综述：迈向明亮的多元金属生物聚合物保护的发光纳米团簇

《Molecules》：Toward Bright Polymetallic Biopolymer-Protected Luminescent Nanoclusters

　　

多元金属纳米团簇（NCs）为制备更明亮且更可调的发光材料提供了强大途径，而生物聚合物配体为传感和生物成像提供了额外优势。然而，发光增强的机制仍未得到充分理解，尤其是对于DNA和蛋白质保护的纳米团簇。在此，研究人员批判性地综述了发光多元金属纳米团簇中金属组成、团簇结构、配体环境和激发态动力学之间的关系。研究人员并未将合金化视为单一的“协同”效应，而是区分了增强发射的三种常见贡献：通过结构或配体壳层刚性化抑制非辐射弛豫、修饰电子结构和辐射跃迁、以及增强磷光体系中的系间窜越（ISC）。本综述特别关注量子产率（QY）变化可与激发态寿命及其他光谱数据共同解释的案例，从而将得到实验支持的机制与合理但未经证实的解释区分开来。研究人员进一步评估了生物聚合物保护的多元金属纳米团簇在传感及相关应用中的性能，并指出了关键局限性，包括原子结构和系统性激发态测量的匮乏。该分析为连接金属组成和分子结构与发光性质提供了框架，并强调了合理开发更明亮、更稳定且具有生物相容性的纳米团簇的策略。

**1. 引言**

金属纳米团簇（NCs）由数个至数十个金属原子组成，介于分子配合物与较大尺寸纳米颗粒之间，其超小尺寸和量子限域电子结构赋予其离散能级和类分子光学性质。发光亮度取决于光吸收效率与光致发光量子产率（QY），而光稳定性对生物成像和传感应用同样至关重要。引入两种或多种金属组分是提高NCs亮度的有效策略。双金属及多元金属NCs可通过直接共还原、电偶置换与反电偶置换、金属交换、配体交换等途径合成。典型增强案例包括：向棒状Au₂₅团簇中引入Ag使QY提高约200倍至40%；Ag₂₉掺杂Au后发射增强26倍；Pt₂Au₁₀Ag₁₃的QY约15%；Au₁₆Cu₆的磷光QY接近100%并伴随系间窜越（ISC）速率约300倍的增强。配体环境同样决定NCs的结构与光物理性质。DNA、蛋白质、多肽和氨基酸等生物分子配体兼具生物相容性、低毒性和特异性分子识别能力，其多样化的结合位点和构象特性可影响金属团簇的成核、结构与电子态。谷胱甘肽（GSH）保护的NCs在传统硫醇配体保护团簇与生物分子稳定体系之间起到桥梁作用，为建立金属组成、团簇结构、配体相互作用与发光性质之间的关系提供了有价值的模型平台。

**2. 硫醇盐稳定的纳米团簇**

GSH保护的NCs具有水溶性、无毒且发射覆盖可见至近红外（NIR）范围，但单金属NCs的QY普遍较低。掺杂其他贵金属原子可提高发光强度并移动发射波长。Xie等向Au₁₅、Au₁₈、Au₂₅ GSH-NCs中掺入Ag离子，Ag并不取代金属内核中的Au原子，而是与表面的S–Au–S订书钉结构中的硫配位，形成Au@Ag结构，QY增强因子分别为84、18和27，该效应被归因于聚集诱导发光（AIE）。[Au₂₅(PPh₃)₁₀(SC₂H₄Ph)₅Cl₂]²⁺棒状团簇中13个Au原子被Ag取代后形成Ag₁₃Au₁₂，QY高达40%，而单金属Au₂₅的QY仅约0.1%。飞秒瞬态吸收光谱显示，Ag₁₃Au₁₂中辐射速率常数k_r为54 ms^?1、非辐射速率k_nr为81 ms^?1，而Au₂₅的k_r为0.42 ms^?1、k_nr为0.42 μs^?1。TD-DFT计算表明中心Ag原子稳定LUMO、增大HOMO–LUMO能隙并使骨架刚性化。Ag₂₉(BDT)₁₂(TPP)₄掺杂Au后QY增强约26倍，但平均寿命仅增加约两倍，表明辐射速率增大是主要贡献。M₂₉模板的21种单金属至四金属NCs数据库显示，中心掺Pt降低发光强度，中心或顶点掺Au可显著增强发光，其中Au₁@Ag₁₂@Ag₁₂(S-Adm)₁₈@(Au-PPh₃)₄的QY约12%。Pt₁Ag₂₈团簇的QY达4.9%，其ES动力学表明非辐射通道被抑制。Cu₆Au₁₆(tBuPhC≡C)₁₈中Cu掺杂使非辐射衰减降低约60倍，ISC速率提高约300倍，室温脱气溶液中QY超过99%。Au@Cu₁₂团簇的QY达23–55%。综上，发光增强可归结为三个主要因素：团簇骨架和/或配体壳层刚性化从而抑制非辐射弛豫、电子结构与辐射跃迁的修饰、以及磷光体系中ISC的增强。这些因素常相互耦合，且合金化可能同时改变核数、原子排列、表面基序、配位状态与聚集行为，需谨慎区分直接金属组成效应与间接结构重组织效应。

