熒光聚多巴胺納米材料的構筑及對金屬離子檢測的應用進展

陳暢暢，鄧崇海，劉仁勇，2，陳麗娟，2*

（1.合肥大學 能源材料與化工學院，安徽 合肥 230601；2.皖西學院 材料與化工學院，安徽 六安 237012）

2007年，Messersmith等［1］在國際著名期刊《Science》上報道了一種聚多巴胺（Polydopamine，PDA）功能涂層的構筑方法：將多巴胺（Dopamine，DA）在弱堿性、有氧環境下進行自聚合即可在材料表面形成一層具有粘附性的PDA 涂層。該涂層表面還可基于邁克爾加成/席夫堿反應進行二次修飾，與此同時，溶液中會形成大量的PDA 納米顆粒［2-3］?；谶@一開創性工作，在過去10 多年里，PDA 作為三維納米顆粒、二維表面涂層/界面材料、一維聚合物和零維量子點材料得到了深入研究［4-7］。其中具有光致發光性能的熒光聚多巴胺（FPDA）納米材料因制備方法簡單，具有優異的光學性能、水分散性以及生物相容性，在化學傳感、生物檢測以及生物成像等領域得到了廣泛應用［8-9］。

1 聚多巴胺的結構及光致發光性能

PDA 被認為是一種結構較為復雜的超分子化合物，除強堿性（pH>13.0）溶液外，在其它溶劑中幾乎很難溶解，較難對其結構進行精確表征，故PDA 的具體化學結構至今不甚明確。同樣地，關于PDA的形成機理也是眾說紛紜，普遍觀點認為DA 在堿性、有氧環境下，首先被氧化為多巴胺-醌（Dopamine-quinone），而后經歷環化（Leukodopaminechrome）、氧化（Dopamine-chrome）、分子重排形成5，6-二羥基吲哚（5，6-Dihydroxyindole，DHI）。DHI 被認為是形成PDA 的重要前驅體［10］。PDA 的形成機理及結構剖析可歸納為以下觀點（圖1）：

（1）超分子自組裝理論，即認為PDA是由各種前驅體（多巴胺、多巴胺-醌、DHI以及真黑素類似物等）及其寡聚物組成的超分子聚集體，其間通過諸如氫鍵、π-π 堆積作用、陽離子-π 相互作用以及電荷轉移等超分子相互作用進行進一步組裝［12］。

（2）氧化-自由基聚合理論，該理論認為PDA為傳統意義上的高分子量聚合物［13-14］。DA易被氧化生成5，6-吲哚醌（Dopamine-chrome），DHI 和5，6-吲哚醌容易在2，4，7 位置發生支化反應，生成豐富的二/三聚體，最終形成大分子量的寡聚物，寡聚物再通過鄰苯二酚與醌之間的反歧化反應形成多重交聯的聚合物。

也有觀點認為PDA 的結構與天然黑色素相似，是一種非共價自組裝和共價聚合共存的化學無序結構。天然黑色素具有極低（＜0.1%）的輻射弛豫量子產率，吸收的大部分能量會以非輻射形式消散，光致發光性能較弱［15］。同樣地，常規方法制備得到的PDA 在紫外光照射下幾乎不發光，或者顯示出微弱的熒光，這主要歸因于PDA 微結構的復雜性，PDA分子鏈的強烈糾纏以及平面芳香環間的π-π堆積作用均不利于熒光的發射，分子間的聚集則會導致熒光猝滅［16］。因此，當前構筑FPDA 的關鍵在于抑制DA的聚合或減弱PDA分子間的π-π堆積作用。本文以報道的FPDA合成及對金屬離子的檢測應用為主線，綜述了近些年FPDA的研究進展。

2 熒光聚多巴胺納米粒子的構筑

如表1 所示，截至目前，有關FPDA 的文獻報道40 余篇，其構筑方法主要包括：化學氧化法、共摻雜法、化學降解、碳化等，主要通過抑制PDA 的聚合度以及減弱分子間的π-π 堆積賦予FPDA 光致發光性能。

