8.1 金纳米团簇

金纳米团簇

1 金属纳米团簇概述

在各种最新开发的纳米材料中，金属纳米团簇在最近二十年内取得了巨大的进展。金属纳米团簇通常小于2纳米，这一尺寸相当于电子的费米波长，导致粒子的连续态密度分裂成离散的能级，一些独特的光学和电子性能由此产生，包括HOMQ-LUMO跃迁、光致发光、光学手性、磁性以及量子化充电等。最近几年，贵金属纳米团簇，如Au、Ag团簇由于其合成简单、生物相容性好、稳定性好等优点，得到了广泛的研究，同时也有其他一些金属被合成出纳米团簇，如Cu和Pt，只是相对于Au、Ag纳米团簇，Cu、Pt纳米团簇的种类要少的多，特别是Cu在空气中对氧气较为敏感，因此想要制作出小于2纳米的铜团簇极具挑战性，而Pt团簇的合成方法目前还尚未成熟。最近，过渡金属团簇也被研究者所报导，如铁和镍。

团簇的溶解度受配体极性和溶剂种类的控制，与疏水配体保护的纳米团簇相比，亲水配体保护的团簇在水中具有更好的溶解性，含羧基和磺酸基的亲水性配体可用于表面改性，增加团簇的水溶性，有助于扩展其生物应用。不仅如此，由于水溶性配体的富电子性，水溶性团簇常常展现出比非水溶性团簇更强的荧光，这一性质也极大地扩展了水溶性团簇的生物应用。近年来，以水溶性荧光团簇为荧光材料的研究发展迅速，水溶性团簇的应用也从最初的金属离子检测、细胞荧光成像发展到药物的递送、抗菌及癌症等重要疾病的治疗。相较于其他荧光材料，水溶性团簇有着其独特的优势。例如，相比于传统的有机染料荧光分子，团簇的光稳定性更加优异，光漂白性更低，更有利于进行生物样本中的长时间的荧光跟踪：相比于半导体量子点荧光材料，水溶性荧光团簇的潜在生物毒性更低，具有良好的生物相容性：相比于大尺寸的纳米颗粒，水溶性团簇具有极小的尺寸，这有助于其通过多种生物屏蔽，可以更容易地达到生物组织深处，较小的尺寸也更有利于团簇从生物体中代谢出来。而且，水溶性团簇的原子精确特性，有助于我们从原子层面更好地理解和解释团簇与生物体中生物分子的相互作用，更有助于团簇的理论与应用的发展。由于目前水溶性金属纳米团簇的研究中金团簇和银团簇的研究都较为成熟，因此下文着重介绍金团簇以及银团簇目前的研究成果。

AuNCs因其特殊的光学性质和尺寸效应，是当前纳米荧光探针领域研究的热点之一，其合成方法对于其发光性质起着不同的作用。Mooradian在1969年首次发现了金和铜等宏观金属体具有的荧光性质，但是由于其量子产率低至10-10，而没有引起人们的关注。随着AuNCs合成方法和配体修饰剂的不断改进和创新，其量子产率正在不断地提高至0.1%-10%，有的甚至可达到70%。正是由于其特殊的光学和生物学效应，使其引起了人们的关注并进一步应用。AuNCs的合成基于其修饰试剂的不同，能合成具有特定的发射波长或荧光性质

的AuNCs。

近年来，关于AuNCs的合成方法己有诸多报道。从只存在于惰性气体保护的裸金团簇到发展使用各种配体(硫醇、蛋白质和短肽)等保护的AuNCs，虽然其稳定性得以增强，但是经历了相当漫长的过程，配体的保护对AuNCs的稳定性和光学性质都起着重要的作用。从简单的以磷化氢为配体发展到硫醇保护的AuNCs，再到以树状大分子和DNA为修饰剂，到现在的蛋白质和多肽等，AuNCs的修饰剂逐渐趋于功能化和多样化的发展趋势。如图1-1，从修饰剂的发展历程展现了AuNCs的发展过程。

