近红外发光金纳米簇的链端接枝聚电解质大分子配体稳定化策略及其光学性能调控

《Macromolecular Rapid Communications》：Chain-End Grafting of RAFT Polyelectrolyte Macroligands to Stabilize Near-Infrared-Emitting Gold Nanoclusters

本研究针对传统硫醇小分子配体稳定的AuNCs胶体稳定性差、功能化困难等问题，开发了一种基于RAFT聚合的链端巯基聚电解质大分子配体（P(NAM-stat-AAPTA)/P(NAM-stat-AMPS)-SH）原位合成AuNCs的新策略。结果表明阳离子聚合物成功制备出高稳定、近红外发射的AuNCs（粒径<2 nm，量子产率~8%），为多功能AuNCs的生物成像、传感及自组装应用提供了新思路。

　　

金纳米团簇（AuNCs）作为尺寸小于2纳米的明星纳米材料，凭借独特的光致发光特性，在生物传感、活体成像和光动力治疗等领域展现出巨大潜力。然而，传统的小分子硫醇配体如巯基己酸（MHA）虽能稳定AuNCs，却面临量子产率低（<0.1%）、胶体稳定性差的“阿喀琉斯之踵”——储存不足两月便易团聚失活，更难以实现精准的表面功能化设计，严重制约了其临床转化。近年来，蛋白质、线性聚合物等大分子配体的引入虽提升了稳定性，但如何通过可控聚合技术定制兼具多重电荷、生物相容性及强锚定能力的智能配体，仍是领域内悬而未决的关键难题。

在这项发表于《Macromolecular Rapid Communications》的研究中，葡萄牙与法国联合团队创新性地提出“链端接枝策略”：利用可逆加成-断裂链转移（RAFT）活性自由基聚合技术，设计合成末端含巯基（-SH）的水溶性聚电解质大分子配体，在水相中原位构建高稳定近红外发光AuNCs，系统揭示了侧链电荷类型与密度对成核动力学及光学性能的调控规律。

研究采用多学科交叉技术路线：首先通过RAFT共聚合成不同电荷密度的阳离子型（丙烯酰氨基丙基三甲基氯化铵，AAPTA）/阴离子型（2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸，AMPS）与N-丙烯酰吗啉（NAM）的统计共聚物，经三(2-羧乙基)膦盐酸盐（TCEP）还原制得链端巯基化配体；随后在水相室温下将配体与氯金酸（HAuCl₄）络合，碱性条件下硼氢化钠（NaBH₄）还原一步法制备AuNCs；最终整合高分辨透射电镜（HR-TEM）、¹H扩散有序谱核磁共振（¹H DOSY NMR）、稳态/瞬态荧光光谱等技术，从核心尺寸、流体力学直径到光物理性质进行全维度表征。

3.1 聚电解质配体的精准构筑与表征

研究者以叔丁基二硫代苯甲酸酯（tBDB）为链转移剂，在水/二氧六环体系中实现NAM与带电单体的可控共聚，获得分子量约10 kDa的低分散度聚合物（D≈1.04）。¹H NMR证实α端为叔丁基（δ 0.9 ppm）、ω端为二硫代苯甲酸酯（δ 7-8 ppm），经TCEP还原后特征峰消失，溶液由粉色变为无色，证明巯基转化率达100%。计算表明，25%与50% AAPTA比例的阳离子共聚物每条链分别携带12个和26个正电荷，为后续静电调控奠定基础。

3.2 电荷效应对AuNCs成核机制的影响

阳离子配体P(NAM-stat-AAPTA)-SH与AuCl₄^?发生瞬时离子复合沉淀，碱处理后形成可溶的Au(I)-S-聚合物中间体，NaBH₄温和还原成功制备均一AuNCs，未观测到大粒径纳米颗粒（AuNPs）生成。相反，阴离子P(NAM-stat-AMPS)-SH体系因多价磺酸根基团与Au内核静电排斥，削弱了配体锚定效率，还原阶段出现明显的红色等离子体共振现象，产物为AuNCs与>2 nm AuNPs的混合物——即使将NaBH₄用量提高5倍仍无法完全抑制副反应。这揭示阳离子季铵基团不仅增强胶体稳定性，还通过疏水作用与胺-金弱配位协同调控成核路径。

3.3 纳米杂化结构的尺寸演化

HR-TEM显示阳离子聚合物稳定的AuNCs金核直径为1.6±0.3 nm（接近中性PNAM-AuNCs的1.5 nm），无>2 nm颗粒；而阴离子体系出现2-8 nm宽分布AuNPs（平均5 nm）。¹H DOSY NMR测得P(AAPTA_25%)-AuNCs流体力学直径（D_h）为11±1 nm，较中性配体（15 nm）收缩，归因于AAPTA疏水单元促使聚合物链在Au表面采取更折叠构象。阴离子样品因大颗粒存在，梯度脉冲无法有效衰减信号，佐证其尺寸异质性。

3.4 光学性能的电荷密度响应

紫外-可见吸收谱证实阳离子AuNCs无520 nm表面等离子体共振峰，符合超小尺寸特征；近红外发射最大波长（λ_em）为675-705 nm，Stokes位移超390 nm，对应Au₂₅（SR）₁₈团簇电子结构。350 nm处新增吸收带随AAPTA比例增加而增强，源于季铵基团n-π*跃迁。量子产率为8%（低于中性配体的12%），50%电荷密度样品的平均荧光寿命降至0.9 μs，推测过量正电荷暴露Au核于水环境，加速辐射猝灭。阴离子体系虽存在665 nm发射，但伴随明显等离子体吸收，验证混合相结构。

该研究突破性地证明：链端定向接枝的阳离子聚电解质大分子配体可高效稳定近红外发光AuNCs，电荷密度精细调控其光学行为；而多阴离子配体因静电干扰导致成核失控。所获AuNCs具有>数月的超长胶体稳定性、μs级荧光寿命及可调表面电荷，不仅为聚合物-金属杂化材料设计提供新范式，更为基因递送载体、抗菌制剂及肿瘤靶向成像探针的开发夯实基础。