发光功能化二氧化硅纳米材料的研究进展

邱淑银，柳傲雪

（昌吉学院化学与化工学院，新疆 昌吉 831100）

功能化发光纳米材料，是采取一定方法将大量化学发光试剂负载于纳米材料上，从而使材料具备发光性能，通常酶或发光底物也可以产生化学发光信号，负载于纳米材料上，可获得发光功能化纳米材料[1-4]。依据发光功能化纳米材料的制备方式不同，其可分为如下几类：①掺杂或者包裹模式，将发光试剂通过包裹的形式掺杂于纳米材料内部，如掺杂联吡啶钌的二氧化硅、包裹鲁米诺的二氧化硅等[5-8]；②侨联模式，利用一些具备特殊性能的侨联分子与产生发光信号的发光试剂进行反应，通过侨联分子做为纽带链接于纳米材料表面[9-12]；③价键修饰模式，将产生发光信号的分子以共价键、非共价键等方式负载于纳米材料表面[13-16]；④自身具有发光性能的纳米材料，如具有电致化学发光性能的量子点材料[17-20]。发光功能化二氧化硅纳米材料，指通过包裹或者掺杂的形式将能够产生化学发光信号的发光试剂包覆在二氧化硅纳米材料中。获得新型发光功能化的二氧化硅纳米粒子不但具备二氧化硅纳米材料本身独特的物理化学性质以及化学发光试剂的发光性能，而且纳米材料本身的独特性质可以提升发光试剂的发光性能。

1 发光功能化的二氧化硅纳米粒子的合成方法

溶液中二氧化硅纳米粒子的合成可以在各种条件下使用溶胶-凝胶工艺[21]获得。经典的合成方法是Stöber 法及反相微乳液法[22-24]，每种方法合成的纳米材料结构都有其各自的优点和局限性，选择合适方法以适合特定的应用。

1.1 Stöber法

Stöber 等在Kolbe 之前的研究基础上开展建立使用溶胶-凝胶法获得二氧化硅纳米颗粒[25]的方法。由于通过一锅法获得粒径尺寸范围从10 纳米到几百纳米，Stöber法非常盛行，其实质就是正硅酸乙酯（TEOS）作硅源，在乙醇、水、氨水碱性体系（pH为11～12）中TEOS水解形成二氧化硅纳米颗粒。一锅法非常简单，可以将二氧化硅与不同类型的染料分子进行组合，使染料掺杂进二氧化硅基质中，获得复合二氧化硅纳米材料，其发光特性取决于染料分子基团和二氧化硅基体的相互位置。研究小组采用了不同的方法，证明在纳米颗粒形成过程中染料的自我划分是如何发生的，并自发地导致核-壳结构[26]。但是Stöber 法也有其局限性，合成的纳米颗粒尺寸不均一，尺寸偏大，没有良好的单分散性。

1.2 反相微乳液法

反相微乳液法，即指由表面活性剂、油相、水相混合物诱导形成反胶束的分散体，其能够容纳有限量的水，形成宏观的各向同性的反相微乳液（油包水型），反相为乳液中水滴分布在非极性相连续区域，纳米尺寸大小的水核可以被用作纳米反应容器，TEOS 碱性水解和缩合成二氧化硅发生在水相和油相的分界面。已经提出了几种方法来获得在约15～200 nm 的尺寸范围内的纳米颗粒制备和表面修饰，其中尺寸很大程度上取决于表面活性剂类型和表面活性剂与水的摩尔比。这种合成方法通常适用于带正电的水溶性染料[28]，这一先决条件在掺入不溶于水的发光团或带负电的发光纳米颗粒的合成中构成了非常强的限制。另一方面，该方法在制备多层二氧化硅结构方面表现突出，同时也是用二氧化硅壳包裹其他材料（金属、量子点、铁氧化物等）的纳米粒子非常合适且通用的方法。

加入微乳液中，混合均匀，磁力搅拌30 min 至溶液透亮；在磁力搅拌下逐滴加入浓氨水150 μL，搅拌下逐滴加入适量的TEOS，TEOS 在碱性条件下水解，形成二氧化硅外壳，反应24 h后，加入丙酮破乳；在12 000 rpm下离心15 min 得到了包裹了染料的功能化复合二氧化硅纳米粒子。

2 二氧化硅基发光纳米粒子的分析应用

二氧化硅基发光纳米粒子具有良好的生物相容性、无毒性、信号放大、优越的发光性能及光稳定性等特点，使得其被应用在许多领域：

2.1 量子点功能化二氧化硅基发光纳米粒子的分析应用

范美端等[29]采取浸泡法，通过氨基中氮的单电子实现与量子点表面偶联，将PbS 量子点与NH2-MSN 相结合，量子点成功吸附到NH2-MSN 上，成功制备了负载量子点的介孔二氧化硅（QDs@MSNs），提高了量子点在锥区的密度。实验结果表明：将泵浦功率从50 mW 增加到300 mW 时，放大器在1 550 nm 处的开关增益从1.1 dB 增长到8.09 dB；当泵浦功率为280 mW 时，开关增益达到饱和。

邹雪艳等[30]成功制备了量子点功能化的二氧化硅纳米微球ZnS/SiO2-GSH，制备的ZnS/SiO2-GSH 微球可以从混合蛋白中直接分离纯化谷胱甘肽S-转移酶为标签的融合蛋白，电泳结果显示，该复合微球能够特异性地分离目标蛋白，分离效果良好，成功实现对蛋白质的亲和分离并具有良好的重复利用性。

