基于鉑納米團簇的生物傳感研究進展

王鵬飛 楊敏 朱龍佼 許文濤

（中國農業大學營養與健康系 食品精準營養與質量控制教育部重點實驗室，北京 100083）

近年來，由幾到幾百個貴金屬原子（如Au、Ag和Pt等）組成的貴金屬納米團簇（metal nanoclusters，M NCs）得到了越來越多的重視。當尺寸接近電子的費米波長（即＜2 nm）時，M NCs由于量子限制，連續態密度分解為離散的能級［1］，從而表現出類似于離散的分子特征［2］。因此，M NCs展示出與其他納米材料截然不同的獨特的光、電和化學性質［3］。在眾多金屬納米團簇之中，鉑納米團簇（platinum metal nanoclusters，Pt NCs）由于其出色的反應活性、光學特性、催化活性、導電性和生物相容性等，被廣泛應用于生物傳感和醫學成像。

盡管Huang等［4］已經在2019年綜述了Pt NCs在合成、物理和化學性質、生物成像和癌癥治療方面的應用，但有關新興的生物傳感器方面的應用還未涉及。因此，在這篇綜述中，我們概述了Pt NCs的合成、性質及其近幾年中在傳感應用中的最新進展。首先，我們總結了不同配體合成Pt NCs的方法及其理化特性。在此基礎上，我們進一步強調了近年來基于Pt NCs的熒光生物傳感器、納米酶生物傳感器，電化學傳感領域以及生物成像等方面的進展，并對Pt NCs目前存在的不足及未來的發展趨勢進行展望，以期為研究者提供借鑒。

1 鉑納米簇的合成

在過去的幾十年中，包括聚合物，蛋白質和肽以及DNA在內的各種模板已被用于合成Pt NCs，它們不僅充當Pt NCs形成和穩定的支架，而且還提供了合成基于Pt NCs納米復合材料的條件。此外，Pt NCs的大小，結構和特性與模板和環境高度相關，因此可以調整合成的模板和環境來調整Pt NCs的理化特性。

常用的模板通過以下3種主要方式賦予Pt NCs新的獨特功能或特定結構：（1）降低表面能，以防止NCs通過靜電相互作用，化學鍵合和空間位阻效應聚集；（2）準確控制Pt NCs的大小，分散性和形態，這將深刻影響其固有功能；（3）對Pt NCs的表面進行裝飾和修飾，以賦予一些反應性官能團，以實現進一步的應用。理想的模板總是包含富電子原子（例如N、P、S和O）或某些官能團（如-COOH、-NH2、-OH和-SH）。為了更好地理解Pt NCs的形成和特性，我們在這里討論了影響其形態和功能的不同模板。

1.1 以聚合物為模板合成

在過去的幾十年中，具有豐富羧基的聚合物在模板輔助合成M NCs中顯示出巨大潛力。多種聚合物已被用作支架來制備Pt NCs，如聚（2-羥乙基-2-巰基乙基天冬酰胺）（poly（2-hydroxyethyl-2-mercaptoethyl aspartamide），PHMA）［5］， 陽 離 子 聚合物聚乙烯亞胺（polyethyleneimine，PEI）［6］。此外，具有特殊結構的高分子聚合物如樹枝狀大分子同樣具有優異的性質可作為NCs的合成模板。由于具有均勻的結構和從溶液中螯合金屬離子的能力，樹枝狀大分子可以提供預定的形成環境，以精確控制NCs的大小和形態，已被廣泛用作制備MNCs的有前途的模板［7］。如苯偶氮次甲基樹枝狀大分子［8］，聚酰胺樹狀大分子［9］，聚酰胺-胺型樹枝狀高分子（polyamidoamine dendrimer，PAMAM）［10］等。

