组氨酸、谷胱甘肽混合修饰金纳米团簇的光稳定性研究

组氨酸、谷胱甘肽混合修饰金纳米团簇的光稳定性研究
周优;谭洪鹏;唐爽;胡振苹;梁建功;任国兰
【摘要】金纳米团簇(简称金簇)由几到几百个金原子及修饰试剂组成,由于其尺寸接近于电子费米波长,表现出良好的发光特性及生物相容性,是一类新型纳米标记探针.目前,金纳米团簇在生物检测、细胞成像、癌症诊断及治疗等领域受到研究者的广泛关注.然而,对于光照条件下金簇的稳定性还不清楚.在合成组氨酸、谷胱甘肽混合修饰金簇的基础上,系统研究了光照条件下金簇在不同pH(5.0,7.4和9.0)的荧光变化规律,结果表明,在氙灯强光照射下,金纳米团簇的荧光会随着照射时间的增加逐渐降低,在pH 9.0条件下比pH 5.0及7.4时降低更快,说明金簇在pH 5.0及7.4时光稳定性更好.在此基础上,采用紫外-可见吸收光谱、红外光谱等手段研究了光照前后金簇表面基团的变化规律,发现光照后金簇的紫外可见吸收光谱及红外光谱均发生了明显的变化,说明光照导致金簇表面修饰基团发生了变化.当向体系中通入氮气后,金簇最大发射波长处荧光强度随照射时间的变化明显变慢,说明金簇表面基团与溶液中溶解氧发生了反应,导致金簇表面电荷及修饰试剂状态发生变化,从而导致金簇荧光产生猝灭.相关研究结果对于金纳米团簇在生命科学及分析化学等领域的进一步应用具有一定的参考价值.
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2018(038)010
【总页数】5页(P3177-3181)
【关键词】金纳米团簇;光稳定性;组氨酸;谷胱甘肽
【作者】周优;谭洪鹏;唐爽;胡振苹;梁建功;任国兰
【作者单位】华中农业大学理学院 ,湖北武汉 430070;华中农业大学理学院 ,湖北
武汉 430070;华中农业大学理学院 ,湖北武汉 430070;华中农业大学理学院 ,湖北
武汉 430070;华中农业大学理学院 ,湖北武汉 430070;华中农业大学理学院 ,湖北
武汉 430070
【正文语种】中文
【中图分类】O641
引言
金簇由几到几百个金原子及修饰试剂组成，具有良好的生物相容性和优异的发光特性，在化学及生物检测、生物成像等领域引起研究者的广泛兴趣[1-2]。

Wen等[3]基于Cu2+对硫酸软骨素修饰金簇的猝灭作用，建立了对Cu2+的快速、高灵敏检测新方法，该方法对Cu2+的检出限达8 nmol·L-1。

高显会等[4]基于Hg2+对鸡
蛋清保护金纳米团簇荧光的猝灭作用，建立了Hg2+快速检测新方法，对Hg2+检出限达0.7 ppb。

Liu等[5]基于Eu3+及蛋白激酶对多肽修饰金簇荧光的调控作用，建立了蛋白激酶的检测新方法，该法对蛋白激酶的检出限为0.02 U·mL-1。

Yu等[6]将7-硝基-2,1,3-苯并氧杂恶二唑(NBA)与BSA修饰的金簇偶联，构建了检测半胱氨酸和同型半胱氨酸的比率型荧光探针，并将所构建的探针成功用于HeLa细胞中半胱氨酸及同型半胱氨酸的测定。

Chen课题组发现叶酸可以猝灭BSA修饰金
簇的荧光，当叶酸与其受体结合后，金簇的荧光信号就会恢复，基于这一现象，建立了肿瘤细胞表面叶酸受体的成像分析新方法[7]。

金簇的光稳定性是其在生物检测及细胞成像中的一个重要参数，尽管有文献报道金簇的光稳定性比有机荧光染料高，但其在光照条件下也会发生猝灭作用，相关猝灭机制目前并不清楚。

与组氨酸修饰的金簇相比，组氨酸及谷胱甘肽混合修饰金簇具
有更高的荧光量子产率及更好的生物相容性[8]。

本文在合成组氨酸及谷胱甘肽混
合修饰金纳簇的基础上，系统研究了不同pH值及不同光照条件下金纳米团簇的荧光变化规律，采用紫外可见吸收光谱、红外光谱等手段研究了金纳米团簇在光照时荧光猝灭机理。

