以藥根堿為模板的新型熒光銅納米簇合成及其催化應用

摘 要：以非巰基小分子化合物為模板合成熒光銅納米簇（CuNCs）是當前熱點研究內容.本研究選擇一種天然異喹啉生物堿即藥根堿（Jatrorrhizine，JAT）為模板，以L-抗壞血酸為還原劑成功合成了一種新型熒光銅納米簇（JAT-CuNCs）.為獲得JAT-CuNCs的最強熒光，優化了JAT用量、CuSO4濃度、pH和合成時間等條件，并利用紫外-可見吸收光譜、熒光光譜、傅里葉變換紅外光譜和高分辨透射電子顯微鏡等技術對合成的JAT-CuNCs進行了表征.研究結果表明，JAT-CuNCs的平均粒徑為3.5±0.5 nm，最大激發和發射波長分別為368 nm和472 nm，且表現出聚集誘導發光特性，同時具有良好的光穩定性；JAT-CuNCs可以催化肼還原亞甲基藍的反應，在4.5 min內亞甲基藍在665 nm處的吸收峰幾乎消失，溶液由藍色變為無色.本研究提供了一種在催化領域具有較大應用潛力的候選物質，并能為天然產物的開發利用提供借鑒.

關鍵詞：藥根堿； 熒光銅納米簇； 催化

中圖分類號：O643.36

文獻標志碼： A

The synthesis of novel fluorescent copper nanoclusters using jatrorrhizine as a template and its potential application in catalysis

LIU Qiao-ning， QI Liang*， GAO Ying， ZHANG Xin-ting

（School of Food Science and Engineering （School of Biological and Pharmaceutical Sciences）， Shaanxi University of Science amp; Technology， Xi′an 710021， China）

Abstract：The synthesis of fluorescent copper nanoclusters （CuNCs） using non-sulfhydryl small molecule compounds as templates is currently a highly researched topic.In this study，Jatrorrhizine （JAT），a natural isoquinoline alkaloid，was selected as the template and ascorbic acid was utilized as the reducing agent for the synthesis of a novel fluorescent copper nanocluster （JAT-CuNCs）.To achieve the maximum fluorescence of JAT-CuNCs，the dosage of JAT，the concentration of CuSO4，pH，and synthesis time were optimized.The synthesized JAT-CuNCs were characterized using UV-Vis absorption spectroscopy，fluorescence spectroscopy，fourier transform infrared spectroscopy，and high-resolution transmission electron microscopy.The results indicate that the average size of JAT-CuNCs was 3.5±0.5 nm，with maximum excitation and emission wavelengths at 368 nm and 472 nm，respectively.Moreover，JAT-CuNCs exhibited characteristics of aggregation-induced emission and demonstrated excellent optical stability.Additionally，JAT-CuNCs successfully catalyzed the reduction of methylene blue （MB） by hydrazine hydrate，resulting in the disappearance of the absorption peak of MB at 665 nm within 4.5 min and a color transition from blue to colorless in the solution.This study presents a promising material with significant potential for application in catalysis，while also providing valuable insights for the development and utilization of natural products.

Key words：jatrorrhizine； CuNCs； catalysis

0 引言

金屬納米簇由幾個到幾百個金屬原子組成，隨著其尺寸逐漸減小并無限接近電子的德布羅意波長時，表現出與傳統金屬不同的光學性質［1］.金屬納米簇作為一種新型的熒光探針，具備優異的光穩定性、低毒性、良好的生物相容性和較大的Stokes位移［2］.目前已經報道的金屬納米簇主要包括金納米簇（AuNCs）［3］、銀納米簇（AgNCs）［4］和銅納米簇（CuNCs）［5］等.與貴金屬Au和Ag相比，Cu價格低廉、儲量豐富且容易獲得.目前，CuNCs已經廣泛應用于分析檢測［6］、細胞成像［7］和催化［8］等領域.已經報道的CuNCs合成方法有電化學合成法［9］、模板法［7］、蝕刻法［10］和微波輔助法［11］等.其中，模板法是合成CuNCs最常用的方法之一，有多種大分子物質如DNA［12］、RNA［13］、蛋白質［14］和高聚物［15］等可以在CuNCs的合成過程中充當模板.相比于大分子，有研究發現采用小分子為模板合成CuNCs有利于提高CuNCs的量子產率和穩定性［16-18］.目前常采用的小分子模板可以分為巰基化合物和非巰基化合物.巰基化合物的巰基官能團可以直接將Cu2+還原形成熒光CuNCs；非巰基化合物主要是指含羥基或者氨基等基團的小分子，因可以與Cu2+相互作用而成為合成CuNCs的模板［19，20］，這也是當前的研究熱點.