1.2 以蛋白質和肽為模板合成

由于具有豐富巰基，氨基和羧基的蛋白質可以為金屬離子提供許多結合位點，蛋白質作為模板輔助合成M NCs（如Au、Ag和Pt NCs）中受到了廣泛的關注。受具有蛋白質模板的M NCs優異的光物理性質和潛在應用的推動，已開發出各種蛋白質來合成熒光Pt NCs。例如，牛血清白蛋白（bovine albumin，BSA）［11］，溶菌酶（Lys）［12］，以其他蛋白如雞蛋清（chicken egg white，CEW），四結構域成人血紅蛋白（hemoglobin，HGB）為模板合成的Pt NCs同樣具有理想的效果。與蛋白質模板化的M NCs相比，肽具有結構簡單且分子量小的優勢，被肽穩定的Pt NCs不僅具有良好的生物相容性和高生物活性，而且在合成過程中還表現出每種特定氨基酸的重要作用。例如，Yuan等［13］報道了在CTAB的支持下，將預先合成的谷胱甘肽（glutathione，GSH）保護的Pt NPs轉移到有機溶劑中，然后形成熒光小的Pt NCs。

1.3 以脫氧核糖核酸（DNA）為模板合成

由于DNA帶負電荷的骨架和氮化的核堿基，可以通過簡單的靜電相互作用或配位相互作用為金屬離子提供大量的結合位點［14］。因此，以 DNA作為配體模板可以合成具有高穩定性、生物相容性、特異性和過氧化物酶活性的DNA功能化的納米材料。目前以DNA為模板合成的金屬納米材料（如金、銀和銅等）在生物傳感、生物成像及生物醫學等領域具有廣泛的應用。雖然，以DNA為模板直接合成DNA-Pt NCs未見報道，但Higuchi等［15］首先合成了基于過氧化物酶模擬的DNA-Pt復合物，但未對其Pt復合物的形貌做具體描述。在此前研究的基礎上，考慮到雜化雙金屬納米材料的優勢，Zheng等［16］開發了一種簡便的一步法，通過DNA模板法生產Ag/Pt雙金屬納米團簇，他們選擇了預先優化的富含C的DNA作為合成模板，該模板已被用于模板化合成熒光Ag NCs。由于胞嘧啶堿基對Ag（I）具有很強的親和力，因此在被NaBH4還原后，Ag（I）可以優先與富含C的DNA相互作用并形成Ag NCs。然后，Pt（0）的生長將由 Ag NCs表面上的 Ag（0）和 Pt（II）之間的電置換反應來引發，并通過用NaBH4還原而繼續進行。由于封裝在DNA基質中，因此可以在幾納米尺度上很好地控制沉積的Pt NCs的生長。與之前的研究相比，它們的合成不需要額外的表面活性劑或高溫處理。除了單鏈DNA，雙鏈［17-18］或者三鏈［19］DNA模板也能合成具有特殊功能的DNA雙金屬納米簇。

2 鉑納米簇的性質

2.1 催化性質

人造酶作為天然酶的替代品，具有無標記的結構、高效，出色的穩定性和較低的成本等優勢。近年來，已經合成了多種納米材料，如碳納米材料、貴金屬納米顆粒、金屬氧化物納米材料和其他復合材料等作為人工酶催化劑（納米酶），并主要表現出過氧化物酶樣活性的顯著性質。鉑金屬納米材料由于其相較于其他金屬納米材料（如金、銀納米材料）更高的催化活性，成為人造酶中的佼佼者，并吸引了越來越多的關注。

對于鉑基催化劑的催化強度有兩種常見觀點。一種是尺寸對能力的影響：最初的研究表明接近2 nm 的Pt NPs處于催化性能的極限［20］。后來，一系列的研究證明了小于2 nm的Pt NCs能夠表現出更好的催化性能［21］，其催化活性可以強于普通Pt基催化劑幾十倍［22］。另一種是結構對其能力的影響，常見觀點認為，具有高對稱性的Pt NCs的某些形態（如拓撲幻數結構）可以表現出更高的催化能力［20］。然而，Imaoka等［23］發現與具有高對稱性的拓撲穩定的Pt13相比，變形結構的Pt12具有雙重催化活性。這是由于具有較少內部Pt-Pt鍵數量的Pt12的對稱性較低以及Pt12的結構轉變使尺寸進一步減小造成的。