1 实验部分
1.1 试剂与仪器
氯金酸(HAuCl4)购于Sigma Aldrich公司；谷胱甘肽(GSH)(BR)购于上海瑞永生
物科技有限公司；L-组氨酸(His)(BR)购于Regal Biotechnology公司；磷酸二氢
钾(KH2PO4)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)及碳酸氢钠(NaHCO3)均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司。

RF-5301PC 型荧光光谱仪(日本Shimadzu公司)，Evolution 300型紫外-可见吸收光谱仪(美国Thermo Nicole公司)，VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪(德国Bruker公司) , ESCALAB 250Xi 型光电子能谱仪(美国Thermo Fisher 公司)。

1.2 组氨酸修饰金纳米团簇的合成[8]
用还原法合成，防止金纳米团簇无限制生长，用移液枪准确量取10 mmol·L-1的
氯金酸(HAuCl4)溶液5.00 mL，再迅速加入0.10 mol·L-1 L-组氨酸(His)15.00 mL，两溶液置于DF-101s型集热式恒温加热磁力搅拌器中发生反应，反应温度为25 ℃，将反应后的20.00 mL组氨酸金纳米团簇与5.00 mL浓度为的120 mmol·L-1谷胱甘肽(GSH)均匀混合，室温下放置1 h，合成组氨酸、谷胱甘肽混
合修饰的金簇。

1.3 金簇的表征
将所合成的金纳米团簇溶于水后，在DZF-6020型真空干燥箱中通过真空干燥称
重法测定其浓度。

将金簇溶液稀释一定倍数后，采用RF-5301PC型荧光光谱仪,
在发射波长为380 nm测定所合成金簇的荧光光谱。

在波长范围为200～700 nm，
采用Evolution 300型紫外-可见光谱仪测定所合成金簇的紫外可见吸收光谱，采
用ESCALAB 250Xi 型光电子能谱仪测定所合成金簇的X射线光电子能谱图。

1.4 光稳定性实验
在2.00 mL金簇溶液中加入6.25 mL缓冲溶液，16.75 mL纯水，将制备得到的
金纳米团簇稀释到体积为25.00 mL。

在电流强度15 A氙灯的照射下，得到不同pH在不同光照时间下猝灭的金簇溶液，在380 nm激发波长下，用RF-5301PC
型荧光光谱仪分别测定其荧光强度，用Evolution 300型紫外-可见光谱仪测定其
紫外吸收强度，将金簇溶液在DZF-6020型真空干燥箱中通过真空干燥后，用VERTEX70型傅里叶变换红外光谱仪测定红外吸收强度。

在2.00 mL金簇溶液中加入6.25 mL pH分别为5.0，7.4和9.0的缓冲溶液, 用纯水将制备得到的金纳米团簇稀释到体积为25.00 mL，在电流强度为15 A氙灯的
照射下，分别通入N2，并加入空白对照，得到不同pH在不同光照时间下猝灭的金簇溶液，用RF-5301PC 型荧光光谱仪分别测定其荧光强度。

2 结果与讨论
2.1 金簇的合成及表征
在组氨酸修饰的金簇中加入谷胱甘肽后，可提高所合成金簇的荧光量子产率和稳定性。

图1为组氨酸、谷胱甘肽混合修饰金簇的紫外-可见吸收光谱，从图1可以看出，所合成金簇的吸光度随着波长的减小逐渐增大，这与文献所报道的结果一致[9]。

所合成的金簇没有出现金纳米颗粒在520 nm附近所特有的表面等离子体共
振峰，表明在金簇溶液中不存在大颗粒的金纳米粒子[10]。

图2为所合成金簇的荧光光谱图，采用380 nm波长光激发时，所合成金簇的荧光的最大发射波长在
489 nm。

图3为所合成金簇的X射线光电子能谱图，从图中看出，结合能在
83.7，168.1，284.8，399.6及532.1电子伏特分别对应Au(4f)，S(2p)，C(1s)，N(1s)及O(1s)所产生的信号，S(2p)的峰值表明，在163.0 eV下，Au NCs和
GSH之间通过Au—S键结合[8]。

