本文要點：NIR-II成像在醫學診斷和手術導航方面顯示出巨大潛力，但開發安全、光穩定、高亮度的分子探針仍然是一個巨大挑戰。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。這項工作系統地探討了不同配體對金納米團簇的發光和生物活性的影響。結果顯示由硫代乙酸（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成像，并監測到高腎臟清除率。穩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。

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光散射測定了這些納米團簇的尺寸，結果顯示它們具有小于2nm的核心尺寸和良好的分散性。電噴霧離子化質譜也提供了有關這些納米團簇的信息，這些研究結果對于了解納米團簇的性質和應用具有重要意義。

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，發現引入MHA會導致特定的峰值變化。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和含量，發現了Au−Cd鍵的形成以及Cd到Au的電子轉移。 Cd 3d5/2的結合能位于零價和二價價態的中間位置，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. 納米團簇的結構特性表征

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光和催化機制，采用了帶有配體的三維幾何結構的金納米團簇來模擬實驗結果。通過計算摻雜形成能評估了結構的穩定性，結果表明Cd摻雜的結構在能量上都是穩定的。計算了Au8和Au7Cd1納米團簇的能級，發現Au8納米團簇呈現出一種鍵間躍遷，發射峰位于約1000nm處。電子結構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（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，促進了電子轉移反應。

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部的量子效應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節金納米團簇的熒光性質。實驗結果表明，單原子摻雜和配體結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出最高的熒光強度。另外，雙配體結合也提高了金納米團簇的亮度。這些效應與表面配體的電子供應能力有關，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和分子般的電子狀態。Cd和Ag單原子摻雜增強了金納米團簇的發光強度。

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定性進行的測試以及其在生物成像中的應用。研究發現，金納米團簇在復雜的生理環境下保持了良好的活性和穩定性。形成離散的電子能級和在導帶內的弛豫過程使得金納米團簇具有長時間穩定的光致發光特性。實驗結果表明，在不同溶劑和溫度條件下培養一周后，其近紅外熒光強度幾乎沒有下降。此外，金納米團簇在808 nm激光照射下表現出良好的光穩定性，也在PBS溶液中連續激發60分鐘后仍保持可接受的衰減。

圖5. 金納米團簇的穩定性

圖6討論了對金納米團簇在活體內的成像研究。它指出了血管結構和功能異常可能導致的疾病，并強調了對血管疾病的準確診斷和實時監測的重要性。通過使用NIR-II成像技術，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測具有潛在價值。研究發現，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出色，同時在全身血管成像方面也有優異表現。這些結果展示了該納米團簇在NIR-II成像領域的潛在應用前景。

總結一下，本文研究了含硫醇和硫化物配體的結構與功能關系以及金納米團簇的熒光性質。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的良好平臺，表明了調控熒光選擇性和催化選擇性，闡明了配體和摻雜對光學性質和酶模擬活性的聯合影響。摻雜的雙配體納米團簇實現了對腦血管、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納米團簇在干預與氧化應激相關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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