據報道，基于鉑的雙金屬或雜化納米結構具有更高的穩定性和催化活性［24］。迄今為止，已經制備了具有各種形貌和尺寸的Pt納米材料，以獲得具有更高催化活性的氧化酶模擬物。此外，具有優異的電導率Pt NCs多被用作電極催化劑［25］，已被廣泛用于開發具有更高電催化活性的新型電極材料［26］以及具有成本效益的質子交換膜燃料電池［4，27-28］。

2.2 熒光性質

M NCs的應用在很大程度上取決于它們的光學特性，并且有大量研究報告了NCs的獨特光學現象。例如，穩態吸收和熒光，溫度依賴性熒光，超快熒光和瞬態吸收，熒光增強以及電化學發光［29］。不同的鉑的大小和形貌對其熒光的影響起著至關重要的作用，通常，Pt NCs特有的尺寸依賴性熒光是由最高占據分子軌道（highest occupied molecular，HOMO）和最低未占據分子軌道（lowest unoccupied molecular orbital，LUMO）之間的電子躍遷產生的。不同配體保護的Pt NCs具有不同的熒光性質，Pt NCs的發射波長可以從可見光到近紅外，但大多集中于藍、綠和黃光的熒光上。除了表面配體、pH、Pt前體與還原劑的摩爾比等反應條件的改變也會明顯影響熒光Pt NCs的發射波長。例如，Huang等［30］發現Pt NCs＠PEI的大小和熒光特性與由Pt NCs形成的腔緊密相關，發射波長在酸性條件下會轉變為更長的波長（無熒光），在堿性條件下會轉變為較短的波長（黃色熒光），當處于中性條件時，發射波長略微移至575 nm。另外，通過調節Pt離子與還原劑L-抗壞血酸（L-AA）的摩爾比，可以制備從發射藍光到發射黃光的不同發射波長的熒光Pt NCs。藍色（1∶5），綠色（1∶20）和黃色發光（1∶25）［31］（表 1）。

表1 不同配體對熒光Pt NCs的影響Table 1 Influence of different ligands on fluorescent Pt NCs

2.3 其他性質

除了光學和催化性能外，Pt NCs還具有獨特的物理特性，如磁性屬性［38］和熱特性［39］。Ahmadi等［40］證實了Pt NCs中配位不足的原子之間的鍵長短引起核心電子的局部致密化和量子俘獲，使原本導電的電子極化并導致結合能移動，說明了Pt NCs具有有趣的磁性屬性。此外，Lee等［41］通過分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬結合嵌入式原子方案，研究了各種溫度條件下Ptn NCs（n = 38、147、309和561個原子）的相穩定性，揭示了不同原子數Pt NCs依賴溫度的構象變化。

3 基于鉑納米簇的生物傳感技術

3.1 基于Pt NCs納米酶的生物傳感器

基于Pt NCs納米酶的生物傳感器可根據信號輸出方式分為比色生物傳感器和電化學生物傳感器。比色生物傳感器主要利用具有類過氧化物酶性質的Pt NCs納米酶催化底物如TMB氧化變色產生的顏色變化為信號輸出方式為基本策略制造的傳感器。電化學生物傳感器，主要利用Pt NCs納米酶優良的電導率產生的電催化作用及良好的生物相容性可有效促進生物材料，如DNA的負載而制造的電化學生物傳感器。迄今為止，基于Pt NCs催化劑的傳感器應用已有多篇研究，我們在這里主要討論上述兩種類型的傳感策略。