2.1 化學氧化法

化學氧化法是目前構筑FPDA 的主要方法之一，化學氧化可以促進PDA 的結構重排，減弱 π-π 堆積以增強熒光。2012 年，Zhang 課題組［17］首次利用H2O2氧化DA 構筑FPDA（圖2A），首先將DA 在三羥甲基氨基甲烷堿性溶液中（pH 10.5）于有氧環境下預聚合，然后向反應液中加入一定量的H2O2（~2 mol/L）繼續反應即可獲得FPDA。該材料在365 nm 紫外燈照射下發出藍色熒光，最大激發（Ex）和最大發射（Em）波長分別為440 nm 和493 nm，已成功用于細胞成像。在該體系中，DA 苯環上的鄰苯二酚基團能快速氧化為苯醌并進一步自組裝聚合成FPDA，研究還發現過量的H2O2會促使FPDA納米粒子大規模聚集從而導致熒光猝滅。因此，有必要精確控制H2O2的使用量。2018 年，Pang 等［39］利用無花果蛋白酶（Ficin）作為類過氧化物酶與 H2O2共同作用氧化DA 制備得到FPDA（Ex=400 nm，Em=476 nm），并成功用于DA的選擇性響應檢測，最低檢出限為5.5 nmol/L。

圖2 氧化法示例Fig.2 Examples for oxidation method

H2O2是最常用的強氧化劑之一，但高危害性限制了其應用。近些年來，研究人員致力于尋找可替代性的無毒或毒性小的氧化劑，如：MnO2和CoOOH 納米片。如圖2B所示，2016年，Kong等［26］在酸性環境下（pH~5.0），利用MnO2將DA氧化為多巴胺醌的衍生物而后聚合成FPDA，該FPDA于Ex=400 nm/Em=485 nm 處的熒光強度最強。在該體系中，MnO2的氧化能力扮演著重要的角色，是DA 氧化聚合的誘導因素。然而，當有谷胱甘肽（GSH）存在時，GSH 會優先與MnO2發生氧化反應，將MnO2還原成Mn2+，此時DA 被MnO2氧化聚合為FPDA 的程度受到抑制，從而導致FPDA 的熒光強度減弱。利用該特點可以構筑GSH 傳感器，該傳感器檢測GSH 的線性范圍為0~350 μmol/L，最低檢出限為1.5 μmol/L。與之相似，2019 年，杜方凱等［49］以DA 為原料，MnO2為氧化劑制備的水溶性FPDA 在Ex=415 nm/Em=458 nm 處獲得了最強的熒光信號，將所構筑的增強型熒光探針用于乙酰膽堿酶的選擇性檢測，最低檢出限為0.14 mU/mL。2017 年，Zhao 等［31］將CoOOH 納米片與DA 混合，利用CoOOH 納米片的氧化性使DA 發生氧化形成多巴胺醌的衍生物進而自聚合形成FPDA（圖2C），該熒光納米材料的粒徑為10~50 nm，在Ex=400 nm/Em=500 nm下的熒光最強。該文基于CoOOH納米片與抗壞血酸（AA）之間的氧化-還原反應構筑了AA 傳感器：無AA 時，DA 被CoOOH 納米片氧化成多巴胺醌衍生物，繼而自聚合形成FPDA，熒光強度高；存在AA 時，CoOOH 納米片被AA 還原成Co2+失去氧化性，此時DA 的氧化自聚合受到抑制，熒光強度減弱。該傳感器對AA 的最低檢出限為4.8 μmol/L。除上述氧化劑外，2018 年，Yin 等［40］利用NaIO4和NaBH4的氧化-還原性調節PDA 表面化學制備出的FPDA 在Ex=380 nm/Em=455 nm處發出強藍光，量子產率達5.10%，基于FPDA酚羥基與Fe3+之間的配位作用，將FPDA用于Fe3+的選擇性檢測，得到的最低檢出限為0.15 μmol/L。2022 年，Li等［54］以KMnO4為氧化劑，氧化DA 形成多巴胺醌衍生物而后發生自聚合制備得到FPDA，如圖2D 所示。得到的FPDA 呈球形，粒徑在4 nm 左右，并在Ex=400 nm/Em=480 nm 處發射藍光?；谠揊PDA 構建的無標記、靈敏測定丁酰膽堿酯酶（BChE）活性的熒光生物傳感器的線性范圍為0.5~200 U/L，最低檢出限為0.047 U/L。

化學氧化法可有效縮短FPDA 的合成時間，但需控制體系中氧化劑的種類和用量。有研究表明：隨著氧化劑用量的不斷增多，熒光信號不斷下降，過量氧化劑的使用將導致熒光信號猝滅。這可能是由于粒子之間的大規模聚集導致［57，61］。

