用于NIR-II成像的金納米團(tuán)簇配體工程

本文要點(diǎn)：NIR-II成像在醫(yī)學(xué)診斷和手術(shù)導(dǎo)航方面顯示出巨大潛力，但開(kāi)發(fā)安全、光穩(wěn)定、高亮度的分子探針仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。由于其超小的尺寸，腎臟可以高效地將其清除，金納米團(tuán)簇顯示出巨大的臨床潛力。這項(xiàng)工作系統(tǒng)地探討了不同配體對(duì)金納米團(tuán)簇的發(fā)光和生物活性的影響。結(jié)果顯示由硫代乙酸（TGA）和己二酸（MHA）保護(hù)的金納米團(tuán)簇具有最強(qiáng)的熒光，而由巰基丙酸（MPA）和硫化鈉（Na2S）保護(hù)的金納米團(tuán)簇顯示出最弱的NIR-II信號(hào)。金納米團(tuán)簇可以可靠地為大腦血管、后肢血管和脊柱進(jìn)行體內(nèi)成像，并監(jiān)測(cè)到高腎臟清除率。穩(wěn)定的納米團(tuán)簇使得后肢成像的時(shí)間窗口達(dá)到125分鐘，脊柱成像達(dá)到270分鐘，在全身成像的信噪比高達(dá)11，并且在注射劑量為50毫克/公斤時(shí)顯示出高效的腎臟清除和低毒性。

 

---

圖1顯示了制備不同金屬摻雜的Au納米團(tuán)簇，并通過(guò)紫外-可見(jiàn)吸收分析觀察到其特征吸收峰為700nm；使用透射電子顯微鏡和動(dòng)態(tài)光散射測(cè)定了這些納米團(tuán)簇的尺寸，結(jié)果顯示它們具有小于2nm的核心尺寸和良好的分散性。電噴霧離子化質(zhì)譜也提供了有關(guān)這些納米團(tuán)簇的信息，這些研究結(jié)果對(duì)于了解納米團(tuán)簇的性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。

圖1. 金納米團(tuán)簇的物理特性表征

 

圖2描述了傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）和拉曼光譜對(duì)摻雜了Ag和Cd的Au納米團(tuán)簇進(jìn)行了表征。FT-IR顯示了CO基團(tuán)的拉伸振動(dòng)以及−OH和C−H的振動(dòng)峰，但未觀察到−SH振動(dòng)峰，表明硫配體與Au核結(jié)合緊密。拉曼光譜分析了單一和雙重配體保護(hù)的Au納米團(tuán)簇，發(fā)現(xiàn)引入MHA會(huì)導(dǎo)致特定的峰值變化。此外，通過(guò)X射線光電子能譜（XPS）研究了納米團(tuán)簇的表面元素價(jià)態(tài)和含量，發(fā)現(xiàn)了Au−Cd鍵的形成以及Cd到Au的電子轉(zhuǎn)移。 Cd 3d5/2的結(jié)合能位于零價(jià)和二價(jià)價(jià)態(tài)的中間位置，表明除了Au−Cd鍵之外還存在Cd−S鍵，這有助于促進(jìn)生物催化作用。

圖2. 納米團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)特性表征

 

圖3介紹了使用密度泛函理論（DFT）進(jìn)行了理論計(jì)算，以解釋金納米團(tuán)簇的發(fā)光和催化機(jī)制，采用了帶有配體的三維幾何結(jié)構(gòu)的金納米團(tuán)簇來(lái)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)計(jì)算摻雜形成能評(píng)估了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明Cd摻雜的結(jié)構(gòu)在能量上都是穩(wěn)定的。計(jì)算了Au8和Au7Cd1納米團(tuán)簇的能級(jí)，發(fā)現(xiàn)Au8納米團(tuán)簇呈現(xiàn)出一種鍵間躍遷，發(fā)射峰位于約1000nm處。電子結(jié)構(gòu)分析揭示了在納米團(tuán)簇中的電荷分布情況，特別是Cd與周圍原子的相互作用。最后，通過(guò)電子局域函數(shù)（ELF）分析了活性位點(diǎn)周圍的電子分布，顯示了Cd作為電子供體的特性，促進(jìn)了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

圖3. Au納米團(tuán)簇的密度泛函理論計(jì)算

 