3.1.1 基于Pt NCs納米酶的比色生物傳感器 人造酶，由于其無標記的結構，高效，出色的穩定性和較低的成本，已被合成并廣泛應用于生物傳感器。近年來，已經制備了具有各種形狀和尺寸的Pt納米材料，以獲得具有更高催化活性的氧化酶模擬物。例如，Feng等［42］報道了一種新穎而簡單的策略，可通過一鍋合成路線生產具有可調的Au/Pt摩爾比的金/鉑雙金屬納米簇（Au/Pt NCs）。通過使用TMB作為顯影劑檢測葡萄糖基質，可以通過Au/Pt NCs-葡萄糖氧化酶（NCs-glucose oxidase，GOx）級聯催化系統對葡萄糖進行靈敏和高選擇性的比色檢測。不僅用于肉眼直觀檢測葡萄糖，而且用于可靠且方便的定量，范圍為5-55 μmol/L，LOD為2.4 μmol/L。除了雙金屬或多金屬雜化，Pt NCs包裹在其他金屬材料表面以提高穩定性和催化活性也有了大量研究。例如，Zheng等［43］開發了一種基于多孔金＠鉑納米催化劑（Au＠Pt NCs）和無源三維（3D）微混合器的靈敏光學生物傳感器，用于快速檢測鼠傷寒沙門氏菌。可在1 h內檢測到沙門氏菌，濃度范圍為1.8×101-1.8×107CFU/mL，LOD為17 CFU/mL；

除了上述的比色檢測策略外，以DNA為模板或者靶標的生物傳感器也逐漸引起了越來越多的關注：Higuchi等［15］首先基于過氧化物酶模擬的DNA-Pt復合物建立了凝血酶的比色生物測定法，該方法對凝血酶的LOD 為 0.4 μmol/L。Zheng等［16］改進了前人的合成方法，開發了一種簡單的一步法，以單鏈DNA為模板來合成Ag/Pt雙金屬納米簇（DNA-Ag/Pt NCs），這也是第一次提出了DNA-Ag/Pt NCs的概念，并開發了一種無標記的比色適體傳感器，將凝血酶的LOD降低到2.6 nmol/L。Fu等［44］用檸檬酸鈉代替磷酸鹽緩沖液，大大縮短了系統的反應時間，優化了DNA-Ag/Pt NCs的合成方案。有趣的是，仍然可以獲得相同的Ag/Pt雙金屬納米簇。他們利用無標記技術的催化性能構建了用于檢測VEGF鱗片膠泥的電化學適體傳感器，在優化的實驗條件下，線性范圍為6.0-20 pmol/L，LOD為4.6 pmol/L。

研究發現將Hg0和Hg2+整合到DNA-Ag/Pt NCs中會導致DNA-Ag/Pt NCs聚集并降低DNA-Ag/Pt NCs表面上Pt2+的含量，最終抑制了它們的催化活性。基于此，Wu等［45］開發了Hg2+的比色檢測方法。基于相同的原理，Kermani等［17］開發了用于DNAMTase活性檢測的比色測定法，LOD為0.05 U/mL。

3.1.2 基于Pt NCs納米酶的電化學生物傳感器 作為一種流行的分析方法，就高度敏感的電化學生物傳感器的合理設計而言，電極材料和信號輸出是兩個關鍵因素。具有獨特的表面活性和光電性能以及良好的生物相容性的Pt NCs可以用于使電極界面功能化，或用作實現生物標記物高度靈敏檢測的特定信號輸出。Pt NCs的存在可以改善生物傳感器的電導率和性能特征，并增加其他生物材料的負載。

由于單Pt電催化劑的穩定性差，成本高昂，Pt基雙金屬合金代替了單元素Pt不僅可以減少Pt的消耗，而且還通過利用兩者之間的協同作用來提高催化活性。Pajooheshpour等［46］報道了由BSA模板化的Au-Pt雙金屬納米簇（Au-Pt＠BSA/GCE）和石墨烯納米帶（graphene nanoribbons，GNRs）組成的新傳感層，用于快速，高選擇性和靈敏地檢測二嗪農，該策略的LOD低至0.002 μmol/L。通過將Pt和Sn納米顆粒均勻裝飾在TiO2納米棒（Pt-Sn＠TiO2）表面，Li等［47］開發了一種基于雙信號放大策略（包括Pt-Sn＠TiO2復合材料和核酸外切酶輔助的靶標回收）的檢測方案，LOD為（0.02±0.004 5）nmol/L。

