聚集誘導(dǎo)磷光在第二近紅外窗口中的成像

本文要點(diǎn)：第二近紅外窗口(NIR-II，1000-1700 nm)的熒光成像是一種非常有前途和研究活躍的技術(shù)，而利用NIR-II磷光進(jìn)行光學(xué)成像的研究還很少。本文報(bào)道了一種聚集誘導(dǎo)的選擇性信號(hào)激活策略，該策略依賴于探針的輻射模式從弱熒光轉(zhuǎn)換為強(qiáng)NIR-II磷光。銅銦硒(Cu-In-Se)量子點(diǎn)在孤立狀態(tài)下發(fā)出極弱的熒光，其聚集態(tài)在≈1045 nm處顯著發(fā)光，發(fā)光壽命提高了2.7×103倍以上。用介孔二氧化硅納米顆粒(Cu-In-Se@MSN)包裹Cu-In-Se組裝，證實(shí)了聚集誘導(dǎo)的發(fā)射模式轉(zhuǎn)換，顯示出獨(dú)特的磷光型發(fā)射。NIR-II磷光信號(hào)使Cu-In-Se@MSN顯示出令人印象深刻的壽命成像，并且可以準(zhǔn)確地確定血管的高階分支。對(duì)輻射模式轉(zhuǎn)換起源的研究不僅為理解光物理過程提供了新的視角，而且可能為設(shè)計(jì)智能NIR-II探頭奠定基礎(chǔ)。

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方案1：聚集驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)壽命NIR-II磷光的示意圖.Cu-In-Se量子點(diǎn)在水中有很微弱的熒光，但聚集后在≈1045 nm處有很強(qiáng)的磷光發(fā)射，壽命長(zhǎng)

 

在這項(xiàng)工作中，將親水性的非發(fā)光銅銦硒(Cu-In-Se)量子點(diǎn)轉(zhuǎn)換為高發(fā)光的Cu-In-Se聚集體，可以發(fā)射以≈1045 nm為中心的近紅外-II信號(hào)(方案1)。具有“開關(guān)”功能的NIR-II無機(jī)量子點(diǎn)以前沒有報(bào)道過。機(jī)理研究表明，AIE型Cu-In-Se量子點(diǎn)的熒光紅移歸因于主導(dǎo)輻射模式從微弱熒光向明亮磷光的轉(zhuǎn)變。此外，發(fā)展的近紅外第二代磷光成像是成像方式的研究前沿，通過最小化納秒級(jí)壽命的背景干擾，為高質(zhì)量成像提供了多種強(qiáng)大的技術(shù)。NIR-II磷光成像擁有巨大的潛力，可以在沒有噪音的情況下專門監(jiān)測(cè)目標(biāo)的清晰和深度。
 

圖1：Cu-In-Se量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)表征a)溶劑誘導(dǎo)Cu-In-Se量子點(diǎn)的可逆聚集過程方案b-f)Cu-In-Se量子點(diǎn)在b-d)水和e，f)乙醇中的代表性TEM和AFM圖像g)Cu-In-Se量子點(diǎn)的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素映射

 

首先，透射電子顯微鏡(TEM)圖像(圖1b)和相應(yīng)的尺寸分布直方圖均顯示所制備的Cu-In-Se量子點(diǎn)為球形，平均尺寸為4.6±0.8 nm。每個(gè)Cu-In-Se量子點(diǎn)在水中都表現(xiàn)出良好的單分散性。Cu-In-Se量子點(diǎn)可以被鑒定為CuInSe_2-In2Se。原子力顯微鏡(AFM)圖像直接證實(shí)了Cu-In-Se量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)直徑小于5 nm(圖1D)，這與TEM分析一致。在添加乙醇或甲醇后，親水性的Cu-In-Se量子點(diǎn)會(huì)降低Cu-In-Se量子點(diǎn)的表面電荷，從而使這些量子點(diǎn)失去足夠的膠體穩(wěn)定性。

