劉佳欣， 彭大鵬， 梁建功， 陶燕飛*

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，湖北武漢 430070;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢 430070)

量子點(diǎn)是一類(lèi)尺寸小于或接近于激子玻爾半徑的半導(dǎo)體納米晶體[1 - 5]，其大小和形狀可以通過(guò)改變合成時(shí)間、溫度和配體分子精確控制[2,6]。與傳統(tǒng)有機(jī)染料相比，量子點(diǎn)具有大的吸收截面、耐光漂白、長(zhǎng)熒光壽命、寬的激發(fā)光譜、窄而對(duì)稱(chēng)的發(fā)射光譜、高的熒光量子產(chǎn)率等特點(diǎn)[7,8]，在生化分析及體外細(xì)胞成像、動(dòng)物活體成像、抗病毒感染等領(lǐng)域已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)[3,4,9,10]。然而，有些量子點(diǎn)如：CdSe、CdS、HgS、CdTe等因含有重金屬元素限制了其進(jìn)一步應(yīng)用[11,12]。因此，研究者開(kāi)發(fā)了許多無(wú)金屬元素量子點(diǎn)，典型代表有硫量子點(diǎn)(SQDs)[13]、碳量子點(diǎn)(CQDs)[14]、硅量子點(diǎn)(SiQDs)[15]、磷量子點(diǎn)(PQDs)[16]等。這些量子點(diǎn)的廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步拓展了量子點(diǎn)的應(yīng)用范圍。

SQDs，簡(jiǎn)稱(chēng)硫點(diǎn)，它是一類(lèi)尺寸小于10 nm的離散的準(zhǔn)球形納米粒子[13,17]。2014年，Li等人在CdSQDs的相界面反應(yīng)中，通過(guò)用HNO3在水和己烷的界面上刻蝕量子點(diǎn)中的Cd[13]，首次制備出發(fā)光SQDs。由于SQDs為不含重金屬元素量子點(diǎn)，具有低細(xì)胞毒性、良好的生物相容性、優(yōu)異的水分散性、光穩(wěn)定性、可調(diào)尺寸與發(fā)光等優(yōu)點(diǎn)[18]，近年來(lái)逐漸引起了人們的關(guān)注與研究興趣。本文在總結(jié)SQDs合成方法及光學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了其在離子及小分子分析、細(xì)胞成像等方面的應(yīng)用研究進(jìn)展。

1 SQDs的制備方法

到目前為止，研究者發(fā)展了多種合成SQDs的方法，這些方法可以概括為兩大類(lèi)：自下而上法和自上而下法，具體如表1所示[13,18-30]。

表1 硫點(diǎn)的合成方法總結(jié)

(續(xù)表1)

1.1 自下而上法

2014年，Li等人通過(guò)相界面反應(yīng)法第一次發(fā)現(xiàn)并制備了發(fā)光SQDs[13]。他們首先參照文獻(xiàn)方法合成了CdS QDs，然后將合成的CdS QDs用正己烷稀釋并超聲處理使其分散混合均勻，隨后加入HNO3使混合溶液在室溫下緩慢攪拌36 h，然后進(jìn)行相分離，接著將以白色懸浮液形式分散在有機(jī)相中的SQDs用水洗滌3次，以除去無(wú)機(jī)離子。最后將溶液置于真空烘箱中，并在室溫下干燥48 h即得到了固態(tài)的SQDs。然而該方法反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，合成的SQDs熒光量子產(chǎn)率低(0.549%)，限制了其廣泛的應(yīng)用。2020年，Arshad等人[26]利用Na2S2O3和H2C2O4為起始材料，通過(guò)Na2S2O3還原反應(yīng)生成S，然后在聚乙二醇(PEG)和NaOH存在的情況下，成功制備出PEG修飾的SQDs。該方法得到的SQDs，具有較好的分散性和穩(wěn)定性，熒光量子產(chǎn)率為2.5%。

1.2 自上而下法

自上而下法是目前合成SQDs廣泛使用的方法。2018年，Shen等人[20]發(fā)展了一種SQDs合成新方法，并提出了一種“組裝-裂變”的新觀(guān)點(diǎn)，成功解釋了SQDs的形成機(jī)理。該課題組利用PEG -400作為鈍化劑，用NaOH水溶液提供堿性環(huán)境，將S粉溶解于NaOH溶液中，通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間，成功獲得了不同尺寸的SQDs。隨后，Wang等人對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)[21]，他們使用H2O2對(duì)多硫化物顆粒進(jìn)行表面蝕刻，通過(guò)改變加熱時(shí)間及調(diào)節(jié)H2O2的濃度，可以得到不同尺寸的SQDs，從而可以發(fā)出不同顏色的熒光。通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，進(jìn)一步提高了SQDs的熒光量子產(chǎn)率，熒光量子產(chǎn)率可達(dá)23%。