图1-1 AuNCs合成中保护基团利用的发展趋势，从气相中未保护的到磷化氢保护的再到现在各种功能蛋白保护的AuNCs。

2 配体的类型

团簇配体的性质会显著影响其尺寸大小和光学性能，因此，选择合适的稳定团簇的配体，对于获得小而高荧光的金属纳米团簇是至关重要的，水溶性纳米团簇的配体类型大致分以下几种：

2.1 小分子硫醇

因为硫醇与Au或Ag之间有很强的相互作用，因此含硫醇的小分子是金属纳米粒子合成中最常用的稳定剂，一般方法是Au3+在小分子硫醇和硼氢化钠的存在下被还原，谷胱甘肽就是一种优良的稳定剂，其作为配体保护的金纳米团簇已经被多篇文献报导。并且，不同链长的烷基硫醇也被用来制备一系列具有不同发射波长的水溶性荧光金纳米团，首先烷基硫醇的头部(巯基)先吸附在金纳米团簇的表面，然后组装的过程中硫氢键断裂，形成硫金键。同时也有其他多种硫醇稳定的金纳米团簇，如硫普罗宁、硫醇、糊精和3-巯基丙酸等。Adhikari

和Banerjee曾报道以双齿二氢硫辛酸(DHLA)为稳定剂，还原硫辛酸和Ag+与NaBH4的混合物合成荧光AgNCs，量子产率能达到2％并且可以很容易、选择性和非常敏感地检测汞离子。

基于Au和S原子之间特异性的相互作用，可以促进AuNCs的合成。Yu等人以半胱氨酸(Cys)为修饰剂，基于其表面的硫醇(-SH)基团合成了含有25个金原子的Au25Cys18。Shang 等人以二氢硫辛酸(DHLA)为修饰剂合成了近红外荧光(684 nm)的水溶性DHLA-AuNCs，具有良好的稳定性和生物相容性，有广泛的应用前景。同年，Shang等人以四(羟甲基)氯化磷(THPC)作为还原剂合成青霉胺(DPA)稳定荧光AuNCs，如图1-2所示。Lavenn等人以4-氨基硫酚为修饰剂，基于其表面的硫醇基团与金原子的特异性结合，合成了一种表面氨基化的Au10(SPh-pNH2)10，由于该AuNCs表面进行了氨基化，可直接与其他功能基团进行偶联，从而进行其他的应用。Chen等人通过刻蚀法用THPC对金纳米颗粒(AuNPs)进行刻蚀，合成了半胱氨酸修饰的AuNCs。

图1-2以THPC作为还原剂合成DPA稳定荧光AuNCs的示意图。

2.2 聚合物

具有丰富羧酸基团的聚合物被认为是合成高荧光、水溶性AgNCs的有前途的模板。在较早的报道中，通过紫外光照射聚合物微凝胶和Ag+的混合物，制备了荧光AgNCs。这种微凝胶的作用主要有两个，控制极小的纳米团簇的成核和生长以及保护团簇不受体系内的荧光淬灭剂作用，并且微凝胶有其自身的优势：合成简单、易于功能化、尺寸可控(几十纳米至几微米)。例如，Zhang等人使用聚(N-乙烯基咪唑)及巯基琥珀酸为配体合成了荧光的AuNCs，在紫外或可见光的激发下，该团簇都能发出明显的红外荧光。

聚合物是由长链分子组成的分子量可达几千到几百万，每个分子链由共价键结合，并且含有大量的羧基(-COOH)和氨基(-NH2)等基团，能与Au (III)形成复合物，所以通常被用作AuNCs合成的保护剂或修饰剂。Zheng等人使用聚酞胺-胺型树枝状高分子(PAMAM)为保护剂，合成了一种可以发射蓝色荧光、含有8个金原子的AuNCs。Duan等人利用超支化和多价聚乙烯亚胺(PEI)为配体修饰剂对AuNPs进行刻蚀合成了水溶性好的高荧光AuNCs，如图1-3所示。Haesuwannakij等人利用聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)和星形聚合物作为修饰剂，通过微波辅助法合成Au：PVP和Au：star poly (MOVE)200。以聚合物为修饰剂合成的AuNCs