 

從圖1e，f中的全景透射電鏡圖像可以看出，以乙醇為溶劑產(chǎn)生了大量的聚集體，而放大的透射電鏡圖像表明，這些聚集體實(shí)際上是由定義良好的球形Cu-In-Se量子點(diǎn)填充的。以上分析證實(shí)，由于隨機(jī)聚集事件的存在，Cu-In-Se量子點(diǎn)的排列趨于不規(guī)則。重要的是，聚集的程度與Cu-In-Se量子點(diǎn)的發(fā)光類型(熒光或磷光，見下文)密切相關(guān)。為了進(jìn)一步研究得到的Cu-InSe量子點(diǎn)的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了高角度環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡(HAADF-STEM)(圖1g)。元素分布圖清楚地支持了Cu信號(hào)與Se信號(hào)共位，并與In信號(hào)部分分離。這與高分辨率TEM圖像的觀察結(jié)果一致(圖1c)。

圖2：Cu-In-Se量子點(diǎn)對(duì)溶劑變化的長(zhǎng)壽命磷光響應(yīng).A)基于強(qiáng)度的NIR-II成像系統(tǒng)方案.B)近紅外圖像C)發(fā)射光譜和D)含不同體積分?jǐn)?shù)乙醇的水/乙醇混合物中Cu In Se量子點(diǎn)的相應(yīng)發(fā)射圖譜.E)Cu-In-Se量子點(diǎn)的光致發(fā)光峰(950和1045 nm)強(qiáng)度與乙醇體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖.F)分散在80%乙醇中的Cu-In-Se量子點(diǎn)的光致發(fā)光衰減曲線G)Cu-In-Se量子點(diǎn)在50%乙醇(頂板)和95%(底板)乙醇中的光致發(fā)光激發(fā)圖譜和H)依賴于激發(fā)的發(fā)射光譜.I)Cu-In-Se量子點(diǎn)在50%乙醇中的濃度依賴發(fā)射光譜

 

其次，在水中得到的Cu-In-Se量子點(diǎn)顯示出非常弱的PL響應(yīng)(圖2a-d和表1)，這主要?dú)w因于非輻射躍遷事件的存在。Cu-In-Se量子點(diǎn)以孤立物種的形式溶解(圖1b)，這可能導(dǎo)致它們的分子扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受到限制，從而猝滅了發(fā)射效率。然而，在Cu-In-Se量子點(diǎn)表現(xiàn)出相對(duì)較差穩(wěn)定性的乙醇中(圖1e)，可以觀察到發(fā)射強(qiáng)度和量子產(chǎn)率(表1)的顯著增強(qiáng)，這取決于乙醇在水中的體積分?jǐn)?shù)。結(jié)合TEM和NIR-II成像的測(cè)量結(jié)果，Cu-In-Se量子點(diǎn)的聚集體越致密，發(fā)光越強(qiáng)，表現(xiàn)為典型的易自組裝的AIE現(xiàn)象。光致發(fā)光曲線逐漸分裂成雙峰型：以≈1045 nm為中心的新的≈-II發(fā)光帶和以水為中心的950 nm處的原始發(fā)光帶一起出現(xiàn)。

 

為了進(jìn)一步研究上述光物理結(jié)果，808 nm的激發(fā)下，在Cu-In-Se量子點(diǎn)上進(jìn)行了映射(圖2d)，顯示出熒光強(qiáng)度的顯著增加，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，最亮的區(qū)域單調(diào)地移動(dòng)到更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，≈1045 nm處的近紅外-II發(fā)射信號(hào)呈指數(shù)增強(qiáng)，而≈950 nm熒光帶變?nèi)�，最終幾乎整合到新生成的近紅外-II帶中(圖2C)。相反，在≈1042 nm處(例如，在80%乙醇中的Cu-In-Se量子點(diǎn))的近紅外-II發(fā)射呈三倍指數(shù)衰減，壽命為143.1µs，對(duì)應(yīng)于慢得多的發(fā)射過程。Cu-In-Se量子點(diǎn)比先前存在的銅硫化物納米晶和金屬(Au，Ag，Pt等)具有顯著的近紅外-II壽命優(yōu)勢(shì)。此外，在≈950nm處極弱且壽命極短的熒光信號(hào)表現(xiàn)出熒光性質(zhì)，這是由不同種類的孤立或松散組裝的Cu-In-Se量子點(diǎn)產(chǎn)生的。