上述兩種方法在合成SQDs過(guò)程中，所需的時(shí)間通常比較長(zhǎng)。為了解決這一問(wèn)題，很多課題組對(duì)SQDs的合成方法進(jìn)行改進(jìn)。2019年，Zhang等人[22]提出了一種在PEG鈍化作用下，采用超聲促進(jìn)化學(xué)法對(duì)塊狀S進(jìn)行化學(xué)刻蝕的方法，這種方法使SQDs的合成時(shí)間從5 d減少到幾個(gè)小時(shí)，且獲得的SQDs顯示出高的單分散性，熒光量子產(chǎn)率達(dá)到2.1%。Xiao等人[23]以S粉、PEG、NaOH等為原料，采用一步水熱法成功合成了PEG修飾的SQDs，該反應(yīng)僅需4 h即可完成。

為了提高SQDs的熒光量子產(chǎn)率，Song等人[24]提出了一種在純O2氛圍中合成SQDs的方法。研究發(fā)現(xiàn)，在純O2氛圍中，所合成SQDs的熒光量子產(chǎn)率可達(dá)21.5%。2020年，Li等人[18]用Cu2+輔助刻蝕沉降SQDs，合成的SQDs的熒光量子產(chǎn)率可達(dá)32.8%。2020年，Hu等人[19]提出了一種利用微波輔助合成SQDs的方法，熒光量子產(chǎn)率高達(dá)49.25%。2021年，Sheng等人[28]提出了一種超聲波微波輻射和H2O2刻蝕SQDs的方法，在2 h內(nèi)即獲得了具有強(qiáng)烈發(fā)射藍(lán)色熒光的SQDs，熒光量子產(chǎn)率高達(dá)58.6%。

大多數(shù)方法合成的SQDs所發(fā)射的熒光介于綠色和藍(lán)色光之間，這對(duì)于許多應(yīng)用(例如生物成像和發(fā)光二極管(LED))是一個(gè)障礙。為了擴(kuò)展其發(fā)射顏色范圍，2020年Wang等人[25]提出了一種兩步氧化合成SQDs的方法，該方法合成的SQDs可以發(fā)射出紅色的熒光，可拓寬SQDs在實(shí)際中的應(yīng)用。另外，SQDs還可作為原料合成其他硫納米材料。Bai等人[29]利用S粉，HNO3，PEG -400等作為反應(yīng)物，成功合成出了SQDs。在此基礎(chǔ)上，以SQDs作為反應(yīng)物，進(jìn)一步合成了S納米片及S納米棒。

2 SQDs的光學(xué)性質(zhì)

塊狀的S具有固有的半導(dǎo)體屬性，其導(dǎo)帶到價(jià)帶之間的帶寬為2.79 eV，這導(dǎo)致塊狀S在500 nm波長(zhǎng)左右具有一個(gè)較寬的熒光發(fā)射峰[32]。當(dāng)S的尺寸變成納米級(jí)后，由于量子限閾效應(yīng)及表面態(tài)的影響，導(dǎo)致SQDs的熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生改變[17]。Shen等人[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著SQDs尺寸的減小，其熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生了明顯的藍(lán)移，他們認(rèn)為這主要是由于量子限閾效應(yīng)所導(dǎo)致的。Li等人[18]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Cu2+刻蝕的方法，可大大提高SQDs的熒光量子產(chǎn)率。Wang等人[21]則提出采用H2O2輔助刻蝕多硫化物的方法，提高SQDs熒光量子產(chǎn)率。他們認(rèn)為，采用Cu2+或H2O2處理后，可改變SQDs的表面態(tài)，從而提高了其熒光量子產(chǎn)率。

光穩(wěn)定性也是SQDs的一個(gè)重要的光學(xué)性質(zhì)，我們課題組研究發(fā)現(xiàn)[33]，溶液的pH值及溶解氧對(duì)SQDs的光穩(wěn)定性具有明顯的影響。SQDs在pH為3.0的溶液中的光穩(wěn)定性比pH為7.4及11.0的溶液中的光穩(wěn)定性更好，溶液中的溶解氧對(duì)SQDs的光穩(wěn)定性也起著至關(guān)重要的作用。

