铜离子的荧光纳米检测方法研究进展
摘 要：铜是生命体的必需营养素，也是典型的环境污染物，因此对生命体和水体中的铜进行高灵敏度和高选择性的检测对于食品安全、环境监测、临床诊断具有重要意义。在众多检测方法中，纳米材料的荧光检测因具有高灵敏度、响应迅速、简便性、低成本和易于操作等优势已成为近年来的研究热点。本文综述了铜离子纳米荧光探针的制备、机理、性能及应用，展望了其在食品安全检测等相关领域中的应用前景和发展方向，以供参考。
关键词：铜离子;纳米材料;荧光探针;食品安全
Research Progress of Fluorescent Nano Detection Methods for Copper Ions
NIU Anchun
（China Food Safety News， Beijing 100070， China）
Abstract：
Copper is not only an essential nutrient for life， but also a typical environmental pollutant.The detection of copper in life and water with high sensitivity and selectivity is of great significance for food safety， environmental monitoring and clinical diagnosis. Among many detection methods， fluorescence detection based on nano materials has become a research hotspot in recent years because of its advantages of high sensitivity， rapid response， simplicity， low cost and easy operation. Based on the copper ion nano fluorescent probe reported in recent ten years， this paper summarizes the related preparation， mechanism， performance and application， and looks forward to its application prospect and development direction in food safety detection and other related fields for reference.
Keywords：
copper ion; nanometer materials; fluorescent probe; food safety
铜是生命体中含量仅次于锌和铁的必需微量元素，在各种有机体的基本生理过程中都发挥着重要作用[1-2]。机体摄入过量的铜会导致细胞稳态的紊乱，从而引起严重的神经退行性疾病[3]。Cu2+已经成为环境污染物的主要成分之一，特别是在饮用水中。铜污染及其对人类的潜在毒性作用仍然是世界范围内具有挑战性的问题。因此，使用现场分析和快速测定铜离子的高灵敏度和高选择性的实用方法对食品安全、人类健康和环境污染监测至关重要。近年来，荧光快速检测方法以高灵敏度、响应迅速、低成本和易于操作的独特优势受到了研究者们广泛的关注，荧光纳米探针是能够发出荧光信号的一类纳米材料，具有响应时间短、灵敏度高等优点，被广泛应用于化学生物传感、生物医学成像等领域[4]。目前用于荧光标记的纳米探针主要有贵金属团簇、发光量子点、纳米复合材料和荧光聚合物纳米粒子。
1 基于贵金属团簇的荧光纳米探针
贵金属团簇（Noble Metallic Nanoclusters，NMNCs）
