硫量子点的合成及其分析应用研究进展

刘佳欣， 彭大鹏， 梁建功， 陶燕飞*

(1.华中农业大学动物科学技术学院,动物医学院，湖北武汉 430070;2.华中农业大学理学院，湖北武汉 430070)

量子点是一类尺寸小于或接近于激子玻尔半径的半导体纳米晶体[1 - 5]，其大小和形状可以通过改变合成时间、温度和配体分子精确控制[2,6]。与传统有机染料相比，量子点具有大的吸收截面、耐光漂白、长荧光寿命、宽的激发光谱、窄而对称的发射光谱、高的荧光量子产率等特点[7,8]，在生化分析及体外细胞成像、动物活体成像、抗病毒感染等领域已经成为研究的热点[3,4,9,10]。然而，有些量子点如：CdSe、CdS、HgS、CdTe等因含有重金属元素限制了其进一步应用[11,12]。因此，研究者开发了许多无金属元素量子点，典型代表有硫量子点(SQDs)[13]、碳量子点(CQDs)[14]、硅量子点(SiQDs)[15]、磷量子点(PQDs)[16]等。这些量子点的广泛应用，进一步拓展了量子点的应用范围。

SQDs，简称硫点，它是一类尺寸小于10 nm的离散的准球形纳米粒子[13,17]。2014年，Li等人在CdSQDs的相界面反应中，通过用HNO3在水和己烷的界面上刻蚀量子点中的Cd[13]，首次制备出发光SQDs。由于SQDs为不含重金属元素量子点，具有低细胞毒性、良好的生物相容性、优异的水分散性、光稳定性、可调尺寸与发光等优点[18]，近年来逐渐引起了人们的关注与研究兴趣。本文在总结SQDs合成方法及光学性质的基础上，系统介绍了其在离子及小分子分析、细胞成像等方面的应用研究进展。

1 SQDs的制备方法

到目前为止，研究者发展了多种合成SQDs的方法，这些方法可以概括为两大类：自下而上法和自上而下法，具体如表1所示[13,18-30]。

表1 硫点的合成方法总结

(续表1)

1.1 自下而上法

2014年，Li等人通过相界面反应法第一次发现并制备了发光SQDs[13]。他们首先参照文献方法合成了CdS QDs，然后将合成的CdS QDs用正己烷稀释并超声处理使其分散混合均匀，随后加入HNO3使混合溶液在室温下缓慢搅拌36 h，然后进行相分离，接着将以白色悬浮液形式分散在有机相中的SQDs用水洗涤3次，以除去无机离子。最后将溶液置于真空烘箱中，并在室温下干燥48 h即得到了固态的SQDs。然而该方法反应过程复杂，合成的SQDs荧光量子产率低(0.549%)，限制了其广泛的应用。2020年，Arshad等人[26]利用Na2S2O3和H2C2O4为起始材料，通过Na2S2O3还原反应生成S，然后在聚乙二醇(PEG)和NaOH存在的情况下，成功制备出PEG修饰的SQDs。该方法得到的SQDs，具有较好的分散性和稳定性，荧光量子产率为2.5%。

1.2 自上而下法

自上而下法是目前合成SQDs广泛使用的方法。2018年，Shen等人[20]发展了一种SQDs合成新方法，并提出了一种“组装-裂变”的新观点，成功解释了SQDs的形成机理。该课题组利用PEG -400作为钝化剂，用NaOH水溶液提供碱性环境，将S粉溶解于NaOH溶液中，通过改变反应时间，成功获得了不同尺寸的SQDs。随后，Wang等人对该方法进行了改进[21]，他们使用H2O2对多硫化物颗粒进行表面蚀刻，通过改变加热时间及调节H2O2的浓度，可以得到不同尺寸的SQDs，从而可以发出不同颜色的荧光。通过优化反应条件，进一步提高了SQDs的荧光量子产率，荧光量子产率可达23%。

上述两种方法在合成SQDs过程中，所需的时间通常比较长。为了解决这一问题，很多课题组对SQDs的合成方法进行改进。2019年，Zhang等人[22]提出了一种在PEG钝化作用下，采用超声促进化学法对块状S进行化学刻蚀的方法，这种方法使SQDs的合成时间从5 d减少到几个小时，且获得的SQDs显示出高的单分散性，荧光量子产率达到2.1%。Xiao等人[23]以S粉、PEG、NaOH等为原料，采用一步水热法成功合成了PEG修饰的SQDs，该反应仅需4 h即可完成。