图1 金簇的紫外-可见吸收光谱图金簇的浓度为1.6×10-4 mol·L-1，参比溶液为
超纯水Fig.1 UV-Vis spectra of gold nanoclustersThe concentration of gold nanoclusters is 1.6×10-4 mol·L-1，Ultrapure water is used as reference solution
图2 金簇的荧光光谱图金簇的浓度为1.6×10-4 mol·L-1Fig.2 FL spectra of gold nanoclustersThe concentration of gold nanoclusters is 1.6×10-4 mol·L-1
图3 金簇的X射线光电子能谱图Fig.3 X-ray photoelectron spectroscopy of gold nanoclusters
2.2 金簇的光稳定性研究
目前，荧光探针光稳定性实验主要采用紫外灯照射或激光照射进行的。

紫外灯照射尽管仪器设备非常简单，但实验重复性不好；激光照射重复性好，但仪器设备十分昂贵[11-12]。

氙灯光源光稳定性好，价格低，已经广泛应用于光催化实验中。

对
于金簇来说，一些文献报道了可以通过掺杂及改变表面修饰的方式提高金簇的稳定性，但对不同pH条件下的光稳定性研究还未见报道。

本实验采用氙灯光源照射金簇，记录照射不同时间金簇的荧光光谱，研究金簇在不同环境下的光稳定性。

图4为pH 5.0[图4(a)]，7.4[图4(b)]和9.0[图4(c)]的条件下, 组氨酸、谷胱甘肽混合
修饰金簇在不同照射时间的荧光信号。

从图4(a), (b)及(c)可以看出，在光照之前，金簇的最大发射波长及强度在不同pH条件下有一定的差异，主要由于金簇的荧光性质对pH值的改变十分敏感，碲化镉量子点也有类似的性质[13]。

图4(d)是最大发射波长处荧光强度随照射时间的变化曲线，由图4(d)可看出，金簇在pH 9.0的条件下荧光强度变大，最大荧光发射波长发生红移，这可能是在碱性条件下，金簇的表面环境发生变化所引起的[9]。

随着照射时间的增加，金簇的荧光信号降低，
图4(d)为其相对荧光强度图，可以看出在pH=5.0及7.4时，金簇的光稳定性较
好，在pH=9.0时，金簇的光稳定性较差。

图4 pH为5.0 (a), 7.4 (b), 9.0 (c) 时，光照时间的影响，从1—18照射时间分
别为0，5，10，15，20，30，40，60和90 s，2，3，4，6，10，15，25，40和60 min；(d)pH分别为5, 7.4, 9，光照时间对金簇荧光强度的影响；金簇的浓
度为1.6×10-4 mol·L-1
Fig.4 The effect of irradiation time on FL spectra of gold nanoclusters at pH 5.0. The time from 1 to 18 is 0, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 60 and 90 s; 2, 3, 4, 6, 10, 15, 25, 40 and 60 min respectively; (d) The effect of irradiation time on FL intensity at λmax wavelength of gold nanoclusters at pH 5.0, 7.4 and
9.0; The concentration of gold nanoclusters is 1.6×10-4 mol·L-1
2.3 金簇猝灭机制研究
为了进一步研究光照引起金簇表面基团的变化，我们分别测量了光照前后金簇的紫外-可见吸收光谱及红外光谱。

图5分别是pH=5.0(a), 7.4(b)及9.0(c)条件下，谷胱甘肽和组氨酸混合修饰金簇在光照前后的紫外可见吸收光谱，从图中可以看出，当光照1 h后，金簇溶液的吸光度出现了明显的上升，这说明在光照后，金簇及表面修饰试剂的部分基团发生了光化学反应。

图6a为光照前金簇的红外光谱，波数在3 452，1 657及1 546 cm-1分别对应
金簇表面修饰试剂O—H，C—O及N—H的伸缩振动峰；波数在1 102, 984及863 cm-1分别对应于C—O—C, 及C—H的振动[14]。

在光照后(图6b)，可看出，波数在1 657，1 102及863 cm-1三个振动峰均明显的降低，说明金簇表面的C—O，C—O—C及C—H在光照后发生了光化学反应，导致金簇表面微环境发
生了改变，这与紫外-可见吸收光谱结果相一致。

Ma等[15]研究表明，体系中的溶解氧对巯基修饰CdTe量子点的光稳定性起着至
关重要的作用。

为了进一步证明溶解氧是否会影响金簇的光稳定性，我们采用通氮气的方法除去溶液中的溶解氧，结果表明，当向体系中通入氮气后，光照时，金簇的荧光强度下降的更慢，说明金簇的光稳定性有了显著的提高(图7)。