 

表1：Cu-In-Se量子點(diǎn)的熒光光譜結(jié)果

圖3：Cu-In-Se量子點(diǎn)聚集時(shí)發(fā)出強(qiáng)而長(zhǎng)壽命的近紅外-II磷光的可能機(jī)制.A)提出了分散態(tài)和聚集態(tài)Cu-In-Se量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu).B)Cu-In-Se量子點(diǎn)的球差校正HAADF-STEM圖像.箭頭代表的是富In缺陷區(qū)，這也是Cu-In-Se量子點(diǎn)的卡通圖片

 

接著，為了進(jìn)一步驗(yàn)證Cu-In-Se量子點(diǎn)組裝的堆積程度是否對(duì)發(fā)射模式的改變有很大的影響，對(duì)分散在不同條件下的Cu-In-Se量子點(diǎn)進(jìn)行了PL激發(fā)映射研究(圖2g)。在50%的乙醇中，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從650nm到808nm時(shí)，Cu-In-Se量子點(diǎn)的光致發(fā)光帶從≈850紅移到1050 nm以上，這清楚地表明了不同發(fā)光物種的存在。這種獨(dú)特的性質(zhì)將使Cu-In-Se量子點(diǎn)在生物成像方面非常有用，短波吸收和散射的干擾最小。

 

與濃度相關(guān)的發(fā)射光譜也支持能夠誘導(dǎo)弱熒光轉(zhuǎn)換為明亮磷光的聚集事件(圖2I)。然而，隨著Cu-In-Se量子點(diǎn)濃度的不斷提高，在≈1045nm處出現(xiàn)了新的≈-II發(fā)光峰，而原來的NIR-II發(fā)光峰基本保持了其發(fā)射強(qiáng)度。盡管溶液在高濃度的Cu-In-Se量子點(diǎn)下仍保持均勻，但DLS測(cè)得的流體力學(xué)尺寸增加到≈200 nm，顯示出納米級(jí)聚集體的形成。上述觀察結(jié)果明確地表明，發(fā)光方式的改變與聚集的Cu-In-Se量子點(diǎn)的堆積程度有關(guān)。這種AIE參與的方案可能是一個(gè)因素，可以解釋存在于Cu-In-Se量子點(diǎn)溶液或其固體粉末中的磷光熒光發(fā)射的產(chǎn)生(表1)。接下來進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)表征，以確定Cu-In-Se量子點(diǎn)中缺陷相關(guān)發(fā)射信號(hào)的可行性。球差校正的HAADF-STEM驗(yàn)證了發(fā)育良好的晶體CuInSe2基質(zhì)(圖3b)中富In缺陷的存在，這與高分辨率TEM結(jié)果(圖1c)證明的CuInSe2-In2Se3異二聚體組成一致。

圖4：基于所制備的Cu-In-Se量子點(diǎn)的長(zhǎng)壽命NIR-II磷光探針的設(shè)計(jì).A)介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)包覆Cu-In-Se量子點(diǎn)的合成工藝示意圖.B)分別用5 mg和50 mg Cu-In-Se量子點(diǎn)制備的Cu-In-Se@MSN-1和C)Cu-In-Se@MSN-2 ,D)Cu-In-Se@MSN-2的HAADF-STEM圖像和相應(yīng)的EDS元素映射.E)分散在水中的Cu-In-Se@MSN-2的激發(fā)相關(guān)發(fā)射光譜.F)分別在1041 nm和1060 nm處測(cè)量了Cu-In-Se@MSN-1和Cu-In-Se@MSN-2的光致發(fā)光衰減曲線.G)時(shí)間分辨近紅外-II成像系統(tǒng)和分散在不同體積分?jǐn)?shù)乙醇和Cu-In-Se@MSN-1/2納米復(fù)合材料中的Cu-In-Se量子點(diǎn)的壽命圖像