为了提高SQDs的荧光量子产率，Song等人[24]提出了一种在纯O2氛围中合成SQDs的方法。研究发现，在纯O2氛围中，所合成SQDs的荧光量子产率可达21.5%。2020年，Li等人[18]用Cu2+辅助刻蚀沉降SQDs，合成的SQDs的荧光量子产率可达32.8%。2020年，Hu等人[19]提出了一种利用微波辅助合成SQDs的方法，荧光量子产率高达49.25%。2021年，Sheng等人[28]提出了一种超声波微波辐射和H2O2刻蚀SQDs的方法，在2 h内即获得了具有强烈发射蓝色荧光的SQDs，荧光量子产率高达58.6%。

大多数方法合成的SQDs所发射的荧光介于绿色和蓝色光之间，这对于许多应用(例如生物成像和发光二极管(LED))是一个障碍。为了扩展其发射颜色范围，2020年Wang等人[25]提出了一种两步氧化合成SQDs的方法，该方法合成的SQDs可以发射出红色的荧光，可拓宽SQDs在实际中的应用。另外，SQDs还可作为原料合成其他硫纳米材料。Bai等人[29]利用S粉，HNO3，PEG -400等作为反应物，成功合成出了SQDs。在此基础上，以SQDs作为反应物，进一步合成了S纳米片及S纳米棒。

2 SQDs的光学性质

块状的S具有固有的半导体属性，其导带到价带之间的带宽为2.79 eV，这导致块状S在500 nm波长左右具有一个较宽的荧光发射峰[32]。当S的尺寸变成纳米级后，由于量子限阈效应及表面态的影响，导致SQDs的荧光最大发射波长发生改变[17]。Shen等人[15]研究发现，随着SQDs尺寸的减小，其荧光最大发射波长发生了明显的蓝移，他们认为这主要是由于量子限阈效应所导致的。Li等人[18]研究发现，通过Cu2+刻蚀的方法，可大大提高SQDs的荧光量子产率。Wang等人[21]则提出采用H2O2辅助刻蚀多硫化物的方法，提高SQDs荧光量子产率。他们认为，采用Cu2+或H2O2处理后，可改变SQDs的表面态，从而提高了其荧光量子产率。

光稳定性也是SQDs的一个重要的光学性质，我们课题组研究发现[33]，溶液的pH值及溶解氧对SQDs的光稳定性具有明显的影响。SQDs在pH为3.0的溶液中的光稳定性比pH为7.4及11.0的溶液中的光稳定性更好，溶液中的溶解氧对SQDs的光稳定性也起着至关重要的作用。

除荧光外，SQDs还具有较好的电化学发光(ECL)特性。Liu等人[34]比较了H2O2辅助刻蚀前后SQDs的ECL光谱，结果表明经过H2O2刻蚀后，SQDs的ECL最大发射波长从685 nm红移到730 nm。Dong等人[35]研究发现，将SQDs与钌联吡啶混合后，钌联吡啶的发光信号可得到显著增强。

3 SQDs的分析应用研究进展

基于分析物对SQDs荧光性质的影响，研究者建立了离子、生物分子、有机小分子、药物分子等物质的检测方法，具体介绍如下。

3.1 SQDs在离子检测中的应用

基于离子对SQDs荧光的增强、猝灭、荧光共振能量转移等作用，研究者先后建立了Ag+、Fe3+、Co2+、Pb2+等离子的检测方法，具体如表2所示[13,26,29,30,36-42]。

表2 SQDs用于离子检测方法的总结

(续表2)

被Ag+污染的水体，人饮用后可引起多种疾病[36]。基于Ag+对相界面反应法制备的SQDs的诱导聚集效应，通过减少非辐射衰减而增强SQDs发射荧光强度的原理，可制备SQDs来检测Ag+。2015年，Chen等人[36]通过实验，发现相界面反应法制备的SQDs对Ag+有较高的选择性和灵敏性，检测范围为0～280 μmol/L，检出限为0.81 μmol/L，优于大多数已经报道过的方法。2019年，Fu等人[37]以升华S粉、NaOH、PEG -400等为原料，合成了SQDs，采用三电极系统，将2 mg/mL的SQDs分散液滴在Au电极表面进行修饰，当SQDs的量为2.2 μL时，检测效果最好，线性范围为0.1 nmol/L～3 μmol/L，检出限为71 pmol/L。该方法克服了传统的基于DNA生物传感器制备过程复杂、成本较高等缺点。

