模板的金属纳米团簇作为一种新型的荧光纳米探针在生物传感和生物成像等领域具有较大潜在应用价值 基于先前对 模板的金属纳米团簇的研究系统总结了 模板的金属纳米簇的制备、性质和在生物传感以及生物成像中的应用 最后讨论了 模板的金属纳米簇的未来发展研究重点和前景关键词:模板荧光金属纳米团簇 模板银纳米团簇 模板铜纳米团簇 模板金纳米团簇生物传感生物成像中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.(.):.().()()().:收稿日期:网络首发日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:毛安丽()女河南信阳人硕士助教主要研究方向为荧光生物传感:.引用本文:毛安丽王海波.模板荧光金属纳米团簇的合成及应用.化学试剂():荧光金属纳米团簇是一种新型的荧光金属纳米材料由几个到几百个金属原子组成 荧光金属纳米团簇是金属原子和纳米粒子之间的中间态 荧光金属纳米团簇的尺寸接近电子的费米波长约为 这使其具有一系列独特的物理和化学性质如优异的光致发光、良好的水溶性等另一方面荧光金属纳米团簇的合成原料是贵金属和生物分子这使得荧光金属纳米团簇具有生物相容性 近年来荧光金属纳米团簇作为一种新型的金属纳米荧光团在生物化学分析和生物成像方面得到了广泛的应用 在荧光金属纳米团簇的模板中 以其独特的结构成为最适合的模板 模板的荧光金属纳米团簇()具有一系列显著的优势:任何序列的 都可以很容易地化学合成有利于荧光金属纳米团簇的可控合成荧光金属纳米团簇的种类和特化学试剂 第 卷第 期征可以随着 模板的序列和结构的改变而改变 分子通过与互补序列、适体、酶或荧光团结合使 的应用更加多样化且 制备简便条件不苛刻 此外是生物大分子具有良好的生物相容性和水溶性因此 在生物化学传感和生物成像方面具有巨大的潜在应用价值 金属纳米簇的合成及其荧光性质到目前为止金、银、铜等贵金属以及一些双金属合金已被用于合成荧光金属纳米团簇 荧光金属纳米团簇的合成方法可分为两类:自下而上和自上而下的方法 对于自下而上的方法金属离子()被还原成金属原子并且原子聚集成荧光金属纳米团簇 对于自上而下的方法金属纳米颗粒也可以通过特定的配体反向蚀刻到更小的荧光金属纳米团簇中 因此荧光金属纳米团簇是介于原子和大的纳米颗粒中间的过渡形态 裸露的荧光金属纳米团簇在溶液中不稳定为了降低巨大的表面能荧光金属纳米团簇倾向于聚集成更大的纳米粒子 随着时间推移荧光信号容易消失因此无论采用自下而上还是自上而下的方法一个合适的模板对于荧光金属纳米团簇抑制聚集都是必不可少的 年 等研究图 (、)及其在生物传感器(生化分析和生物成像)中应用的发展历史.()()了二价金属阳离子与 的相互作用以及 模板的银纳米线的制备 被认为是合成金属纳米团簇的最优秀的模板材料之一已证实碱基中的氮可以与许多金属离子配位 在 和金属离子形成 离子复合物后特殊的还原剂将金属离子还原成金属原子并将它们聚集到荧光金属纳米团簇中 因此金属前驱体、还原剂和实验条件(如金属离子/稳定剂的初始配比、值、温度、缓冲液)的选择对确定荧光金属纳米团簇的尺寸、产率和性能起着重要作用迄今为止已经报道了具有不同性质的各种 图 强调了过去几年荧光 的历史时间线和主要应用领域 接下来介绍 模板的银纳米团簇、铜纳米团簇和金纳米团簇的合成方法和荧光性质 模板的 纳米团簇 年 等首次使用 