 

然后，為了進(jìn)一步驗(yàn)證聚集度對(duì)發(fā)光性質(zhì)的影響，嘗試固定了Cu-In-Se組裝的結(jié)構(gòu)。如圖4a所示，通過將十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)吸附到Cu-In-Se量子點(diǎn)的外表面，這種納米晶體可以從負(fù)電荷轉(zhuǎn)移到正電荷。二氧化硅前驅(qū)體(如正硅酸乙酯)水解、縮合，最終生成核殼結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料(命名為Cu-In-Se@MSN)。Cu-In-Se@MSN-1和Cu-In-Se@MSN-2樣品均呈分散、均勻的球形，TEM尺寸(110±20 nm)無明顯差異。在每種納米復(fù)合材料中都有明顯的深色核存在，表明Cu-In-Se量子點(diǎn)被成功地包裹在介孔二氧化硅基質(zhì)中，這表明Cu-In-Se量子點(diǎn)被成功地包裹在介孔二氧化硅基質(zhì)中。HAADF圖和相應(yīng)的元素圖譜表明，大部分Cu-InSe@MSN-2具有核@殼結(jié)構(gòu)(圖4d)。綜上所述，與廣泛認(rèn)可的疏溶劑相互作用控制的聚集形成鮮明對(duì)比的是，這里開發(fā)的耦合兩步序列方法(即量子點(diǎn)和二氧化硅涂層的自組裝)能夠同時(shí)執(zhí)行以下功能。首先，CTAB介導(dǎo)的自組裝使得Cu-In-Se量子點(diǎn)具有較高的聚集程度。其次，二氧化硅包覆步驟可以進(jìn)一步將單個(gè)Cu-In-Se量子點(diǎn)緊密地包裹在一起，避免致密排列的崩塌。以上結(jié)果表明Cu-In-Se@MSN量子點(diǎn)聚集體的尺寸分布相對(duì)均勻。此外，Cu-In-Se@msn-2的壽命高達(dá)783.2µs(圖4f)。在水和95%乙醇中分別是原始Cu-In-Se量子點(diǎn)的1.3×105和4.8倍以上(表1)。Cu-In-Se量子點(diǎn)的長(zhǎng)壽命衰減在很大程度上歸因于大量的Cu-In-Se量子點(diǎn)的緊密排列，它通過限制覆蓋配體的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，同時(shí)阻止了非輻射路徑，并激活了輻射衰減路徑。

 

