[论文解读] Highly fluorescent copper nanoclusters for sensing and bioimaging

Yu An, Ying Ren+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2019

Nanocluster Synthesis and Applications参考文献 124被引用 4

一句话总结

本综述探讨了高荧光铜纳米簇（CuNCs）作为贵金属纳米簇的低成本、无毒替代品在传感和生物成像中的应用。文章详细阐述了通过尺寸控制合成与聚集实现强荧光、可调荧光的机制，从而提升光稳定性与亮度，适用于活细胞成像和生物传感。

ABSTRACT

Metal nanoclusters (NCs), typically consisting of a few to tens of metal atoms, bridge the gap between organometallic compounds and crystalline metal nanoparticles. As their size approaches the Fermi wavelength of electrons, metal NCs exhibit discrete energy levels, which in turn results in the emergence of intriguing physical and chemical (or physicochemical) properties, especially strong fluorescence. In the past few decades, dramatic growth has been witnessed in the development of different types of noble metal NCs (mainly AuNCs and AgNCs). However, compared with noble metals, copper is a relatively earth-abundant and cost-effective metal. Theoretical and experimental studies have shown that copper NCs (CuNCs) possess unique catalytic and photoluminescent properties. In this context, CuNCs are emerging as a new class of nontoxic, economic, and effective phosphors and catalysts, drawing significant interest across the life and medical sciences. To highlight these achievements, this review begins by providing an overview of a multitude of factors that play central roles in the fluorescence of CuNCs. Additionally, a critical perspective of how the aggregation of CuNCs can efficiently improve the florescent stability, tunability, and intensity is also discussed. Following, we present representative applications of CuNCs in detection and bioimaging. Finally, we outline current challenges and our perspective on the development of CuNCs.

研究动机与目标

• 总结调控铜纳米簇（CuNCs）荧光的关键因素，包括尺寸、配体封端和电子结构。
• 探讨CuNCs聚集如何增强其光致发光稳定性、强度和可调性。
• 突出CuNCs在生物传感和活体/体外生物成像中的代表性应用。
• 识别当前在推进CuNCs于生物医学应用中所面临的挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 系统性回顾2000年至2019年关于CuNCs的实验与理论研究。
• 分析使用稳定配体（如DNA、聚合物、肽）的合成策略，以控制尺寸与荧光性能。
• 研究CuNCs中聚集诱导发光（AIE）效应，以提升量子产率与光稳定性。
• 评估用于表征CuNCs光学与电子性质的光谱技术（如UV-Vis、荧光、EPR）。
• 比较CuNCs与AuNCs、AgNCs在成本、毒性及荧光性能方面的差异。
• 利用计算模拟解释亚10 nm CuNCs中离散能级与荧光机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些结构与化学因素决定了铜纳米簇的强荧光性能？
• RQ2 CuNCs的聚集如何增强其光致发光性能，如量子产率与稳定性？
• RQ3 与贵金属纳米簇（如AuNCs、AgNCs）相比，CuNCs在生物成像与传感中的主要优势是什么？
• RQ4 目前CuNCs在生物医学研究中实际应用的局限性与瓶颈有哪些？
• RQ5 如何调控CuNCs的荧光以满足特定传感与成像应用的需求？

主要发现

• 铜纳米簇因在亚10 nm尺寸下产生量子限域效应而表现出强荧光与可调荧光。
• CuNCs的聚集显著增强荧光强度与光稳定性，使其适用于生物环境中的实际应用。
• CuNCs展现出与贵金属纳米簇相当的高量子产率，部分体系的量子产率超过50%。
• 配体工程——特别是使用DNA、聚合物或肽——可精确调控CuNCs的尺寸、稳定性与发射波长。
• CuNCs表现出低细胞毒性和良好的生物相容性，适用于活细胞与活体生物成像。
• 尽管已取得进展，但可重复性合成、长期稳定性以及精确发射波长调控方面仍存在挑战，限制了多路检测的应用。