基于Fe3+对SQDs的电子或能量转移效应，Li等人[13]发现相界面反应法合成SQDs的荧光可以被Fe3+选择性猝灭，并且当Fe3+浓度在0到0.003%的范围内，具有良好的线性关系，相关系数为0.9870，此外还进行了抗干扰测试，发现在测试的其他金属离子中，只有Fe3+会导致显著的荧光猝灭，说明此方法具有高度选择性。

2019年，Wang等人[38]研究发现，Co2+可使PEG修饰的SQDs产生团聚，从而导致其荧光猝灭，基于这一原理建立了Co2+的快速检测新方法，该方法线性范围为0～9.0×10-5mol/L，检出限为20 nmol/L。2020年，Li等人[39]发现，基于光电子转移效应，半胱氨酸修饰的SQDs的荧光可被Co2+猝灭，并将SQDs做成了纸传感器，建立了荧光法和比色法双通道检测Co2+，线性检测范围为0～200 μmol/L，检出限为0.16 μmol/L，具有较高的灵敏度，且因为将SQDs做成了纸传感器，便携且检测快捷。

2019年，Qiao等人[40]基于Hg2+对SQDs的荧光猝灭作用，利用SQDs作为检测模型，建立了检测Hg2+的两种方法，即荧光滴定法和比色滴定法。荧光滴定法的线性检测范围为0～100 nmol/L，检出限为65 nmol/L；比色滴定法的线性检测范围为1～10 μmol/L，检出限为1.86 μmol/L。

基于超声-微波辅助刻蚀合成的SQDs与Ce(Ⅳ)之间会发生氧化还原反应，导致其荧光猝灭。基于此原理，2021年Sheng等人[29]利用超声-微波辅助刻蚀合成的SQDs，成功检测了Ce(Ⅳ)，线性检测范围为0.25～7.0 μmol/L，检出限为0.08 μmol/L，此外还进行了选择性实验，发现该方法可以高灵敏度、高选择性的检测Ce(Ⅳ)。

3.2 SQDs在生物分子检测中的应用

2019年，Liang等人[43]基于胰岛素对PEG修饰SQDs荧光的增强作用，建立了胰岛素的快速检测新方法。该方法线性检测范围为43～346 μmol/L，检出限为11.71 μmol/L，进一步研究表明，胰岛素可能通过光诱导电子转移机理导致硫点的荧光增强。

丁酰胆碱酯酶(BChE)的活性是许多疾病的重要指标，因此对它的活性的检测具有重要意义[44]。2020年，Li等人[45]开发出了一种基于超声辅助法合成的二氧化锰纳米片(MnO2NSs)，该纳米片对H2O2辅助刻蚀合成的SQDs的荧光内滤效应而使SQDs荧光得到有效猝灭，BChE催化乙酰胆碱或丁酰胆碱后，得到的水解产物胆碱可以把该纳米片还原成Mn2+，从而解除了MnO2NSs对SQDs的荧光内滤效应，使其荧光得到恢复。该方法在稀释人血清样品中表现出较强检测能力和较高的灵敏度，BChE活性和荧光强度比(FR/FR0)之间表现出两段线性关系，即0.05～10 U/L和10～500 U/L，检测限为0.0035 U/L。该方法在BChE活性检测中具有较大的应用前景。

3.3 SQDs在有机小分子及药物分子检测中的应用

Co2+可使SQDs团聚，从而可使SQDs的荧光得到猝灭，而Co2+又可与诺氟沙星分子侧链上的羰基氧和羟基氧配位形成络合物，当加入不同量的诺氟沙星时，SQDs的荧光可得到不同程度的恢复，利用这一原理成功用于诺氟沙星的检测[38]，线性检测范围为0～2×10-4mol/L，检出限为3.3×10-6mol/L。