然而，由于這些小Pt NCs在連續工作條件下容易聚集并且易于從金屬氧化物載體上脫離，因此電催化活性通常會下降，這歸因于Pt NCs的接觸部分較小，與金屬氧化物基質接觸且微弱。它們之間的物理或電子交互。因此，增強Pt/金屬氧化物納米雜化物的穩定性對于保持其高電催化活性非常重要，這是構建用于靈敏檢測的電化學傳感器的關鍵因素。Lu［48］成功設計并合成了一種新型且穩定的Pt NCs。通過在堿性溶液中脫AlCoPt三元合金來摻雜CoO（Pt/CoO）。在脫合金過程中，Al迅速溶解，其余的Co原子在金屬/電解質界面處被氧化。同時，Pt原子擴散形成摻雜在具有匹配原子結構的CoO晶格中的Pt NCs，因此它們自動形成相互穩定的納米結構。通過在玻璃碳電極（glassy carbon electrode，GCE）上修飾Pt/CoO納米雜化物來制造用于亞硝酸鹽檢測的新型電化學傳感器，LOD為0.067 μmol/L。

3.2 基于熒光Pt NCs的生物傳感器

盡管Pt NCs或納米顆粒憑借其催化活性已被廣泛用于傳感應用中，但很少有文獻報道將Pt NCs用作化學傳感的熒光探針。可以通過與熒光Pt NCs混合引起的熒光猝滅來檢測目標。熒光猝滅通常通過動態或靜態猝滅的機制發生。動態猝滅僅影響熒光團的激發態，因此沒有預測吸收光譜的變化。與動態猝滅不同，靜態猝滅發生在分子形成基態復合物時。例如，George等［49］合成了由N，N-二甲基甲酰胺（N，N-Dimethylformamide，DMF）分子穩定的Pt NCs，并將其用作熒光探針，用于選擇性檢測水性介質中的 Fe3+。Fe3+通過DMF中酰胺鍵的羰基氧原子配位形成加合物，引起靜態猝滅。Huang等［31］使用PEI作為穩定配體，使用環保型L-AA作為還原劑，制備的不同顏色的熒光Pt NCs在500 nmol/L的LOD下對Co2+敏感。Xu等［50］用BSA作穩定劑合成的熒光Pt NCs可用于S2-的檢測，檢測范圍在50-1 000 μmol/L，LOD 為 50.0 μmol/L。

此外，可以用熒光NCs標記的免疫探針進行靈敏雙重檢測，從而通過熒光和元素質譜法測定生物分子。Lores-Padín等［51］報道了Pt NCs在免疫球蛋白E（IgE）競爭性免疫分析中作為雙峰標記物的用途。熒光免疫測定IgE的LOD為0.6 ng/mL。電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）的LOD低至0.08 ng/mL。

3.3 生物成像

到目前為止，高熒光的金和銀納米簇（Au NCs和Ag NCs）在活細胞的生物成像中已經有許多研究。近年來，有關熒光Pt NCs在生物醫學應用中也引起越來越多的關注。先前報道的一些研究表明，熒光Pt NCs發射波長主要集中在藍色和綠色區域，僅涉及單個發射波長。較長波長的熒光具有較少的自發熒光和更高的臨床安全性，這表明不同的顏色可以擴大應用范圍，這使得Pt NCs對生物傳感和生物成像研究具有吸引力。Tanaka等［33］通過使用PAMAM作為模板合成了發射藍色和綠色［34］熒光的Pt NCs，并成功實現了對Hela細胞的生物成像。此外，Xin和 Huang等［52］使用熒光Pt NCs對造血K562和BV173細胞，NSCLC A549細胞和HepG2細胞等不同種類的腫瘤進行了生物成像，證明了熒光Pt NCs作為優選的熒光團的潛力。