2.2 共摻雜法

與化學氧化法相比，共摻雜法構筑FPDA 更為簡便。該法通過在多巴胺的自聚合過程中摻雜其他組分反應物干擾多巴胺的自聚合，以達到減弱PDA 內部分子堆積，調控納米粒子尺寸及增強熒光的作用，并在一定程度上提高FPDA 的熒光強度和量子產率。但該方法一般要求摻雜組分具有氨基（-NH2）或巰基（-SH）等官能團，能夠參與或干擾DA 的自聚合反應。如圖3A 所示，2015 年，Liu 等［22］在DA 的自聚合體系中摻雜超支化聚合物聚乙烯亞胺（PEI），由于PEI 中的-NH2與PDA 中的DHI 等氧化產物之間可發生邁克爾加成反應進而削弱PDA 分子內和分子間的相互作用，故可減小PDA的顆粒尺寸，形成熒光更強的 FPDA（Ex=380 nm/Em=526 nm）。該材料在365 nm 紫外燈下發出綠色熒光，并被成功用于細胞熒光成像。同年，Zhao 等［23］也通過將PEI 摻雜入DA 的自聚合體系得到熒光PDA-PEI（Ex=400 nm/Em=520 nm），通過研究該熒光材料對金屬離子的識別能力，發現Ni2+、Fe3+以及Cu2+能夠有效猝滅PDA-PEI 的熒光。其原因在于，PDA-PEI 中PDA 上的兒茶酚基團以及PEI 中的-NH2與Fe3+、Cu2+之間發生了相互作用從而改變了PDA-PEI 的電子結構導致熒光猝滅。該研究還發現，Fe3+與PDA-PEI 中兒茶酚基團的相互作用強于-NH2，而Cu2+與-NH2的相互作用強于兒茶酚基團。Zhong等［50］通過優化PEI的分子量、PEI 與DA 的質量比、反應介質的pH 值等條件獲得了量子產率為12.5%，顆粒尺寸為（9.4 ±2.2）nm 的PDA-PEI（Ex=380 nm/Em=530 nm）。該PDA-PEI 可實現對Cu2+的高選擇性和高靈敏度檢測，線性檢測范圍為0.001 6~80 μmol/L，最低檢出限為1.6 nmol/L。2023 年，Li 等［59］利用Cu2+猝滅PDAPEI 構筑了無熒光的PDA-PEI/Cu2+配合物，該配合物具有催化氧化能力，可以作為一種模擬過氧化物納米酶將無色的3，3'，5，5'-四甲基聯苯胺（TMB）氧化為藍色的oxTMB，并通過oxTMB 的內部過濾作用進一步導致熒光猝滅。由于草甘膦（Glyphosate）可與PDA-PEI/Cu2+配合物中的Cu2+形成更穩定的Glyp-Cu2+配合物，從而可使PDA-PEI 的熒光信號明顯恢復，同時PDA-PEI/Cu2+配合物的過氧化物酶模擬活性受到阻礙，無法使TMB 氧化為oxTMB，故無顯色反應?；谶@一原理，該研究構建了一種新穎且方便的“turn-off”比色和“turn-on”熒光傳感平臺，用于草甘膦的雙模式檢測。

圖3 共摻雜法示例Fig.3 Examples of conjugation method

除PEI 外，GSH 由于分子上的-NH2/-SH 可與PDA 之間發生邁克爾加成/席夫堿反應，也可參與PDA 粒子尺寸的調控，并通過減弱PDA 分子內部的π-π 堆積獲得FPDA。2018年，Chen 等［43］利用GSH與DA 的一步共混法制備了FPDA（圖3B）。在該工作中，只需調節DA 和GSH 混合物水溶液的pH 值即可觸發反應，制備得到的FPDA 呈均勻的球形狀態，顆粒尺寸在3 nm 左右，在365 nm 紫外燈下呈現出藍綠光，量子產率為15.6%。將該熒光納米粒子用于Cu2+和Fe3+的檢測，檢出限分別為0.73 μmol/L 和0.66 μmol/L。