圖4討論了金納米團(tuán)簇在近紅外（NIR-II）熒光方面的特性。金納米團(tuán)簇的熒光來(lái)源于金核內(nèi)部的量子效應(yīng)以及核心與表面配體之間的相互作用，通過(guò)改變表面配體和金屬原子摻雜來(lái)調(diào)節(jié)金納米團(tuán)簇的熒光性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單原子摻雜和配體結(jié)合顯著影響了金納米團(tuán)簇的熒光強(qiáng)度，Cd摻雜在特定配體下表現(xiàn)出最高的熒光強(qiáng)度。另外，雙配體結(jié)合也提高了金納米團(tuán)簇的亮度。這些效應(yīng)與表面配體的電子供應(yīng)能力有關(guān)，而單原子摻雜也影響了納米團(tuán)簇的亮度，由于其具有強(qiáng)烈的量子尺寸效應(yīng)和分子般的電子狀態(tài)。Cd和Ag單原子摻雜增強(qiáng)了金納米團(tuán)簇的發(fā)光強(qiáng)度。

圖4. 不同配體下金納米團(tuán)簇的熒光特性

 

圖5討論了對(duì)金納米團(tuán)簇的光穩(wěn)定性進(jìn)行的測(cè)試以及其在生物成像中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，金納米團(tuán)簇在復(fù)雜的生理環(huán)境下保持了良好的活性和穩(wěn)定性。形成離散的電子能級(jí)和在導(dǎo)帶內(nèi)的弛豫過(guò)程使得金納米團(tuán)簇具有長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的光致發(fā)光特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同溶劑和溫度條件下培養(yǎng)一周后，其近紅外熒光強(qiáng)度幾乎沒(méi)有下降。此外，金納米團(tuán)簇在808 nm激光照射下表現(xiàn)出良好的光穩(wěn)定性，也在PBS溶液中連續(xù)激發(fā)60分鐘后仍保持可接受的衰減。

圖5. 金納米團(tuán)簇的穩(wěn)定性

 

圖6討論了對(duì)金納米團(tuán)簇在活體內(nèi)的成像研究。它指出了血管結(jié)構(gòu)和功能異�？赡軐�(dǎo)致的疾病，并強(qiáng)調(diào)了對(duì)血管疾病的準(zhǔn)確診斷和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的重要性。通過(guò)使用NIR-II成像技術(shù)，可以提供高分辨率、深層組織穿透的病理信息，對(duì)于疾病的診斷和監(jiān)測(cè)具有潛在價(jià)值。研究發(fā)現(xiàn)，特定類型的金納米團(tuán)簇在腦血管和四肢血管成像方面表現(xiàn)出色，同時(shí)在全身血管成像方面也有優(yōu)異表現(xiàn)。這些結(jié)果展示了該納米團(tuán)簇在NIR-II成像領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景。

 

總結(jié)一下，本文研究了含硫醇和硫化物配體的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系以及金納米團(tuán)簇的熒光性質(zhì)。配體的不同碳鏈顯示了對(duì)熒光強(qiáng)度的影響，具有較長(zhǎng)鏈的配體會(huì)使金納米團(tuán)簇具有更高的光穩(wěn)定性，并進(jìn)一步影響了過(guò)氧化物酶模擬活性（POD）、超氧化物歧化酶模擬活性（SOD）和催化活性（CAT）的選擇性。因此，Au8納米團(tuán)簇是通過(guò)采用配體工程來(lái)研究配體效應(yīng)的良好平臺(tái)，表明了調(diào)控?zé)晒膺x擇性和催化選擇性，闡明了配體和摻雜對(duì)光學(xué)性質(zhì)和酶模擬活性的聯(lián)合影響。摻雜的雙配體納米團(tuán)簇實(shí)現(xiàn)了對(duì)腦血管、四肢血管和脊柱的高空間分辨率和高信噪比的NIR-II成像，以及對(duì)腎臟清除的監(jiān)測(cè)。此外，具有良好酶模擬活性、抗氧化活性和良好生物相容性的Au8納米團(tuán)簇在干預(yù)與氧化應(yīng)激相關(guān)的疾病方面顯示出前景。

 

參考文獻(xiàn)

Guo, M.; Zhang, G.; Zhao, R.; Ma, H.; Yan, Y.; Yang, S.; Meng, J.; Huang, Y.; Zhang, X.-D.; Wang, H.; Zhang, R., Ligand Engineering of Gold Nanoclusters for NIR-II Imaging. ACS Applied Nano Materials 2023, 6 (17), 15945-15958.

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

 恒光智影

          上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為“國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)”，上海市“科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。

          恒光智影，致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。

          與基于可見(jiàn)光/近紅外一區(qū)的傳統(tǒng)熒光成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于近紅外二區(qū)范圍并整合CT, X-ray，超聲，光聲成像技術(shù)。

          可為腫瘤藥理、神經(jīng)藥理、心血管藥理、大分子藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，為用戶提供前沿的生物醫(yī)藥與科學(xué)儀器服務(wù)。