作为模板来合成银纳米材料用 桥接两个金电极作为模板制备银纳米线 本研究为 模板的银纳米团簇()的合成提供了基础 年 等首次报道了在溶液中合成如图 所示在加入 后通过剧烈的振荡结合到 上在没有形成大的银纳米颗粒的情况下被还原成水溶性荧光 同年他们发现上述 的多个发射体可以通过将其溶解在 缓冲液中加以纯化只有一个近红外发射出现约 ()而且在相同的成像条件下具有更好的抗光漂白性能 因此富含胞嘧啶的 是 合成过程中关键的因素之一然而不只有富含胞嘧啶的 才能用来合成 中的其他碱基也影响着 的合成和荧光性质 等研究了 碱基对合成 的影响并分析了一系列由胞嘧啶、胸腺嘧啶和腺嘌呤组成的富含胞嘧啶的 链合成的 发现了 种不同发射的(图)在一定的条件下可以形成不同的二级结构除了 碱基的影响外 模板的二级结构 也 能 影 响 以 发 夹 式 模 板 为研究对象 等研究了发夹式 模板的 的荧光性质 此外 独特的纳第 卷第 期毛安丽等:模板荧光金属纳米团簇的合成及应用图 .模板的 合成的示意图.种不同 的荧光性质.米结构 折纸术也被用作合成荧光金属纳米团簇的模板 到目前为止关于 的合成已经有了许多报道 模板的 纳米团簇荧光金属纳米团簇被定义为尺寸小于 的纳米材料 然而荧光铜纳米粒子()的粒径通常大于 约为 除了大小外 模板的 具有与其他荧光金属纳米团簇相似的强荧光 因此也被称为 模板的铜纳米团簇()与金、银相比铜的化学性质更为活跃这导致所形成的 更容易被氧化选择合适的模板材料是合成 的关键 事实上 是第一个用树枝状大分子作为配体合成的金属纳米团簇 自从 年 等发现 可以支持 的 合 成()后(图)荧光 引起了广泛关注 等发现单链聚胸腺嘧啶()可能是形成 的有效模板(图)此外 等在 年发现特异的()也可以作为一个高效的模板介导(图)的合成 的光稳定性差是其应用的最大障碍 为了解决这一缺陷引入了两种 扩增技术来提高 的光稳定性 随机序列、()和 已成功地用于合成荧光 与 或其他稳定荧光 的模板相比的合成更加温和、简单、快速和高效 模板的 纳米团簇与 和 相比用于合成 的配体或模板主要是巯基分子、树状大分子、聚合物、多肽和蛋白质而 模板 纳米团簇()是近几年才出现的 等首次报道了 的研究以 (称为)作为模板以 作为还原剂 为了进一步了解 序列在 形成中的作用使用了具有不同环形(、环分别称为、)的发夹 作为模板其他合成条件与上述细节一致 结果显示所有发夹 都能形成荧光 验证了发夹 中的环状是化学试剂 第 卷第 期 .().图 不同 模板的 的示意图.形成的关键 年基于对柠檬酸为还原剂的 的研究 等推测 的发射依赖于还原剂的类型而不是 模板的序列 年等以单链 为模板合成 构建了一种快速无标记荧光传感平台用于三聚氰胺的灵敏测定这限制了其在生物传感和生物成像方面的应用上述合成方法均强调还原必须在()配合物形成后即预孵育过程中进行 但是 等发现在制备聚腺嘌呤()模板的 时 与金属离子的预孵育是不必要的 与 和 相比 的研究还处于起步阶段 因此筛选具有高荧光量子产率和光稳定性的 的有效 模板是当前的研究方向 在生物传感器中的应用 荧光性能好且具有良好的生物相容性探针设计灵活易修饰 这些优点使得 作为荧光纳米材料在生物传感器中有着广阔的应用前景 在此总结了 在生物分析和生物成像应用中的相关进展 核酸检测、或 的异常表达与许多疾病有关因此灵敏度高、选择性好的核酸检测具有重要的医学意义 已经建立了一系列基于荧光 的检测方法用于、和单核苷酸多态性()分析 特定序列 的检测对于遗传病和致病性疾病的诊断、疾病危险性的预测乃至后续治疗和药物选择都具有重要意义表 总结了 在核酸检测中的应用表 在核酸检测中的应用.