Shan Y等[31]使用PDADMAC作为桥接，通过静电吸附原理，将带负电的染料负载于二氧化硅纳米微球上。

Goryacheva 等[32]采用热注射法，通过反向微乳液合成了二氧化硅包被CdSe/CdS 和CdSe/CdS/Zns 量子点，用作多色横向流动免疫分析法（LFIA）中的荧光纳米探针，该方法旨在同时检测多种真菌毒素。由此产生的测定方法能够在自然污染的玉米和小麦样品中快速筛选由镰刀菌产生的真菌毒素。

Zhao 等[33]开发了一种基于荧光纳米探针由蓝色碳点（cd）和硅涂层量子点（QDs@SiO2）组成。在该体系中，发射蓝色cd 的荧光在Fe3+的存在下被猝灭，并随着浓度的增加而恢复AA 升高，Fe3+还原为Fe2+，同时，以发射红色的QD@SiO2NPs的荧光作为稳定的内标，将CDQD@SiO2-Fe3+探针对AA的检测具有很高的选择性成功应用于食品质量和医疗保健的抗坏血酸（AA）监测的荧光检测。

Wang等[34]提出了一种检测血清素（5-HT）的荧光方法，该方法基于掺杂ZnS 量子点、二氧化硅纳米颗粒和分子印迹聚合物组成的层状结构探针QDs@SiO2@MIPs，通过氨基和羟基之间的氢键形成了QDs@SiO2@MIPs 和5-HT 的配合物。当5-HT 重结合发生时，能量从量子点转移到配合物诱导荧光猝灭。该复合物具有良好的选择性，在50 ~ 500 ng/mL 范围内印迹系数为5.96，相关系数为0.992 8，检出限为0.69 ng/mL。该探针制备工艺简单，灵敏度高，选择性好，检出限低，分析时间短。

2.2 联吡啶聊功能化二氧化硅基发光纳米粒子的分析应用

付文等[35]基于DNAzyme 聚乙烯吡咯烷酮/Ru（bpy）2+3/SiO2纳米粒子及铅（Ⅱ）的相互作用建立了一种检测铅离子的电化学发光新方法，铅离子的检测限达0.5 nmol/L。

郑行望等[36]基于Silica/chitosan/Ru 纳米粒子电化学发光法检测汞离子的方法，检出限达3 pM。

Ge 等[37]开发了用于HBsAg 的高灵敏ECL 免疫测定，线性范围在1.0~100 pg/ mL 之间（R2= 0.991 2），检测限为0.11 pg/mL。

Dang 等[38]基于富含G 四联体DNA 适体和壳聚糖/Ru（bpy）32+/SiO2纳米粒子改性的玻碳电极，开发了一种无标记的灵敏电化学适配体传感器用于检测K+，检测限为0.3 nM。

2.3 鲁米诺类功能化二氧化硅基发光纳米粒子的分析应用

2006 年，Zhang 等[39]通过自组装技术合成核壳型鲁米诺掺杂的SiO2纳米粒子，并将其固定在壳糖涂层石墨电极表面。然后，基于其对ECL增强效应的核壳型鲁米诺掺杂的二氧化硅纳米粒子，开发了用于连苯三酚的新型电致化学发光（ECL）传感器，进而构建邻苯三酚的新型电致化学发光传感器。

2007年，张犁黎等[40]通过微乳法成功制备了鲁米诺二氧化硅纳米粒子，成功开发了一种基于鲁米诺二氧化硅纳米粒子的新型ECL方法，选择异烟肼作为模型分析物来说明这种新型ECL方法的特点。在选定的条件下，拟议的ECL 对异烟肼浓度的响应在1.0×10-10至1.0×10-6g/mL范围内呈线性，检出限为1.0×10-6g/mL。

2018年，Li等[41]利用鲁米诺和氯化血红素功能化纳米粒子标记免电化学发光法测定DNA，采用反相微乳法成功制备了Luminol/Hemin/SiO2，通过壳聚糖改性后修饰于ITO电极表面，利用静电作用将DNA探针修饰于复合纳米材料上，构建基于Luminol/Hemin/SiO2纳米粒子的DNA 电化学发光传感器。结果表明，其目标DNA浓度的对数与相对应的电化学发光强度在1.0×10-6～1.0×10-10mol/L 范围内呈线性关系，目标DNA 的检出限为0.05 nM。

3 结论

化学发光试剂功能化纳米粒子兼具纳米材料本身优点，同时可赋予纳米材料化学发光特性，其发展是目前功能化纳米材料发展的一种新趋势。纳米二氧化硅作为一种生物相容型纳米材料，将其作为载体，将发光试剂负载于二氧化硅纳米材料中获得发光功能化二氧化硅纳米材料，可以提供高发光信号，因其自身具有优异的光稳定性、易于表面改性和尺寸稳定性等优点而备受关注。基于电化学发光分析法易于操作、灵敏度高、检测范围宽以及控制性强、选择性好、可进行原位发光分析等优点，使其在诸多领域应用广泛。基于发光功能化二氧化硅纳米材料结合电化学发光特性而建立的电化学发光分析方法广泛应用于环境分析、生物分析及临床诊断等领域。化学发光试剂被掺入二氧化硅纳米粒子中以形成发光试剂掺杂的二氧化硅纳米粒子，以提高二氧化硅纳米粒子中发光试剂的CL 和ECL 强度，拓宽发光试剂掺杂SiO2纳米粒子的应用范围。