是由Au、Ag等贵金属的几个至几十个原子组成的具有荧光、水溶性的分子级聚集体。与其他荧光纳米粒子相比，贵金属团簇具有独特的发光性质，如较大的斯托克斯位移和高光稳定性。LIU[5]等以聚甲基丙烯酸钠盐为模板，通过水热法合成了荧光银纳米簇探针（AgNCs）。该探针荧光可在Hg2+或Cu2+存在下淬灭，检测线性范围分别为10 nmol/L至20 μmol/L或10 nmol/L至30 μmol/L。通过使用乙二胺四乙酸盐（Ethylenediamine Tetraacetate，EDTA）作为Cu2+的掩蔽剂，可以高灵敏度（LOD=10 nmol/L）检测Hg2+与Cu2+共存，这也为Cu2+提供了可重复使用的检测方法。DING[6]等通过绿色的方法设计了一种荧光纳米探针。在22 ℃和pH=8下将二硫苏糖醇（Dithiothreitol，DTT）作为封端剂和还原剂合成荧光金纳米簇，首次实现了在简单温和条件下合成贵金属团簇。该探针能以高选择性和高灵敏度识别铜离子，线性为0～60 μmol/L，检出限为8 μmol/L。目前，贵金属团簇已经被广泛应用于铜离子的可视化檢测中，但在多数研究中这些纳米簇仍然无法将铜与其他一些金属离子（例如汞离子）区分开，只能加掩蔽剂进行处理，所以制造高选择性的贵金属团簇依旧是未来研究的方向。
2 基于量子点的荧光纳米探针
量子点（Quantum Dots，QDs）是近年来发展起来的一种半导体荧光纳米颗粒[7]。发光的波长可通过量子点尺寸调控，具有较高的发光效率、较大的斯托克斯位移等优点。其光谱范围涵盖可见光区域，能在其他离子存在下定量检测Cu2+，灵敏度高。
2.1 基于金属量子点的荧光纳米探针
LU[8]等基于Cu2+诱导的CdTe量子点的荧光带移现象开发出了一种视觉检测Cu2+的新策略。该策略为检测Cu2+提供了超高的选择性，可以有效防止伴随离子的干扰。此外，该方法无需复杂的预结合步骤或昂贵、复杂的设备即可实现铜离子的视觉检测，节约成本。对于生物样品和环境样品中铜离子的现场检测，该策略具有很大潜力。KUMAR[9]等采用经过表面硫脲改性的Cds量子点来作为饮用水和地下水中铜离子检测的荧光纳米探针，加入铜离子，量子点荧光淬灭。结果表明，该探针在2 min内即可快速完成检测过程，在0.025～10.000 mg/L呈现线性相关，整个过程伴随着蓝色至无色的颜色变化。目前应用这种表面钝化的Cds量子点作为试剂盒探针来实现现场快速、灵敏的检测铜离子的策略是今后发展的重要方向。
2.2 基于碳量子点的荧光纳米探针
碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQD）是由分散的类球状碳颗粒组成的具有荧光性质的纳米碳材[10]。目前，已经报道了各种用于铜离子检测的基于碳量子点的荧光纳米探针。WANG[11]等通过超声波辅助化学氧化法从石油焦中制得黄色荧光碳量子点用于水中铜离子检测。与蓝色荧光碳量子点相比，黄色荧光碳量子点更易于肉眼分辨。该探针具有0.25～10.00 μmol/L的线性检测范围，0.029 5 μmol/L的检测极限，3 s的响应时间。与已报道的碳量子点荧光探针相比具有易于准备、经济、可重复使用的特点。
基于量子点的荧光纳米探针，检测限可达到纳摩尔级别，远低于市面现有铜试剂盒的响应时间，有望成为今后现场检测的新方法，但是量子点自身的毒性极大地限制了其实际应用。所以开发相对环保的铜离子荧光传感器也将成为今后的主要研究方向。
3 基于纳米复合材料的荧光纳米探针
3.1 基于贵金属团簇与量子点的荧光纳米探针
目前，很多研究应用贵金属纳米团簇与量子点结合来制作比例荧光纳米探针。通过峰强度比值的变化扩大动态响应的范围，通过建立内标极大地削弱探针浓度、温度、pH值等可变因素的干扰，从而实现对目标物质的定量分析[12]。BABAEE等[13]设计了一种创新的双发射比例纳米混合探针，该探针由红色发光的（Ag/Au）@胰岛素纳米簇和蓝色发光的碳量子点（CQD）组成，用于测定铜离子和汞离子。该探针仅通过控制探针溶液的pH值即可切换探针对这两个离子的选择性，而无需使用任何螯合剂。探针在酸性条件下（pH=4.0）仅对汞离子有选择性，在碱性条件下（pH=10.0）时仅对铜离子有选择性，实现了自来水和矿泉水样品中汞离子和铜离子的测定。LIU[14]等合成超支化聚乙烯亚胺保护的铜纳米团簇（hPEI-CuNCs），然后将其缀合到CdSe量子点上，以设计比例荧光探针。Cu2+可以与hPEI-CuNCs的胺基相互作用导致荧光淬灭，使颜色发生黄绿色至红色的改变，检出限为8.9 nmol/L。与单个荧光淬灭探针相比，此方法提供了对环境干扰的内置校正，且显示出强大的视觉检测能力。此外，该比例荧光探针已成功应用于实际水样中Cu2+的检测，充分证明了其在环境样品和生物样品分析中的巨大潜力。