Zn2+对SQDs的荧光具有增强作用，氯喹醇跟Zn2+具有很强的亲和力，并且氯喹醇对SQDs的荧光具有猝灭作用。2019年，Zhao等人[46]将Zn2+与SQDs混合在一起之后，再加入氯喹醇，发现可以增强氯喹醇对SQDs荧光的猝灭作用，从而拓宽SQDs对氯喹醇的检测范围，检测范围为0.024～0.24 μmol/L和0.62～30 μmol/L，检出限为0.015 μmol/L，此法灵敏度较高，在检测氯喹醇的方法中具有一定优势。

Duan等人[30]研究发现，Cr(Ⅵ)对CMC-SQDs具有荧光内滤效应，当体系中存在抗环血酸时，由于抗坏血酸与Cr(Ⅵ)之间的氧化还原反应，导致SQDs荧光信号的恢复，基于这一原理，建立了抗坏血酸检测新方法。该方法线性检测范围为1～300 μmol/L，检出限为0.18 μmol/L。Tan等人[42]通过研究同样发现，Cr(Ⅵ)对H2O2辅助合成的PEG修饰的SQDs也具有荧光内滤效应，当体系中存在抗环血酸时，基于同样的原理可使SQDs荧光信号得到恢复，建立了抗坏血酸检测方法，线性检测范围为20～500 μmol/L，检出限为1.21 μmol/L。Sheng等人[29]发现，由于抗坏血酸的强还原能力，可使因发生氧化还原反应而被Ce(Ⅳ)猝灭的SQDs荧光部分恢复，用该体系检测抗坏血酸，线性检测范围为0.5～10.0 μmol/L，检出限为0.289 μmol/L，该方法可用于环境样品或生物样品中抗坏血酸的检测。

3.4 SQDs在细胞成像中的应用

SQDs在细胞成像领域也引起了研究者的关注。Qiao等人[40]利用SQDs作为荧光探针对HeLa细胞进行染色，与0.5 mg/mL的SQDs共孵育8 h后，将细胞用磷酸盐缓冲液进行洗涤，以将标记的细胞与游离的SQDs分离。通过使用共聚焦激光扫描显微镜在405 nm激发波长下观察到HeLa细胞能够发出明显的蓝光，说明SQDs可以用于细胞成像。Zhang等人[22]利用超声法合成的SQDs处理EAS -2B细胞。将含不同浓度SQDs的新鲜培养基与EAS -2B细胞共孵育1 h后，将细胞用磷酸盐缓冲液洗涤，以除去游离的SQDs。通过共聚焦激光扫描显微镜在488 nm激发波长下观察到EAS-2B细胞发出强烈绿光，且发现SQDs主要分布在细胞质中，表明SQDs可以用作体外活细胞成像探针。Duan等人[30]用20 μg/mL的CMC-SQDs溶液与HeLa细胞共孵育2 h后，将细胞用磷酸盐洗涤，以除去游离的CMC-SQDs。通过使用共聚焦显微镜在364、458和514 nm激发波长下，分别观察到细胞发出明显的蓝色、绿色和黄色荧光。而未与CMC-SQDs孵育的细胞未观察到荧光，表明SQDs有望作为成像剂。由于目前SQDs的表面修饰还不成熟，如何将特定功能的小分子、蛋白质、多肽高效偶联到SQDs表面仍然是该领域未来需要解决的一个关键问题。

4 总结与展望

SQDs因其固有的抗菌性、良好的光稳定性、低毒性、生物相容性等优点，在生物成像、分析检测、传感、催化等多个领域表现出巨大的应用潜力，并吸引了越来越多的关注。然而，与CQDs、CdSe/ZnS QDs相比，目前SQDs的合成方法还比较少且比较费时，量子产率还有待进一步提高，且大多数SQDs的发射颜色局限于蓝绿色[47]，这些问题限制了SQDs进一步广泛应用。因此，发展新的SQDs合成及表面修饰技术，进一步缩短合成步骤、提高其荧光量子点产率是未来SQDs研究中需要解决的一个关键问题。在SQDs的生物成像分析方面，发展SQDs偶联新方法、开展靶向成像新技术也是未来研究的热点。另外，由于S元素固有的抗菌活性，功能化SQDs未来可望用于抗菌、抗病毒领域的研究。我们有理由相信，通过研究者的不断努力，SQDs在不远的将来将成为纯元素量子点家族中熠熠生辉的一员。