Cu-In-Se量子點(diǎn)在80%或更多乙醇中的壽命成像可以很容易地識(shí)別背景信號(hào)，并具有一致的偽色，這表明長(zhǎng)壽命近紅外-II磷光具有很高的可靠性。時(shí)間分辨NIR-II成像數(shù)據(jù)驗(yàn)證了長(zhǎng)壽命NIR-II磷光可以作為一種非常有用的工具來提高成像的準(zhǔn)確度和精確度�；�于Rose標(biāo)準(zhǔn)，抗光漂白可以通過避免動(dòng)態(tài)生物相關(guān)信息的丟失來提高活體成像的時(shí)間分辨率，特別是在連續(xù)長(zhǎng)期生物成像的情況下。因此，需要驗(yàn)證其穩(wěn)定性。在應(yīng)用新制造的Cu-In-Se@MSN之前納米復(fù)合材料作為活體成像的探針，與分散在50%乙醇/50%胎牛血清混合物中的Cu-In-Se量子點(diǎn)的發(fā)光強(qiáng)度相比，在功率密度為0.14W cm2的808 nm激光照射2h后，Cu-In-Se@MSN-2在高鹽的PbS和FBS溶液中的光漂白作用可以忽略不計(jì)。此外，Cu-In-Se@MSN-2在37°C的熱PBS和FBS中的熒光強(qiáng)度在800min內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，而未經(jīng)二氧化硅包覆的Cu-In-Se量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)在3h后明顯惡化。將Cu-In-Se@MSN固體粉末存放在冰箱中，在不需要進(jìn)一步保護(hù)的情況下，可以穩(wěn)定幾個(gè)月。上述數(shù)據(jù)揭示了Cu-In-Se@MSN在不同環(huán)境中的長(zhǎng)期光穩(wěn)定性。在熒光性質(zhì)方面，我們以Cu-In-Se@MSN為例，說明了Cu-In-Se量子點(diǎn)的組裝越致密、越穩(wěn)定，其發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，發(fā)光壽命越長(zhǎng)。

圖5：注射不同Cu-In-Se@MSN探針對(duì)正常裸鼠血管成像的比較。A)尾靜脈注射成像探針示意圖B)脈注射Cu-In-Se@MSN-2探針C)靜脈注射Cu-In-Se@MSN-1探針的NIR-II顯像D)注射Cu-In-Se@MSN-2探針24小時(shí)后的裸鼠高倍率NIR-II血管成像(E)在(D)高倍率血管圖像中沿著白虛線的代表性的PL橫截面強(qiáng)度分布。高斯擬合配置文件以紅線顯示。

 

最后，在上述Cu-In-Se@MSN探針體外NIR-II成像的鼓舞下，進(jìn)一步驗(yàn)證了它們?cè)诨铙w成像中的應(yīng)用。將壽命較長(zhǎng)的Cu-In-Se@MSn-2探針和壽命較短的Cu-In-Se@MSn-1作為對(duì)照探針分別靜脈注射到正常裸鼠(n=3)體內(nèi)，注射劑量為20 mg kg−1(圖5a)。然后在選定的時(shí)間點(diǎn)收集連續(xù)的全身NIR-II圖像。如圖5b所示，在注射Cuin-Se@MSN-2探針后2小時(shí)，可以識(shí)別腹部區(qū)域的血管結(jié)構(gòu)，并且隨著時(shí)間的推移背景保持干凈，可以明顯地看到腹部的血管結(jié)構(gòu)。相反，當(dāng)使用Cu-In-Se@MSN-1作為對(duì)照探針時(shí)(圖5c)，整個(gè)身體(如肝臟、心臟、腎臟和腸道)都有明顯的背景噪聲干擾，幾乎看不到血管結(jié)構(gòu)。隨后進(jìn)行了高倍率的NIR-II成像，以可視化血管結(jié)構(gòu)(圖5d)。顯然，腹部區(qū)域可見具有高階分支的小血管(如圖5d的插圖所示)，表明Cu-In-Se@MSN-2探針用于血管成像的空間分辨率很高。相應(yīng)的血管橫截面強(qiáng)度曲線以尖銳的峰值為特征(圖5e)。通過計(jì)算截面強(qiáng)度分布的高斯擬合半高寬(FWHM)進(jìn)一步測(cè)量血管直徑。所選腹部血管的半高寬值分別為≈123和101µm。因此，用Cu-In-Se@MSN-2作為活體成像探針可以更準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地確定血管的較小分支和高階分支。

 

參考文獻(xiàn)

Chang,B., Zhu, H., Wu, Y., Wu, S., Zhang, L., Qu, C., Ren, Y., Cheng, Z.,Aggregation-Induced Phosphorescent Imaging in the Second Near-Infrared Window.Adv. Optical Mater. 2021, 2101382.

 

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