藥用植物中含有種類豐富的小分子天然化合物，是發現先導化合物與候選藥物的重要源泉.異喹啉生物堿，例如藥根堿（Jatrorrhizine，JAT）和小檗堿（Berberine，Ber）等，是一類重要的含氮雜環天然化合物，主要來源于酪氨酸或苯丙氨酸，具有重要的生物活性，如抗菌、抗炎、抗氧化和抗癌作用［21］.多數異喹啉生物堿具有甲氧基或二氧五環等含氧官能團，而JAT還含有特殊的酚羥基，能夠為其成為CuNCs的合成模板提供可能.

本研究以JAT模板，L-抗壞血酸（L-Ascorbic acid，AA）為還原劑合成了一種新型CuNCs（JAT-CuNCs），其過程如圖1所示.合成的JAT-CuNCs具有良好的發光性能，并能夠室溫催化亞甲基藍（Methylene blue，MB）與水合肼（N2H4·H2O）的反應.

1 實驗部分

1.1 實驗原料

五水合硫酸銅（CuSO4·5H2O）、MB、硝酸銀（AgNO3）、氯化亞鐵（FeCl2）、氯化鋇（BaCl2）、硝酸鋁（Al（NO3）3）、氯化鉀（KCl）、氯化鈉（NaCl）、硝酸鎂（Mg（NO3）2）、硫酸鋰（Li2SO4）和氯化鈣（CaCl2）均購自天津天力化學試劑有限公司;JAT、AA、乙酸鈉緩沖液（0.2 M，pH4.5）、磷酸緩沖液（PB，0.2 M，pH6.8）、2-嗎啉乙磺酸緩沖液（MES，0.2 M，pH6）、MES（0.5 M，pH7）和硼酸鈉緩沖液（0.5 M，pH8.5）均購自上海麥克林生物科技有限公司;L-谷氨酸（L-Glu）、L-天冬酰胺（L-Asn）、L-丙氨酸（L-Ala）、L-谷氨酰胺（L-Gln）、L-蘇氨酸（L-Thr）、L-精氨酸（L-Arg）和L-色氨酸（L-Trp）均購自北京索萊寶科技有限公司;四氫呋喃（THF）購自天津新技術產業園區科茂化學試劑有限公司;N2H4·H2O購自上海國藥集團化學試劑有限公司，以上試劑均為分析純，使用時未經進一步純化.

1.2 實驗方法

1.2.1 合成JAT-CuNCs

在MES緩沖液（10 mM，pH7）中依次加入JAT（80 μM）、CuSO4（20 μM）和AA（2 mM）溶液，混合均勻后25 ℃反應11 h，觀察到溶液的顏色由深黃逐漸變為淡黃色，表明JAT-CuNCs的形成.JAT-CuNCs儲備液于4 ℃保存備用.

1.2.2 催化實驗

根據文獻報道的方法［22］，以MB為顯色劑，N2H4為底物，測試JAT-CuNCs的催化性能.實驗步驟如下：取200 μL的JAT-CuNCs儲備液加入到800 μL含有MB（33 μM）和N2H4（60 mM）的PB緩沖液（50 mM，pH 6.8）中.混合均勻后，監測665 nm處吸光度隨時間的變化.

1.3 表征與測試

1.3.1 熒光光譜測定

所有熒光光譜均使用熒光分光光度計（型號：Cary Eclipse，美國安捷倫）測定，石英比色皿規格為2×10 mm.JAT-CuNCs的激發波長設置為368 nm，發射光譜測量范圍為380～650 nm，激發與發射狹縫均設置為5 nm，掃描速度設置為600 nm min-1，光電倍增管電壓設置為800 V，反應混合物的最終體積為200 μL.所有熒光光譜至少測定三次.

1.3.2 紫外-可見吸收光譜測定

使用紫外-可見分光光度計（型號：P4，上海美譜達）測定JAT-CuNCs的紫外-可見吸收光譜.掃描速度設置為中等.使用MES緩沖液（10 mM，pH 7）進行背景校正后測定最終光譜.

