應用案例｜超快光化學法制備超亮NIR-II量子點用于低劑量體內成像

瀏覽次數：1487　發布日期：2021-2-2　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

本文作者利用飛秒脈沖激光法制備了新型的“超亮Ag2S量子點”，實現了超低劑量注射下的動物活體再深層組織內的高分辨成像。

量子點作為一種半導體納米粒子，其吸收和發射光譜隨尺寸變化而變化，因此量子點在照明、顯示器、激光器和生物熒光成像等領域都有著十分重要的作用。硫化銀（Ag2S）作為典型的二元半導體，其帶隙較窄（約1.1ev），在近紅外區域具有熒光發射的性質，且由于其較低的毒性在近紅外二區成像方面具有較好的應用前景。傳統方法制備Ag2S量子點的量子產率低于1%，這是由于傳統的Ag2S量子點表面與結構缺陷以及量子點與溶劑相互作用引起的非輻射途徑增加，此外高溫條件是制備傳統Ag2S量子點所必需的，由于Ag離子具有較高的還原勢能，從而不可避免地形成Ag納米粒子，通過等離子體耦合使得Ag2S亮度降低，而較低的亮度會導致成像信噪比低，空間分辨率不高，為了解決這一問題，作者利用飛秒脈沖激光照射傳統方法制備的Ag2S量子點的氯仿溶液，在飛秒時間尺度上發生Ag+與CHCl3溶質分子的超快光化學反應，產生的AgCl分子附著在Ag2S納米粒子表面形成一層保護殼，減少了量子點的非輻射途徑，使得新制備的Ag2S“超亮點”量子產率相較傳統Ag2S量子點提升了80倍，PEG化后的“超亮點”可以生物安全級別的低激發功率激發（10mW/cm-2）和低劑量給藥（＜0.5mg/Kg），從而在深層組織實現高分辨成像。

基于傳統方法合成的Ag2S量子點，經過飛秒脈沖激光照射后，會發生肉眼可見的變化（圖1a），這種變化體現在吸收光譜上是位于400-500nm波段處傳統的Ag2S量子點有一個突出的肩峰（圖1b），此系Ag納米粒的等離子共振吸收，而“超亮點“無此吸收，這是因為經過飛秒脈沖激光處理后”超亮點“內的Ag納米粒轉化為AgCl保護殼。此外，作者還驗證了飛秒脈沖激光的最優照射時長為50min（圖1d&e），此外熒光壽命隨著照射時間的變化與量子產率的變化趨勢一致（圖1f）。

圖1：a）Ag2S量子點飛秒脈沖激光處理前（左）與處理后（右）的對比圖；b）Ag2S量子點與Ag2S超亮點吸收光譜；c）飛秒脈沖激光（50fs，90min，9W cm-2）處理前（左）和處理后（右）在808nm連續波激光激發下的熒光成像對比圖；d）飛秒脈沖激光不同照射時間下，Ag2S 的CHCl3溶液對應的NIR-II發射光譜。插圖顯示了808nm激光照射前后樣品歸一化后的發射光譜；e）飛秒脈沖激光不同照射時間下的量子產率（QY）的變化曲線；f）飛秒脈沖激光不同照射時間下的熒光壽命曲線。

為了探究此種現象的原因，作者分別研究了各種因素對實驗產生的影響。作者從飛秒激光功率、溶劑、是否含Ag納米粒以及不同脈沖時間等因素探討了可能的機理。首先是脈沖激光（50fs）的功率要適中，過低的功率（3W/cm-2）無法引起光化學反應，而過高的功率（100W/cm-2）又會導致樣品降解（圖2a）。其次，在正己烷、水、氯仿和甲苯中，只有氯仿能引起量子產率增加的現象（圖2b），如果Ag2S量子點不含有Ag納米粒，也不會產生此現象（圖2c），最后，脈沖間隔為50fs的條件下產生最優的結果。而持續照射的激光不引起任何變化甚至導致熒光減弱（圖2d）�；谝陨戏N種結果，作者給出了對產生這一現象可能的機理解釋，如下圖2e所示，當用808nm的飛秒脈沖激光照射時，Ag納米粒子雙光子吸收后會誘導產生高的自由電子密度，從而引起Ag粒子的庫侖爆炸，產生高反應活性的Ag+，并與CHCl3反應生成AgCl，附著在Ag2S上形成保護殼，低帶隙的Ag2S（0.9ev）表面覆蓋著的高帶隙（5.13ev）無機化合物AgCl保護層可大大減少氯仿溶質分子振動活化的非輻射躍遷，并防止淺或深中間能隙態形成的可促進非輻射去激發途徑的表面陷阱，從而促進熒光量子產率激增。