除熒光外，SQDs還具有較好的電化學(xué)發(fā)光(ECL)特性。Liu等人[34]比較了H2O2輔助刻蝕前后SQDs的ECL光譜，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)H2O2刻蝕后，SQDs的ECL最大發(fā)射波長(zhǎng)從685 nm紅移到730 nm。Dong等人[35]研究發(fā)現(xiàn)，將SQDs與釕聯(lián)吡啶混合后，釕聯(lián)吡啶的發(fā)光信號(hào)可得到顯著增強(qiáng)。

3 SQDs的分析應(yīng)用研究進(jìn)展

基于分析物對(duì)SQDs熒光性質(zhì)的影響，研究者建立了離子、生物分子、有機(jī)小分子、藥物分子等物質(zhì)的檢測(cè)方法，具體介紹如下。

3.1 SQDs在離子檢測(cè)中的應(yīng)用

基于離子對(duì)SQDs熒光的增強(qiáng)、猝滅、熒光共振能量轉(zhuǎn)移等作用，研究者先后建立了Ag+、Fe3+、Co2+、Pb2+等離子的檢測(cè)方法，具體如表2所示[13,26,29,30,36-42]。

表2 SQDs用于離子檢測(cè)方法的總結(jié)

(續(xù)表2)

被Ag+污染的水體，人飲用后可引起多種疾病[36]?；贏g+對(duì)相界面反應(yīng)法制備的SQDs的誘導(dǎo)聚集效應(yīng)，通過(guò)減少非輻射衰減而增強(qiáng)SQDs發(fā)射熒光強(qiáng)度的原理，可制備SQDs來(lái)檢測(cè)Ag+。2015年，Chen等人[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相界面反應(yīng)法制備的SQDs對(duì)Ag+有較高的選擇性和靈敏性，檢測(cè)范圍為0～280 μmol/L，檢出限為0.81 μmol/L，優(yōu)于大多數(shù)已經(jīng)報(bào)道過(guò)的方法。2019年，F(xiàn)u等人[37]以升華S粉、NaOH、PEG -400等為原料，合成了SQDs，采用三電極系統(tǒng)，將2 mg/mL的SQDs分散液滴在Au電極表面進(jìn)行修飾，當(dāng)SQDs的量為2.2 μL時(shí)，檢測(cè)效果最好，線(xiàn)性范圍為0.1 nmol/L～3 μmol/L，檢出限為71 pmol/L。該方法克服了傳統(tǒng)的基于DNA生物傳感器制備過(guò)程復(fù)雜、成本較高等缺點(diǎn)。

基于Fe3+對(duì)SQDs的電子或能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)，Li等人[13]發(fā)現(xiàn)相界面反應(yīng)法合成SQDs的熒光可以被Fe3+選擇性猝滅，并且當(dāng)Fe3+濃度在0到0.003%的范圍內(nèi)，具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9870，此外還進(jìn)行了抗干擾測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在測(cè)試的其他金屬離子中，只有Fe3+會(huì)導(dǎo)致顯著的熒光猝滅，說(shuō)明此方法具有高度選擇性。

2019年，Wang等人[38]研究發(fā)現(xiàn)，Co2+可使PEG修飾的SQDs產(chǎn)生團(tuán)聚，從而導(dǎo)致其熒光猝滅，基于這一原理建立了Co2+的快速檢測(cè)新方法，該方法線(xiàn)性范圍為0～9.0×10-5mol/L，檢出限為20 nmol/L。2020年，Li等人[39]發(fā)現(xiàn)，基于光電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，半胱氨酸修飾的SQDs的熒光可被Co2+猝滅，并將SQDs做成了紙傳感器，建立了熒光法和比色法雙通道檢測(cè)Co2+，線(xiàn)性檢測(cè)范圍為0～200 μmol/L，檢出限為0.16 μmol/L，具有較高的靈敏度，且因?yàn)閷QDs做成了紙傳感器，便攜且檢測(cè)快捷。

2019年，Qiao等人[40]基于Hg2+對(duì)SQDs的熒光猝滅作用，利用SQDs作為檢測(cè)模型，建立了檢測(cè)Hg2+的兩種方法，即熒光滴定法和比色滴定法。熒光滴定法的線(xiàn)性檢測(cè)范圍為0～100 nmol/L，檢出限為65 nmol/L；比色滴定法的線(xiàn)性檢測(cè)范圍為1～10 μmol/L，檢出限為1.86 μmol/L。

