用于NIR-II成像的金納米團簇配體工程

本文要點：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，但開發(fā)安全、光穩(wěn)定、高亮度的分子探針仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。由于其超小的尺寸，腎臟可以高效地將其清除，金納米團簇顯示出巨大的臨床潛力。這項工作系統(tǒng)地探討了不同配體對金納米團簇的發(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）保護的金納米團簇具有最強的熒光，而由巰基丙酸（MPA）和硫化鈉（Na2S）保護的金納米團簇顯示出最弱的NIR-II信號。金納米團簇可以可靠地為大腦血管、后肢血管和脊柱進行體內(nèi)成像，并監(jiān)測到高腎臟清除率。穩(wěn)定的納米團簇使得后肢成像的時間窗口達到125分鐘，脊柱成像達到270分鐘，在全身成像的信噪比高達11，并且在注射劑量為50毫克/公斤時顯示出高效的腎臟清除和低毒性。

 

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圖1顯示了制備不同金屬摻雜的Au納米團簇，并通過紫外-可見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態(tài)光散射測定了這些納米團簇的尺寸，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)這些納米團簇的信息，這些研究結(jié)果對于了解納米團簇的性質(zhì)和應(yīng)用具有重要意義。

圖1. 金納米團簇的物理特性表征

 

圖2描述了傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）和拉曼光譜對摻雜了Ag和Cd的Au納米團簇進行了表征。FT-IR顯示了CO基團的拉伸振動以及−OH和C−H的振動峰，但未觀察到−SH振動峰，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的Au納米團簇，發(fā)現(xiàn)引入MHA會導(dǎo)致特定的峰值變化。此外，通過X射線光電子能譜（XPS）研究了納米團簇的表面元素價態(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)合能位于零價和二價價態(tài)的中間位置，表明除了Au−Cd鍵之外還存在Cd−S鍵，這有助于促進生物催化作用。

圖2. 納米團簇的結(jié)構(gòu)特性表征

 

圖3介紹了使用密度泛函理論（DFT）進行了理論計算，以解釋金納米團簇的發(fā)光和催化機制，采用了帶有配體的三維幾何結(jié)構(gòu)的金納米團簇來模擬實驗結(jié)果。通過計算摻雜形成能評估了結(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。計算了Au8和Au7Cd1納米團簇的能級，發(fā)現(xiàn)Au8納米團簇呈現(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，通過電子局域函數(shù)（ELF）分析了活性位點周圍的電子分布，顯示了Cd作為電子供體的特性，促進了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。

圖3. Au納米團簇的密度泛函理論計算

 

圖4討論了金納米團簇在近紅外（NIR-II）熒光方面的特性。金納米團簇的熒光來源于金核內(nèi)部的量子效應(yīng)以及核心與表面配體之間的相互作用，通過改變表面配體和金屬原子摻雜來調(diào)節(jié)金納米團簇的熒光性質(zhì)。實驗結(jié)果表明，單原子摻雜和配體結(jié)合顯著影響了金納米團簇的熒光強度，Cd摻雜在特定配體下表現(xiàn)出最高的熒光強度。另外，雙配體結(jié)合也提高了金納米團簇的亮度。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簇的亮度，由于其具有強烈的量子尺寸效應(yīng)和分子般的電子狀態(tài)。Cd和Ag單原子摻雜增強了金納米團簇的發(fā)光強度。

圖4. 不同配體下金納米團簇的熒光特性

 

圖5討論了對金納米團簇的光穩(wěn)定性進行的測試以及其在生物成像中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，金納米團簇在復(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和在導(dǎo)帶內(nèi)的弛豫過程使得金納米團簇具有長時間穩(wěn)定的光致發(fā)光特性。實驗結(jié)果表明，在不同溶劑和溫度條件下培養(yǎng)一周后，其近紅外熒光強度幾乎沒有下降。此外，金納米團簇在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. 金納米團簇的穩(wěn)定性

 

圖6討論了對金納米團簇在活體內(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，并強調(diào)了對血管疾病的準確診斷和實時監(jiān)測的重要性。通過使用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，對于疾病的診斷和監(jiān)測具有潛在價值。研究發(fā)現(xiàn)，特定類型的金納米團簇在腦血管和四肢血管成像方面表現(xiàn)出色，同時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)系以及金納米團簇的熒光性質(zhì)。配體的不同碳鏈顯示了對熒光強度的影響，具有較長鏈的配體會使金納米團簇具有更高的光穩(wěn)定性，并進一步影響了過氧化物酶模擬活性（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納米團簇是通過采用配體工程來研究配體效應(yīng)的良好平臺，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簇實現(xiàn)了對腦血管、四肢血管和脊柱的高空間分辨率和高信噪比的NIR-II成像，以及對腎臟清除的監(jiān)測。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

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.

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