**3. 生物分子稳定的双金属纳米团簇及其应用**

生物分子模板NCs具有良好生物相容性和特异性生物分子相互作用能力。牛血清白蛋白（BSA）是最常用的蛋白质配体，其次为溶菌酶。BSA-AuAg合金NCs的发光增强因子通常为0.4–2.7，QY为3–17%，个别体系QY达42%，且寿命缩短而QY升高，表明辐射速率增大。DNA模板NCs的发射性质对DNA长度和序列高度敏感，如5′-CCCTTAATCCCC-3′序列可生成强荧光DNA-AuAgNCs。DNA-AgCu NCs的QY达51.2%，但平均寿命较单金属AgNCs缩短，同样提示k_r增大。调节金属前驱体比例可调控发射波长（如680–815 nm），实现近红外发射。BNCs在极端pH、高离子强度、长时间光照及氧化剂存在下表现出优异的化学稳定性和光稳定性。Al³⁺可通过静电交联诱导AMP稳定的AuAgNCs聚集，产生AIE效应并增强发射。在传感应用中，BNCs对Hg²⁺、Cu²⁺、半胱氨酸、甘氨酸、葡萄糖、叶酸、腺苷、microRNA等的检测灵敏度和选择性优于单金属体系，Hg²⁺检测限（LOD）可低至1.64 nM。BNCs还被用于无机焦磷酸酶活性检测、比例型pH/温度传感、化学发光与电化学发光、诊疗一体化成像与基因递送，以及催化（如4-硝基苯酚还原，速率常数提高2.4倍）等领域。机器学习与深度神经网络方法已被用于分析BNCs的传感数据。

**4. 挑战与未来方向**

当前主要挑战包括：多数生物聚合物保护NCs的原子结构尚未解析，难以区分金属组成的直接效应与核数、原子排列、配体配位或聚集引起的间接效应；结合稳态与时间分辨光谱及理论计算的系统性激发态研究仍较匮乏；合金化对光稳定性的影响研究不足；QY、发射强度、消光系数与分子亮度等参数的报告标准不统一。未来应建立结构–组成–光物理性质的预测性关系，并采用应用相关条件下的标准化表征。

**5. 结论**

本综述强调激发态动力学是理解发光增强起源的关键。QY与激发态寿命的比较提供初步判断：QY升高伴随寿命延长表明非辐射弛豫被抑制；QY显著升高但寿命缩短则提示辐射动力学或发射态电子性质发生变化。发光增强可区分三种主要贡献——刚性化导致的非辐射弛豫抑制、电子结构与辐射跃迁的修饰、以及ISC增强——但这些贡献常相互耦合。最可信的机制归属需将结构表征、稳态光谱、时间分辨测量和理论计算相结合，并采用匹配良好的单金属与多元金属参照体系。硫醇盐保护团簇与生物聚合物保护NCs在结构表征和机制解释深度上存在显著差异。未来应通过多学科交叉手段实现从经验筛选向预测性结构–组成–光物理关系设计的转变。