南科大：自组装铜纳米复合材料用于多元金属离子分析和多编码可视化逻辑门

来源：科匠学术

铜纳米材料作为一种非贵金属材料，同样具备良好的表面等离子共振（SPR）光吸收特性，广泛应用于SERS以及可视化比色传感器等POCT领域。但是，铜纳米材料的化学性质比较活跃，易被氧化以及酸刻蚀，极大限制了铜纳米材料的使用可靠性和应用范围。多元分析检测传感器能够同时监测多种目标分子（如蛋白、核酸、小分子、离子等），日益成为大家关注的热点领域之一。目前，绝大多数多元分析检测传感器基于电化学信号或者多通道荧光信号，难以实现便携化、小型化，且信号读出模式单一，难以排除潜在的干扰。利用铜纳米材料化学性质活跃的特点开发新型多元分析传感器，探索其不同的新型反应机理，将在很大程度上丰富改善铜纳米材料使用性能和应用范围。

南方科技大学生物医学工程系生物医学微纳器件团队自2008年起，设计了一系列基于Cu+催化Click反应的可视化分析传感体系，并进一步利用铜纳米材料易于被酸刻蚀的化学特性用于构建免疫分析传感器（Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 7454；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 3442；Anal. Chem. 2012, 84, 4267；Talanta 2013, 103, 110；ACS Nano 2014, 8, 12741；Small 2018, 14, 1703857）。然而如何利用化学性质活跃的铜纳米材料设计构建多元多信号读出模式的分析传感体系，目前仍没有可行的指导策略。

图1. 多元分析检测及多编码逻辑门示意图。

将NCC溶液、巯基丁二酸（MSA）溶液和CuCl2溶液通过简单快速的一步法混合反应即获得紫红色的NCC@MSA-Cu SPs。其中NCC起到模板辅助合成作用，MSA作为还原剂将Cu2+还原为超小的CuNPs，并作为稳定剂提供羧基配体，Cu2+一方面作为铜源，另一方面作为交联离子与羧基作用介导自组装形成NCC@MSA-Cu SPs。

图2. 材料制备及表征。

经优化反应及动力学检测（图3b），NCC@MSA-Cu SPs的形成是非常快速的（<2 min），且短时间内是稳定的（half-life >2h）。紫红色的NCC@MSA-Cu SPs可分别特异性地响应四种重金属离子Hg2+、Pb2+、Ag+、Zr4+，产生四种不同的可视化信号即溶液红色变无色、红色变紫色、红色变黄色、聚集沉淀（图3c&d），实现对不同金属离子的多元分析检测。

图3. 条件优化及多元响应。

利用TEM、DLS、EDS、XPS、SAED以及UV-vis光谱技术，本文中研究了NCC@MSA-Cu SPs对四种不同重金属离子响应的反应机理。Hg2+通过置换反应（galvanic replacement）产生离子刻蚀，NCC@MSA-Cu SPs被刻蚀后溶液由红色变为无色。Pb2+通过核壳沉积作用在NCC@MSA-Cu SPs表面形成无机盐壳层，对铜纳米颗粒的LSPR产生影响引起其光谱的红移，溶液由红色变为紫色。Ag+在置换反应和NCC模板辅助作用下生成AgNPs，溶液由红色变为黄色。Zr4+通过与NCC@MSA-Cu SPs表面大量的羟基/羧基之间的多价配位作用/电荷作用产生聚集沉淀。化学性质活跃的NCC@MSA-Cu SPs通过集成多种反应机理产生不同的信号模式，实现了对不同金属离子的特异性多元分析检测。

图4. 对不同金属离子响应的机理研究。

基于NCC@MSA-Cu SPs能够响应多种不同金属离子产生多种不同模式读出信号的特性，本文中设计构建了多种多编码的可视化逻辑门。目前绝大多数可视化逻辑门体系仅具有有限的输入单元和单一读出模式，极大地限制了其编码的丰富性和和功能性。本文中通过利用不同输入单元之间的组合和不同读出信号模式的选择，金属离子@NCC@MSA-Cu SPs体系实现了多种不同可视化逻辑门的功能，在同一读出信号模式下，不同的输入单元可实现同一种逻辑门操作，同时利用相同的输入单元，通过定义不同的读出信号模式即可实现不同逻辑门之间的功能转换（图5g）。

图5. 基于金属离子@NCC@MSA-Cu SPs体系的多编码逻辑门。

五、致谢：