基于超聲-微波輔助刻蝕合成的SQDs與Ce(Ⅳ)之間會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致其熒光猝滅?；诖嗽?，2021年Sheng等人[29]利用超聲-微波輔助刻蝕合成的SQDs，成功檢測(cè)了Ce(Ⅳ)，線(xiàn)性檢測(cè)范圍為0.25～7.0 μmol/L，檢出限為0.08 μmol/L，此外還進(jìn)行了選擇性實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法可以高靈敏度、高選擇性的檢測(cè)Ce(Ⅳ)。

3.2 SQDs在生物分子檢測(cè)中的應(yīng)用

2019年，Liang等人[43]基于胰島素對(duì)PEG修飾SQDs熒光的增強(qiáng)作用，建立了胰島素的快速檢測(cè)新方法。該方法線(xiàn)性檢測(cè)范圍為43～346 μmol/L，檢出限為11.71 μmol/L，進(jìn)一步研究表明，胰島素可能通過(guò)光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移機(jī)理導(dǎo)致硫點(diǎn)的熒光增強(qiáng)。

丁酰膽堿酯酶(BChE)的活性是許多疾病的重要指標(biāo)，因此對(duì)它的活性的檢測(cè)具有重要意義[44]。2020年，Li等人[45]開(kāi)發(fā)出了一種基于超聲輔助法合成的二氧化錳納米片(MnO2NSs)，該納米片對(duì)H2O2輔助刻蝕合成的SQDs的熒光內(nèi)濾效應(yīng)而使SQDs熒光得到有效猝滅，BChE催化乙酰膽堿或丁酰膽堿后，得到的水解產(chǎn)物膽堿可以把該納米片還原成Mn2+，從而解除了MnO2NSs對(duì)SQDs的熒光內(nèi)濾效應(yīng)，使其熒光得到恢復(fù)。該方法在稀釋人血清樣品中表現(xiàn)出較強(qiáng)檢測(cè)能力和較高的靈敏度，BChE活性和熒光強(qiáng)度比(FR/FR0)之間表現(xiàn)出兩段線(xiàn)性關(guān)系，即0.05～10 U/L和10～500 U/L，檢測(cè)限為0.0035 U/L。該方法在BChE活性檢測(cè)中具有較大的應(yīng)用前景。

3.3 SQDs在有機(jī)小分子及藥物分子檢測(cè)中的應(yīng)用

Co2+可使SQDs團(tuán)聚，從而可使SQDs的熒光得到猝滅，而Co2+又可與諾氟沙星分子側(cè)鏈上的羰基氧和羥基氧配位形成絡(luò)合物，當(dāng)加入不同量的諾氟沙星時(shí)，SQDs的熒光可得到不同程度的恢復(fù)，利用這一原理成功用于諾氟沙星的檢測(cè)[38]，線(xiàn)性檢測(cè)范圍為0～2×10-4mol/L，檢出限為3.3×10-6mol/L。

Zn2+對(duì)SQDs的熒光具有增強(qiáng)作用，氯喹醇跟Zn2+具有很強(qiáng)的親和力，并且氯喹醇對(duì)SQDs的熒光具有猝滅作用。2019年，Zhao等人[46]將Zn2+與SQDs混合在一起之后，再加入氯喹醇，發(fā)現(xiàn)可以增強(qiáng)氯喹醇對(duì)SQDs熒光的猝滅作用，從而拓寬SQDs對(duì)氯喹醇的檢測(cè)范圍，檢測(cè)范圍為0.024～0.24 μmol/L和0.62～30 μmol/L，檢出限為0.015 μmol/L，此法靈敏度較高，在檢測(cè)氯喹醇的方法中具有一定優(yōu)勢(shì)。