(/)/()/()/受到 荧光增强现象的启发 等发现两个荧光强度低的 聚集在一起后它们的 的荧光会增强 基于类似的机制和 杂交的竞争反应 等开发了一种基于不同 的新型荧光探针用于多重 检测 此外 的荧光性质是依赖于序列和结构的基于 的这一特性等开发了一种用于检测 的比率荧光方法 等发现以单链 为载体的 与氧化石墨烯的结合亲和力较弱其猝灭效率小于 因此该策略成功地应用于检测、和梅毒基因 作为一种新的典型的肿瘤相第 卷第 期毛安丽等:模板荧光金属纳米团簇的合成及应用 .基于 对荧光 的猝灭现象的策略.与靶辅助等温指数扩增()技术相结合.和 技术图 靶辅助等温扩增检测特异性 的 生物传感器.关生物标志物特异性 分析在肿瘤的早期诊断和疗效评价中发挥着重要作用 然而 在细胞内含量低、体积小且具有高度同源性等特点使得 的准确检测变得困难 等发现 探针的荧光在与靶 杂交后会减弱并且荧光强度与复合链的序列有关(图)但 等发现随着靶 的杂交 的荧光强度逐渐增强 然而这些检测方法的灵敏度和选择性并不理想 因此基于荧光金属纳米团簇的 检测总是依赖于信号放大尤其是在酶的辅助下 如图 所示在缺口酶和聚合酶的辅助下靶 产生大量富 碱基的 用于进一步合成 此 外 等通 过 滚 环 复 制()和末端脱氧核苷酸转移酶()聚合机理开发了两种新的串联 和超长聚 策略以提高 的光稳定性和荧光强度(图)这两种策略在 检测中也得到了应用 蛋白质检测蛋白质浓度和活性水平的监测是细胞分子机制研究的重要组成部分 体液中蛋白质的异常可以提示病理状况的某些特征因此蛋白质定量对疾病的早期诊断、治疗和分子水平的研究具有重要意义 在生物蛋白质的检测中 具有其他荧光纳米材料无法比拟的优势可以很容易的与适体结合用于构建生物传感器核酸酶是一种常见的核酸工具酶能将核酸水解成单核苷酸或寡核苷酸片段催化裂解反应其活性监测对分子水平现象的研究具有重要意义 此外结合生物酶还可以提高检测其他细胞内酶和蛋白质的灵敏度 例如 等使用 作为纳米荧光探针用于检测连接酶介导的 修复中涉及的酶 以类似的方式其他蛋白质也可以被有效检测蛋白质分析的第二类是与适配体结合的方法 分析物可以扩展到所有具有特定适配体的分子里通过 和适体的结合该分析平台可以扩展到其他靶点表 列出了 在蛋白质检测中的一些应用 小分子检测生物活性小分子是生物体内生物调节系统的重要组成部分包括小分子蛋白质、多肽、氨基酸及其衍生物、巯基和金属离子具有分子量小()、结构简单、合成代谢快等特点 生物活性物质含量异常往往与机体代谢和功能紊乱有关如糖尿病和老年痴呆症 因此监测体液和细胞中的生物活性物质对健康尤其重要由于 与光敏材料非常接近荧光共振能量转移()可以有效地抑制荧光纳米团簇的荧光基于此建立了一系列基于 和 的荧光检测方法 等开发化学试剂 第 卷第 期表 在蛋白质检测中的应用.