此外，通過對DA 進行修飾引發聚合獲得FPDA 也是摻雜的方法之一，如圖3C 所示，Xiong 等［19］利用多巴胺上-NH2與戊二醛和甘氨酸之間的反應，使用冰NaBH4還原反應液后，再以氨溶液引發聚合，使得巰基乙醇終止聚合反應得到多巴胺衍生的FPDA納米粒子。該FPDA納米粒子實際為聚多巴胺的預聚物，數均分子量和重均分子量分別為1 505和1 713，呈現窄分子量分布的特征，該粒子在365 nm 紫外燈下發射藍綠光（Ex=360~440 nm/Em=485 nm），量子產率為16.2%。該FPDA對Fe3+具有選擇性響應，最低檢出限為0.1 μmol/L。除此之外，被cRGD 肽鏈和G 蛋白偶聯受體120（GPR 120）抗體功能化的FPDA 還可以實現目標活細胞成像以及膜蛋白標記的功能。該研究表明：通過抑制多巴胺的聚合度，可以有效改善聚多巴胺分子內的π-π堆積作用，增強FPDA的熒光發射。

除上述的PEI［22-23，50］、GSH［43］可以摻雜入DA 的自聚合體系獲得FPDA 外，甘氨酸［19］、淀粉［47］、DNA［55］、葉酸［56］、葡萄糖［58］等也可參與到DA 的自聚合中，用以調控PDA 分子內的堆積狀態，獲得具有熒光特性的納米粒子。

2.3 化學降解法

不同于以上兩種由小分子DA 合成得到FPDA 的方法，化學降解法是通過減小PDA 納米粒子的尺寸，減弱分子自組裝堆積程度獲得FPDA。2015年，Lin等［24］利用DA在NaOH溶液中的氧化自聚合制備PDA，再利用H2O2在NaOH 溶液中產生的羥基自由基誘導PDA顆粒降解，獲得了平均粒徑為（22±3） nm的低聚物，如圖4A 所示。研究表明：部分羥基自由基可將PDA 降解成羥基多巴胺，剩余部分則與PDA 形成氫鍵以減少PDA 的π-π 堆積作用并增強熒光，進而獲得FPDA。該體系制備得到的FPDA 在365 nm 紫外燈下發射藍光（Ex=330 nm/Em=440 nm），量子產率為1.20%，可用于Fe3+的檢測［24］，也可用于構建“on-off-on”型熒光探針檢測Ag+和GSH［57］。同樣的，2021 年，Li等［52］在堿性環境下，利用DA的自聚合制備PDA，然后向反應液中加入H2O2和NaOH（圖4B），利用產生的羥基自由基誘導PDA 顆粒降解，得到了粒徑約4.8 nm均勻分布的球形FPDA，其在365 nm紫外燈下發射亮藍色熒光（Ex=340 nm/Em=435 nm），量子產率為2.20%。在該體系中，魚精蛋白（Protamine）的存在可誘導FPDA 粒子的聚集導致熒光猝滅，胰蛋白酶（Trypsin）的加入又可使得熒光恢復。這主要是因為胰蛋白酶可使魚精蛋白發生水解，使得FPDA 粒子的聚集作用得到抑制，熒光恢復?；诖藰嬛囊鹊鞍酌競鞲衅骶哂休^好的選擇性，檢測的線性范圍為0.01~0.1 μg/mL，最低檢出限為6.7 ng/mL。

圖4 化學降解法示例Fig.4 Examples of chemical degradation method

2.4 碳化法

相比于上述3種較為溫和的方法，碳化法構筑FPDA一般需要在高溫（水熱合成）或強酸（如濃硫酸）環境下進行。2013年，Qu等［18］以DA為前驅體采用一步水熱合成法（180 ℃，6 h）制備得到FPDA，粒徑尺寸3.8 nm 左右。粒子的晶格間距為0.325 nm，接近石墨的（002）面，表明該條件下可實現DA 的碳化。該碳點在最大發射波長400 nm 處的熒光量子產率可達6.40%，其表面帶有大量的兒茶酚官能團，可被Fe3+氧化為苯醌結構，并導致熒光猝滅。在該FPDA-Fe3+體系中加入DA 時，由于部分Fe3+與DA 反應，從而可減弱其對FPDA 的熒光猝滅效應，基于此可分別構筑Fe3+和DA 的熒光傳感器，最低檢出限分別為0.32 μmol/L 和68 nmol/L。2017年，Zhao等［29］選用DA、檸檬酸和過硫酸銨為前驅體，通過一步水熱合成法（180 ℃，24 h）在酸性環境下制備得到了發射綠光的FPDA（Ex=331 nm/Em=495 nm），其平均粒徑為3.02 nm，量子產率約93.0%。該FPDA 對Cr6+具有選擇性識別能力以及快速響應性，響應時間為 0.01 s，最低檢出限為1.0×10-11mol/L。