1.3.3 高分辨透射電子顯微鏡（HR-TEM）表征

JAT-CuNCs的微觀形貌使用HR-TEM（型號：Tecnai G2 F20，美國FEI）進行觀測，工作電壓為200 kV.在碳包裹的銅網基底上涂覆JAT-CuNCs以制備樣品，25 ℃自然晾干后進行表征.

1.3.4 紅外光譜（FT-IR）表征

使用傅里葉變換紅外光譜儀（型號：Vertex 70v，德國布魯克）采集樣品的FT-IR譜圖，測量波長范圍為4 000～500 cm-1.

2 結果與討論

2.1 JAT-CuNCs的合成與表征

首先通過熒光光譜和紫外-可見吸收光譜對合成的JAT-CuNCs進行了表征.圖2所示為JAT-CuNCs（儲備液）激發/發射光譜圖以及JAT（80 μM）、JAT（80 μM）/Cu2+（20 μM）、JAT（80 μM）/AA（2 mM）和AA（2 mM）/Cu2+（20 μM）混合物的發射光譜圖.在368 nm最大激發波長下，JAT-CuNCs在472 nm處出現最大發射（熒光）峰，作為對照，JAT、JAT/Cu2+、JAT/AA和AA/Cu2+混合物則幾乎無熒光.上述熒光強度差異能夠有效證明以JAT為模板形成了CuNCs.JAT-CuNCs的紫外-可見吸收光譜如圖3所示，相比于JAT，可以在228 nm、267 nm、325 nm和440 nm等波長觀察到相似的吸收峰，而在368 nm（最大激發波長）附近的吸收峰強度明顯增強，說明JAT-CuNCs被成功合成.此外，在560 nm附近未觀察到明顯的表面等離子體共振吸收峰，表明溶液中沒有超過5 nm的大粒徑銅納米粒子形成［23，24］.

通過HR-TEM表征了JAT-CuNCs的形貌，并進行了粒徑分布分析，結果如圖4（a）所示，可以看到合成的CuNCs分散性良好并基本呈球形，平均粒徑為3.5±0.5 nm.以上表征結果直接說明JAT-CuNCs被成功合成.

為了進一步明確JAT-CuNCs的形成方式，測定、比較了JAT-CuNCs（儲備液稀釋8倍）和JAT（10 μM）的紅外光譜.如圖4（b）所示，兩個JAT的特征峰，1 575 cm-1處的C=C和C=N伸縮振動峰［25］，以及1 725 cm-1處的JAT芳香環C-H彎曲振動倍頻和合頻吸收峰，均能在JAT-CuNCs紅外光譜中觀察到；但是，JAT-CuNCs的紅外光譜圖中并未出現JAT在3 080 cm-1處的-OH伸縮振動峰［26］，可能是由于JAT的-OH與Cu2+相互配位，使屬于-OH的特征吸收峰消失.以上結果表明，JAT作為模板首先與CuSO4形成了JAT-Cu2+配位復合物，然后AA將Cu2+原位還原成CuNCs，同時JAT作為穩定劑附著在形成的CuNCs表面，防止其進一步聚集為Cu納米粒子.

2.2 JAT-CuNCs合成條件優化

2.2.1 JAT用量

JAT作為模板，其用量將直接影響到合成的CuNCs熒光強度，因此需要加以優化.設定CuSO4濃度為20 μM，AA為2 mM，加入不同濃度JAT（5 μM、10 μM、20 μM、40 μM、60 μM、80 μM和160 μM）于25 ℃反應11 h.前期對照實驗結果表明，在JAT溶液中直接加入AA會產生背景熒光，且其強度隨著JAT濃度的增加而增強.因此，選擇以FCuNCs/FJAT-AA的比值為基準對JAT濃度進行優化，其中FCuNCs為合成CuNCs的熒光強度，FJAT-AA為對應濃度JAT溶液加入AA（2 mM）溶液中25 ℃反應11 h后測定的熒光強度.結果如圖5（a）所示，可以看到FCuNCs/FJAT-AA的比值隨著JAT濃度的增加而變化，當JAT濃度為80 μM時達到最大，繼續增加至160 μM時，由于JAT-AA的背景熒光逐漸增強，使得FCuNCs/FJAT-AA的比值逐漸減小.因此，選擇80 μM為合成CuNCs的最佳JAT濃度.