(/)/了一种基于 的无酶开启适应传感器用于玉米赤霉烯酮的灵敏检测修饰的 和金属有机框架的多孔/碳八面体在荧光猝灭中充当 能量供体受体对 此外结合核酸工具酶还开发了一系列生物活性小分子的灵敏测定方法 另外一些小分子可以直接与 相互作用猝灭或增强 的荧光 然而这些分析物的猝灭或增强机制尚未完全阐明其确切机制有待进一步研究和探讨 离子检测随着工业的发展和城市化进程的加快大量含重金属离子的污水排入大自然 由于重金属在自然环境中无法降解最终会通过食物链进入人体对人体健康造成极大危害 因此对环境和生物系统中的重金属进行监测具有重要意义利用 的优点建立了一系列传感器这些传感器主要分为关闭和打开两种模式 关闭模式传感器通常基于金属离子与 的直接相互作用从而导致荧光猝灭最简单的荧光开启策略是基于 对金属离子的依赖性 等基于/诱导的 的荧光增强效应开发了一种无标记荧光传感平台用于检测生物样品中/此外 在 的合成过程中引入后显示 的荧光增强了 倍 基于这种荧光增强现象研制了一种开启式 荧光传感器 等利用/作为荧光信号开发了一种新的 巯基丙酸()辅助传感器用于 的检测 可猝灭/的荧光 随着 的引入/的荧光可以选择性地恢复 表 总结了 在金属离子检测中的一些应用表 在金属离子检测中的应用.(/)/()/()/在生物成像和光热疗法中的应用活细胞成像在疾病预防、临床诊断和治疗疾病的发病机制中具有重要作用灵敏地检测活细胞或癌细胞中的生物大分子对于早期诊断和监测肿瘤转移具有重要意义 除了抗体辅助的细胞成像外随着 技术的发展越来越多的针对癌细胞的适体被筛选出来除适用于肿瘤细胞的成像和生物分析外作为荧光标记物的 也被用来建立治疗癌症的纳米探针用于体内外的治疗 等基于 和荧光引导光热疗法()构建了一种用于细胞表面聚糖无标记成像的新型治疗平台用 的荧光对细胞表面的聚糖进行成像在 激光照射下注射 叠氮乙酰基甘露糖胺四酰基化()和 的小鼠肿瘤显示出有效的消退(图)年开发了一种新的 卟啉 纳米探针如图 所示用于细胞内 成像和荧光磁共振成像引导的光动力治疗()在光照下产生的单线态氧()对肿瘤细胞有杀伤作用 治疗后肿瘤缩小 这一治疗平台为荧光金属纳米团簇在体内的应用提供了方向 结论本文总结了 种(、和)的合成、性质和应用 尽管 第 卷第 期毛安丽等:模板荧光金属纳米团簇的合成及应用 图 .在细胞表面聚糖荧光成像和荧光引导光热疗法中的示意图.基于/卟啉/的无标记细胞内肿瘤相关 成像和荧光/双峰平台引导./具有优势但仍面临一些挑战 面临的挑战主要是如何提高光稳定性和荧光量子产率()在光稳定性方面 的光稳定性受到环境的影响会出现聚集或塌陷导致荧光猝灭 在 方面目前 的 不理想影响了检测的灵敏度 解决这两大难题后 在生物系统中的应用将会得到有效扩展如活细胞的长期成像和追踪、体内成像、体内肿瘤细胞的同步诊断和治疗 同时 已被发现具有聚集诱导发射()效应 可以提高其稳定性和荧光强度 但对于 的研究还很少见在该领域还有很大的研究空间 结合 和 的优势生物分析有望得到进一步的扩展和改进 随着研究的继续相信 将在体内成像、肿瘤诊断和治疗等生物医学领域发挥关键作用 树苗将长成参天大树参考文献:.():.():.():.:.():.():.().():.():.():.():.:.化学试剂 第 卷第 期 .():.:().():.():.().():.:.():.:.():.()().():.():.():.():./:.():.():./.:.():.():.():.().:.:.:.():.():.().第 卷第 期毛安丽等:模板荧光金属纳米团簇的合成及应用():./.():.().:.:.张人杰史纪福王雪等.汞离子荧光探针的研究进展.化学试剂():.:./.():.()()/.:.():.:.():.():.():.():./.():.