图5 pH为5.0(a)，7.4(b)及9.0(c)时，光照前a，后b金簇的紫外-可见吸收光谱金簇的浓度为1.6×10-4 mol·L-1, 参比溶液为超纯水Fig.5 UV-Vis spectra of gold nanoclusters before a and after b irradiation at pH 5.0 (a)，7.4 (b)and 9.0 (c)The concentration of gold nanoclusters is 1.6×10-4 mol·L-1, Ultrapure water is used as reference solution
图6 光照前a，后b金簇的红外光谱Fig.6 IR spectra of gold nanoclusters before a and after b irradiation
金簇的发光性质不仅与其内部所含金原子数量有关，金簇表面电荷数量及配体的状态都会对其发光产生重要的影响[16]。

在氙灯照射下，金簇可与溶液中溶解氧产生作用，在溶液中形成活性氧自由基[17-18]，所形成的活性氧自由基进一步与金簇表面修饰试剂反应，改变了金簇表面电荷及修饰试剂状态，从而使金簇的发光产生猝灭。

由于在不同pH值条件下金簇产生活性氧的能力不同，表面修饰试剂的稳定性也不同，导致金簇的荧光在pH为9.0时比5.0和7.4时更容易猝灭。

图7 通入氮气前后光照时间对金簇最大发射波长处荧光强度的影响，金簇的浓度为1.6×10-4 mol·L-1
Fig.7 The effect ofirradiation time on FL intensity at λmax wa velength of gold nanoclusters with or without N2; The concentration of gold nanoclusters is 1.6×10-4 mol·L-1
3 结论
采用紫外-可见吸收光谱法及荧光光谱法研究了不同pH条件下的组氨酸、谷胱甘
肽混合修饰金纳米团簇的光稳定性，在pH 5.0，7.4和9.0时，光照均能猝灭金簇的荧光信号，在pH 5.0及7.4时，金簇具有更好的稳定性，在通入氮气后，金簇也更稳定。

采用紫外可见吸收光谱、红外光谱等手段探讨了金纳米团簇在光照时荧光猝灭机理。

相关研究对于金纳米团簇在生物检测、生物成像等领域的应用具有一定的指导意义。

References
【相关文献】
[1] Palmal S, Jana N R. Wiley Interdisciplinary Reviews-Nanomedicine and Nanobiotechnology，2014, 6(1): 102.
[2] Zheng Y K, Lai L M, Liu W W, et al. Advances in Colloid and Interface Science，2017, 242: 1.
[3] Wen R, Li H, Chen B, et al. Sensors and Actuators B-Chemical，2017, 248: 63.
[4] GAO Xian-hui, LI Dan, CHEN Zhen-hua, et al(高显会, 李丹, 陈震华，等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2017, 37(10): 3112.
[5] Liu Q, Na W, Wang L, et al. Microchimica Acta，2017, 184(9): 3381.
[6] Yu H, Liu Y, Wang J, et al. New Journal of Chemistry，2017, 41(11): 4416.
[7] Li H C, Cheng Y Q, Liu Y, et al. Talanta，2016, 158: 118.
[8] Zhang X D, Wu F G, Liu P D, et al. Small，2014, 10: 5170.
[9] Porret E, Sancey L, Martin-Serrano A, et al. Chemistry of Materials，2017, 29(17)：7497.
[10] XU Chao-yong, LIU Lin, FU Yi-ying，et al(许朝用, 刘琳, 傅艺颖，等). Journal of Huazhong Agricultural University(华中农业大学学报), 2016, 35(3): 77.
[11] Le G X, Trouillet V, Spies C, et al. Nanoscale，2012, 4(24): 7624.
[12] Wang Y A, Li J J, Chen H Y, et al. Journal of the American Chemical Society，2002, 124(10): 2293.
[13] SONG Yan-chao, LIU Jun-xiu, ZHANG Yang-yang，et al(宋延超, 刘俊秀, 张阳阳，等). Acta Chimica Sinica(化学学报), 2013, 71(12): 1607.
[14] Zhuang M, Ding C, Zhu A, et al. Analytical Chemistry，2014, 86(3): 1829.
[15] Ma J, Chen J Y, Zhang Y, et al. Journal of Physical Chemistry B，2007, 111(41): 12012.
[16] Cantelli A, Battistelli G, Guidetti G, et al. Dyes and Pigments，2016, 135: 64.
[17] Li L, Dou L G, Zhang H. Nanoscale，2014, 6(7): 3753.
[18] Li W L, Ge Q J, Ma X G, et al. Nanoscale，2016, 8(4): 2378.。