Pt NCs＠PEI易于與抗CXCR4抗體偶聯以產生Pt NCs＠PEI（anti-CXCR4-Ab）偶聯物，該偶聯物已成功地用于對同時被DAPI染色HeLa細胞膜的細胞核進行生物成像［30］。這些Pt NCs＠PEI即使在較長的溫育時間下也表現出較低的細胞毒性和更好的生物相容性。與常規熒光團（有機染料和Qdots）相比，Pt NCs＠PEI具有水溶性，超細尺寸和非常低的細胞毒性的優勢，這表明它們作為安全，無毒的熒光造影劑的潛力。Tanaka等［33］使用具有長鏈結構的Pt NCs生物納米探針開發了一種在細胞水平上對HER2進行高度靈敏光學成像的平臺。它使用發射光（Ex/Em=535/630 nm）以增強組織穿透力并減少從組織散射的背景噪聲，因此可以觀察到細胞深層的解剖特征。

4 總結與展望

Pt NCs作為新一代的納米材料由于其獨特的光學特性和復雜的表面化學特性在生物傳感及生物成像方面開辟了新的道路。盡管近年來Pt NCs的應用有了很大的進展，但在更廣泛的應用之前，仍有一些具有挑戰性的問題需要解決。

在合成模板方面，目前合成的模板包括樹枝狀大分子在內的聚合物配體及生物大分子。與有機小分子相比，聚合物具有更容易改性、更好的控制能力和較低的毒性，使其成為合成M NCs的首選。但是大支架的主要缺點是既難以從溶液中的NCs中除去剩余的游離模板，又難以將NCs與大支架隔離。另外，當使用樹枝狀大分子或其他聚合物作為模板時，已經觀察到反應空白經常發出明顯的熒光。因此，合成易于分離和純化熒光的Pt NCs仍然是一大挑戰。此外，生物大分子模板，如DNA、蛋白質、寡核苷酸和酶，是制造醫用和生物金屬納米材料的常用材料。相比之下，由于DNA具有相對更高的生理穩定性和可預先設計的結構，使用DNA為模板合成的金屬納米簇具有體積小、毒性低、易于組裝以及優秀的生物相容性等優點，目前DNA模板化的金屬納米團簇，如DNA/Au NCs，DNA/Ag NCs等在生物成像，環境檢測，臨床診斷和治療領域已經得到了廣泛的探索和利用。盡管有一些DNA雜化鉑納米簇的少數報道，但是，顯然有關DNA鉑納米簇的生物學應用還有待開發，可預見在未來DNA-Pt NCs會在生物成像、抗菌及癌癥治療方面會出現更多令人鼓舞的成果。

在檢測應用中，我們總結了Pt NCs廣泛應用于熒光傳感、電化學等具有低檢出限的傳感器中的策略，并指出Pt NCs可以用作人造酶，以替代新型比色和熒光生物傳感器中昂貴且敏感的HRP和CAT，并開發新型的裸眼診斷方法。這是一個特別有趣的領域，因為Pt NCs的極高催化效率及其在各種條件（包括pH和溫度）下的穩定性可以促進超靈敏，低成本和便攜式檢測的發展，該檢測策略使得傳感器在室溫下長時間（幾個月）保存，并且在沒有溫度控制或儀器要求的情況下在專門實驗室外進行成為了可能。

在細胞毒性方面，目前的研究表明大部分Pt NCs是適用于活細胞長期成像的無害熒光探針。但由于復雜環境的穩定性和活細胞的毒性，Pt NCs在體內系統的應用仍然受到限制，亟需對其在細胞和動物中的毒性和穩定性進行系統和全面的評估。總體而言，Pt NCs在生物傳感器的新興應用領域正在快速增長，并且有可能為分析科學的發展做出巨大貢獻。