圖2：a）飛秒激光不同功率激發下的時間-熒光密度演化曲線（50fs）；b）不同溶劑條件下照射時間-熒光密度演化曲線；c）含有與不含Ag納米粒子的時間-熒光密度演化曲線；d）50fs、100fs、200fs、500fs以及持續照射條件下的時間-熒光密度曲線；e）可能的機理解釋示意圖

隨后作者進行了動物成像實驗，作者首先在Ag2S表面修飾PEG鏈并和傳統的Ag2S對比了熒光壽命（圖3a），為了證明“超亮點“的優異發光性能，作者選取了單壁碳納米管、稀土摻雜材料以及傳統的Ag2S量子點進行了動物成像實驗，如圖3b所示，在任何激發功率條件下，”超亮點“的發光性能最優，憑借于此，其信噪比是所有實驗組中最高的（圖3c&d）。小鼠左后肢血管成像進一步證實了該材料的優異性能，如下圖3f，兩只小鼠左后肢分別注射傳統Ag2S（左側）和”超亮點“（右側）后立即成像，15s后可以看到血管亮度有明顯差異，通過扣除背景熒光獲得凈信號圖像（圖3g），同時除以背景信號值獲得信噪比對比圖（圖3h），兩者均顯示出”超亮點“在提升信噪比方面具有更好的效果，對大隱動脈處的凈信號（圖3i）和信號-背景分布定量結果（圖3j）也顯示出相比于傳統Ag2S量子點，作者開發的新型Ag2S量子點將凈信號提升了60%，信噪比提升了90%。

圖3：a）PEG化傳統Ag2S量子點與“超亮點的近紅外熒光衰減曲線；b）不同近紅外熒光材料小鼠成像對比圖；c）激光功率-信噪比曲線；d&e）不同功率下小鼠成像對比圖和激光功率-信噪比曲線；f）兩只小鼠靜脈注射Ag2S點(左圖)和”超亮點“(右圖)前后15s的NIR-Ⅱ熒光圖像；g）凈信號圖像（由圖f中底部圖像扣除圖f中上方背景圖像得到）；h）信噪比對比圖(由圖f中底部圖像除以f中上方背景圖像得到)；i）& j）分別為在圖g和h中白色虛線所劃的大隱動脈的凈信號與信噪比對比圖。

最后，作者對所開發的新型Ag2S量子點進行了生物安全性實驗。作者對小鼠尾靜脈注射了總量為0.5µg（~0.5mg/Kg）的Ag2S量子點，該劑量比傳統Ag2S量子點的用量（6.6mg/Kg）少了一個數量級，這種成本節約型和低毒性的探針為未來的臨床轉化和應用打開了新的大門。小鼠全身成像后發現量子點大多數聚集在肝臟之中（圖4a），此外脾臟和心臟也有少許攝取（圖4b&c）,此外在小鼠的進食量、體重和體溫方面，進行連續檢測發現無明顯變化（圖4d&e&f）。生化指標方面，作者分別測量了谷丙轉氨酶（ALT）、谷草轉氨酶(AST)、血清堿性磷酸酶(ALP)、肌酸酐和膽紅素的第1和28天的含量變化，結果顯示無明顯指標改變，證明了作者所開發的新型Ag2S量子點在低劑量下的生物安全性。作者認為這是一個很有希望的結果，需要指出的是，新型Ag2S“超亮點“的臨床轉化需要進一步的毒性實驗，包括研究最大耐受劑量、清除途徑以及對生理、代謝、行為和認知的影響，這個過程將會是漫長的，但該研究結果可能為未來的臨床轉化奠定基礎并為其他研究人員帶來新的研究思路。

圖4：a）注射“超亮點“后不同時間點的NIR-Ⅱ成像圖；b）肝臟、脾臟、心臟和股動脈熒光強度-時間分布曲線；c）肝臟、脾臟、心臟與肺的NIR-Ⅱ與光學成像圖；d）、e）和f）分別為對照組與實驗組小鼠兩周內進食量、體重和體溫變化曲線；g）、h）、I）、j）和k）分別為實驗組小鼠第1和28天的ALT、ALP、AST、肌酸酐和膽紅素的含量變化。

參考文獻

Santos H D A, Gutiérrez I Z, Shen Y, et al. Ultrafast photochemistry produces superbright short-wave infrared dots for low-dose in vivo imaging[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 1-12.

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紅外二區小動物活體熒光成像系統 - MARS

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