2.2.2 CuSO4濃度

在JAT（80 μM）和AA（2 mM）的混合溶液中加入不同濃度的CuSO4（1 μM，5 μM，10 μM，20 μM，40 μM，60 μM和80 μM），25 ℃反應11 h，結果如圖5（b）所示.隨著CuSO4濃度增加到20 μM，合成的JAT-CuNCs熒光強度不斷上升，繼續增加至80 μM時，熒光強度呈現下降趨勢，這可能是因為過高濃度的Cu2+與AA反應產生羥基自由基［27］，從而猝滅了JAT-CuNCs的熒光.因此，選擇20 μM作為最佳的CuSO4濃度.

2.2.3 pH

考慮到在不同pH值下，JAT-CuNCs的熒光強度以及JAT和AA反應后產生的背景熒光不同，因此仍然選擇FCuNCs/FJAT-AA的比值為標準對pH進行優化.FCuNCs為在不同pH（4.5，6，7和8.5）的緩沖液（10 mM）中合成CuNCs后測定的熒光強度；FJAT-AA為在相應pH下JAT（80 μM）和AA（2 mM）溶液混合后25 ℃反應11 h測定的熒光強度.由圖5（c）可以看出，在pH 7的緩沖液中FCuNCs/FJAT-AA的比值最大，因此選定合成CuNCs的最佳pH為7.

2.2.4 合成時間

合成時間對JAT-CuNCs熒光強度的影響如圖5（d）所示.當合成時間增加到11 h時，JAT-CuNCs的熒光強度逐漸增強，盡管繼續增加到72 h時熒光強度有輕度下降（約20%），推測原因可能是JAT-CuNCs逐漸被空氣中的氧氣氧化.最終，選定JAT-CuNCs的最佳合成時間為11 h.

2.3 JAT-CuNCs穩定性實驗

為了探究不同的干擾物質對JAT-CuNCs熒光穩定性的影響，在100 μM各種金屬離子（Ag+，Fe2+，Ba2+，Al3+，K+，Na+，Mg2+，Li+和Ca2+）或氨基酸（Glu，Asn，Ala，Gln，Thr，Arg和Trp）共存時進行穩定性實驗.如圖6所示，在加入上述金屬離子或氨基酸后，JAT-CuNCs的熒光強度幾乎沒有變化（Pgt;0.05），說明干擾物質對JAT-CuNCs的熒光基本無影響，從而證明合成的JAT-CuNCs具有良好的熒光穩定性.

2.4 JAT-CuNCs的聚集誘導發光（AIE）特性

通過調節固定體積（200 μL，含30 μL JAT-CuNCs儲備液）中THF含量（0 μL、10 μL、30 μL、50 μL、70 μL、90 μL、110 μL、130 μL、150 μL和170 μL），觀察JAT-CuNCs的熒光強度變化.如圖7所示，隨著加入THF體積不斷增大，JAT-CuNCs的熒光強度呈現進一步增強趨勢，當加入90 μL THF時，JAT-CuNCs的熒光強度可達初始熒光的3倍，并在410 nm和430 nm處出現了新的熒光峰，且熒光峰位置明顯藍移.這是由于JAT水溶性較好，使得JAT-CuNCs呈分散狀態，而加入弱極性THF后，溶解度降低導致聚集，進而表現出AIE特性［28，29］.

2.5 JAT-CuNCs催化還原反應

以N2H4還原MB為模型反應考察了JAT-CuNCs的催化活性，若MB被N2H4還原，將形成無色亞甲基藍.實驗結果如圖8（a）所示，未加JAT-CuNCs之前，MB/N2H4的初始紫外-可見吸收峰為665 nm，吸光度維持在1.1左右.加入JAT-CuNCs后，隨時間推移，MB/N2H4的吸收強度逐漸減小，4.5 min后基本消失，且溶液由深藍色變為無色.作為對照，JAT-CuNCs中其他組分（JAT、Cu2+和AA）的加入并未使得MB/N2H4的吸光度產生明顯變化（如圖8（b）所示）.以上實驗結果表明，JAT-CuNCs在該反應中顯示出很強的催化作用.

3 結論

本研究以天然小分子JAT為模板，AA為還原劑合成了一種新型水溶性熒光CuNCs，最大激發波長和發射波長分別為368 nm和472 nm，并且表現出顯著的AIE特性和優良的光穩定性.此外，JAT-CuNCs成功催化了N2H4還原MB的反應.總之，JAT-CuNCs合成方法簡便，發光性能良好，在成像、傳感和催化等領域具有較大的應用潛力.同時，本研究對天然產物的開發亦有一定借鑒價值.

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【責任編輯：陳 佳】