2.5 其他方法

除上述方法外，紫外線照射、微等離子體電化學處理等方法也可構筑FPDA。2014 年，Quignard等［21］報道了利用紫外光（UVA 范圍：（365 ± 40） nm）照射制備FPDA 的方法。以紫外光照射PDA 中未環化的兒茶酚胺可使其發生光氧化、環化形成熒光單元（DHI）從而增強熒光。2018年，Wang等［45］利用微等離子體電化學方法調節DA 氧化聚合的形成過程，制備出尺寸均勻（約3.1 nm）和良好發光性能的FPDA。所得FPDA 在Ex=360 nm/Em=440 nm 下達到最大熒光強度，量子產率為0.58%，該方法構筑的FPDA對U6+具有選擇響應性，最低檢出限為2.1 mg/L。

3 熒光聚多巴胺納米粒子對金屬離子的檢測

FPDA 中的兒茶酚基團與眾多金屬離子具有強螯合作用，兩者間的配位作用可使FPDA 電子結構改變并導致熒光信號變化。目前已基于FPDA 構筑了可檢測Fe2+［62］、Fe3+［18-19，24-25，40，43］、Cu2+［43，50，55］、Hg2+［56］、Zn2+［28］、Cr6+［29］、Al3+［37］、U6+［45］、Ag+［57］的熒光探針，且絕大多數是“turn-off”型熒光探針。

以Cu2+“turn-off”型熒光探針為例，Liu 等［55］以DNA、DA 及PEI 為原料，系統研究了不同DNA 序列對合成的FPDA 熒光強度的影響（圖5A）。結果表明，DNA 介導形成的FPDA 顆粒均具有良好的穩定性和水分散性，尤其是序列長度為10 的多胞嘧啶（poly-C）能有效提高FPDA 的熒光強度。所合成的FPDA 對Cu2+有明顯的選擇性（Cu2+的加入將導致熒光明顯猝滅），而其他金屬離子不會引起熒光強度變化?；诖?，該研究構筑了Cu2+“turn-off”型熒光探針，該探針對Cu2+的最低檢出限為0.03 μmol/L，可應用于海水中Cu2+的檢測。為了提高方法的實用性和便捷性，他們還設計了一種含有FPDA的試紙用于Cu2+的可視化檢測。此外，他們將FPDA 負載于淀粉膜中構筑了一種可同時檢測和去除Cu2+的吸附材料，在較寬的Cu2+濃度范圍（20 ~ 300 μmol/L）內具有較高的去除率（≥99.41%）。

圖5 Cu2+ “turn-off”型熒光探針［55］（A）及 Zn2+ “turn-on”型熒光探針［28］（B）Fig.5 Cu2+“turn-off”fluorescent probe［55］（A） and Zn2+“turn-on”fluorescent probe［28］（B）

2016 年，Liu 等［28］報道了一種基于FPDA 材料的“turn-on”型熒光探針用于Zn2+檢測，如圖5B 所示。該體系中，磁性納米氧化鐵（Fe3O4）顆粒作為模擬過氧化物酶，在溫和條件下催化氧化DA 制備得到FPDA，該體系中僅用5 mmol/L H2O2即可比擬傳統2 mol/L H2O2的氧化效果。所制備的FPDA 在360 nm 紫外燈照射下不發光，在Ex=480 nm/Em=530 nm 處發射黃綠光，量子產率為1.00%。加入Zn2+后，FPDA 在480 nm 波長激發下不發光，而在360 nm 波長激發下發射藍光，且熒光強度隨Zn2+濃度呈線性增長，該探針對Zn2+的最低檢出限為60 nmol/L，其選擇性被認為可能與反應過程中的光誘導電荷轉移有關。

4 結論與展望

本文總結了2012 年至今有關FPDA 納米材料的構筑策略、形態、發光性能及其在金屬離子識別和檢測中的應用。FPDA 納米材料已取得了令人矚目的研究進展，但未來仍有一些問題需要深入研究。一方面，由于缺乏精確、詳細的FPDA 微觀結構表征信息，其熒光產生機制仍不清楚；另一方面，由于FPDA 材料的形態未得到很好的控制，可能導致亮度和擴散系數不均勻，限制了其在生物定量成像中的應用。相信這些短板在未來都能補齊，FPDA 材料也會被開發出更多優異的性能以拓寬其應用領域。