3.2 基于无机纳米粒子的荧光纳米探针
近期以无机硅壳型材料为主的纳米颗粒引起了众多关注。复合荧光二氧化硅纳米粒子由功能性的内核、可生物修饰的硅以及修饰在表面的生物分子构成，其内核可以是有机荧光染料、量子点等。发光性质稳定、颗粒分布均匀、表面光滑，是一种新型的超微检测纳米探针。
ZONG[15]等将染料掺杂的二氧化硅核用作参考信号，通过Cu2+的螯合剂将响应染料共价接枝在二氧化硅纳米颗粒的表面。此纳米探针为准确检测Cu2+提供了有效的平台，检出限低至10 nmol/L，可以快速检测真实水样中的Cu2+。CHEN[16]等通过混合罗丹明衍生物和CdTe @ SiO2QDs制造了一种新型纳米荧光探针，用于对Cu2+进行检测。这种纳米混合传感器对Cu2+检测具有优异的选择性、灵敏度和抗干扰性，检出限低至8.4 nmol/L。此外，已经通过将PVA和RL-CdTe @ SiO2的混合物固定在普通滤纸上，设计了一种用于视觉检测水溶液中Cu2+的简单纸基测试设备，裸眼检出极限约为0.5 μmol/L，可应用于现场视觉检测中。
4 基于荧光聚合物纳米粒子的荧光纳米探针
荧光聚合物纳米粒子又称半导体聚合物纳米粒子，是指由荧光聚合物形成的不连续相的分散纳米颗粒[17]。2009年，FRIGOLI[18]等设计了一种核壳结构的双发射荧光聚合物纳米粒子，其表面由配体环拉胺修饰，核结构中嵌入2种荧光素分别为9，10-联苯蒽（供体）与PM567（受体）。这两种荧光素会在铜离子的激发下持续引起荧光共振能量转移。研究证实了高分子荧光聚合物纳米粒子能作为一种很实用的模板对金属离子进行检测，进而将荧光探针引入纳米级的概念。基于上述原理，ZHANG[19]等通过采用一种简便的一锅微乳液聚合技术，也构建了基于核-壳纳米粒子的FRET系统。此实验将荧光染料共价结合到颗粒核和Cu2+配体即乙烯基苄基环酰胺（Vinyl Benzyl Cyclic Amide，VBC）中，形成了环酰胺官能化的荧光聚合物纳米粒子。在加入Cu2+后，会由于粒子内的荧光共振能量从疏水性PMMA核中的染料转移至纳米粒子表面上的Cu2+–Cyclam络合物从而导致荧光淬灭，检出限为500 nmol/L，在水性介质中对铜离子的检测亦表现出优异的长期的光稳定性（>45 d）。因此，这种方法也为环境和生物应用中的铜离子比例检测提供了一种新策略。
综上，基于纳米材料检测铜离子的荧光纳米探针具有超短的响应时间和超高的灵敏度等优点。但是大多数荧光传感器仍具有一些固有的缺点，如贵金属团簇的原材料相对昂贵，量子点自身的毒性，聚合物纳米粒子复杂的合成等，这些限制了人们进一步的研究，妨碍了在食品安全检测、环境监测、生物成像等多方面的实际应用。因此，如何在原有基础上优化探针性能、解决上述缺陷将成为今后面对的一大挑战。
5 结语
铜离子在机体的生长、发育等生命活动中发挥着重要的作用，与疾病的发生、环境污染密切相关。因此，发展高灵敏度、高选择性的铜离子荧光探针对于食品安全、环境监测、临床诊断等方面都具有非常重要的意义。目前，铜离子荧光探针检测限已低至皮摩级别，检测时间可达1 min以内，这些高灵敏度、高选择性、快速响应的探针在现场监测领域必将有广泛的前景，为研究者今后进一步设计、开发铜离子试剂盒提供了重要的材料与依据。但是，很多探针具有合成复杂且昂贵及多在有机溶剂中使用的性质，限制了人们在生物标记、医疗诊断等方面对铜离子的进一步研究。基于目前铜离子检测探针的研究现状，在未来几年，发展新型铜离子荧光探针应着重注意以下3個方面的问题。①开发具有更高选择性、更高灵敏度、更短响应时间的铜离子荧光探针，对铜离子进行实时、原位、可视化检测。②发展简便、经济的新策略，实现实际样品的大批量现场监测。③提高荧光探针在细胞或器官中的保留能力以及生物相容性、降低生物毒性，为进一步探索其生理学功能奠定基础。
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作者簡介：牛安春（1980—），男，江苏徐州人，硕士，记者。研究方向：食品安全管理。
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