Duan等人[30]研究發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅵ)對(duì)CMC-SQDs具有熒光內(nèi)濾效應(yīng)，當(dāng)體系中存在抗環(huán)血酸時(shí)，由于抗壞血酸與Cr(Ⅵ)之間的氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致SQDs熒光信號(hào)的恢復(fù)，基于這一原理，建立了抗壞血酸檢測(cè)新方法。該方法線(xiàn)性檢測(cè)范圍為1～300 μmol/L，檢出限為0.18 μmol/L。Tan等人[42]通過(guò)研究同樣發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅵ)對(duì)H2O2輔助合成的PEG修飾的SQDs也具有熒光內(nèi)濾效應(yīng)，當(dāng)體系中存在抗環(huán)血酸時(shí)，基于同樣的原理可使SQDs熒光信號(hào)得到恢復(fù)，建立了抗壞血酸檢測(cè)方法，線(xiàn)性檢測(cè)范圍為20～500 μmol/L，檢出限為1.21 μmol/L。Sheng等人[29]發(fā)現(xiàn)，由于抗壞血酸的強(qiáng)還原能力，可使因發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被Ce(Ⅳ)猝滅的SQDs熒光部分恢復(fù)，用該體系檢測(cè)抗壞血酸，線(xiàn)性檢測(cè)范圍為0.5～10.0 μmol/L，檢出限為0.289 μmol/L，該方法可用于環(huán)境樣品或生物樣品中抗壞血酸的檢測(cè)。

3.4 SQDs在細(xì)胞成像中的應(yīng)用

SQDs在細(xì)胞成像領(lǐng)域也引起了研究者的關(guān)注。Qiao等人[40]利用SQDs作為熒光探針對(duì)HeLa細(xì)胞進(jìn)行染色，與0.5 mg/mL的SQDs共孵育8 h后，將細(xì)胞用磷酸鹽緩沖液進(jìn)行洗滌，以將標(biāo)記的細(xì)胞與游離的SQDs分離。通過(guò)使用共聚焦激光掃描顯微鏡在405 nm激發(fā)波長(zhǎng)下觀(guān)察到HeLa細(xì)胞能夠發(fā)出明顯的藍(lán)光，說(shuō)明SQDs可以用于細(xì)胞成像。Zhang等人[22]利用超聲法合成的SQDs處理EAS -2B細(xì)胞。將含不同濃度SQDs的新鮮培養(yǎng)基與EAS -2B細(xì)胞共孵育1 h后，將細(xì)胞用磷酸鹽緩沖液洗滌，以除去游離的SQDs。通過(guò)共聚焦激光掃描顯微鏡在488 nm激發(fā)波長(zhǎng)下觀(guān)察到EAS-2B細(xì)胞發(fā)出強(qiáng)烈綠光，且發(fā)現(xiàn)SQDs主要分布在細(xì)胞質(zhì)中，表明SQDs可以用作體外活細(xì)胞成像探針。Duan等人[30]用20 μg/mL的CMC-SQDs溶液與HeLa細(xì)胞共孵育2 h后，將細(xì)胞用磷酸鹽洗滌，以除去游離的CMC-SQDs。通過(guò)使用共聚焦顯微鏡在364、458和514 nm激發(fā)波長(zhǎng)下，分別觀(guān)察到細(xì)胞發(fā)出明顯的藍(lán)色、綠色和黃色熒光。而未與CMC-SQDs孵育的細(xì)胞未觀(guān)察到熒光，表明SQDs有望作為成像劑。由于目前SQDs的表面修飾還不成熟，如何將特定功能的小分子、蛋白質(zhì)、多肽高效偶聯(lián)到SQDs表面仍然是該領(lǐng)域未來(lái)需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

4 總結(jié)與展望

SQDs因其固有的抗菌性、良好的光穩(wěn)定性、低毒性、生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，在生物成像、分析檢測(cè)、傳感、催化等多個(gè)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，并吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。然而，與CQDs、CdSe/ZnS QDs相比，目前SQDs的合成方法還比較少且比較費(fèi)時(shí)，量子產(chǎn)率還有待進(jìn)一步提高，且大多數(shù)SQDs的發(fā)射顏色局限于藍(lán)綠色[47]，這些問(wèn)題限制了SQDs進(jìn)一步廣泛應(yīng)用。因此，發(fā)展新的SQDs合成及表面修飾技術(shù)，進(jìn)一步縮短合成步驟、提高其熒光量子點(diǎn)產(chǎn)率是未來(lái)SQDs研究中需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在SQDs的生物成像分析方面，發(fā)展SQDs偶聯(lián)新方法、開(kāi)展靶向成像新技術(shù)也是未來(lái)研究的熱點(diǎn)。另外，由于S元素固有的抗菌活性，功能化SQDs未來(lái)可望用于抗菌、抗病毒領(lǐng)域的研究。我們有理由相信，通過(guò)研究者的不斷努力，SQDs在不遠(yuǎn)的將來(lái)將成為純?cè)亓孔狱c(diǎn)家族中熠熠生輝的一員。