供稿|  焦龙、张晓晔

编辑|  Norah、孙平

校阅|  Lucy、Joanna

 

二氧化硅粒子具有热力学和化学稳定性、光学透明性和良好生物相容性，且价格低廉，将近红外染料掺杂于内部得到的荧光二氧化硅纳米粒子（以下简称FSNPs）已成为近红外荧光成像领域的研究热点。尽管FSNPs具备种种优势，但目前报道的FSNPs仍存在一些缺陷，就是光稳定性较差，且荧光寿命和亮度不够理想。

 

为攻克荧光寿命、发光强度、稳定性这三大难题，大连理工大学精细化工国家重点实验室宋锋玲课题组，于近期提出一种新策略——利用分子工程协同纳米材料改性，来强化FSNPs的光物理性能，并最终实现了FSNPs在肿瘤细胞内长时间、高亮荧光成像和稳定的光动力治疗（PDT）。

 

本次“前沿用户报道”就将带领大家走进宋教授课题组的研究过程。

 

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分子工程+纳米材料改性，一种新策略的提出

 

早期研究人员对染料光物理性能的提升，普遍采用分子工程策略对染料分子结构进行改造这一方法，以增加染料分子的稳定性；或是采用纳米技术制备新型纳米材料，以减少信号淬灭。但受外部环境影响，单纯地采用单一策略均有局限性。

011、分子工程  

分子工程着重于对分子内部进行修饰以增加荧光强度，像是合成位阻基团、三重态淬灭基团等。但这一方法忽略了一点，那就是仅通过内部修饰增加发光强度，并不能避免外部环境的干扰。对于荧光团分子来说，在处于分散态时极易受到外部微环境因素的干扰，如溶剂或氧气的淬灭作用而导致的量子产率降低和寿命减少，所以单纯利用分子工程策略提升荧光强度有一定局限性。

 

022、纳米改性  

分子工程着重于对分子内部进行修饰以增加荧光强度，像是合成位阻基团、三重态淬灭基团等。但这一方法忽略了一点，那就是仅通过内部修饰增加发光强度，并不能避免外部环境的干扰。对于荧光团分子来说，在处于分散态时极易受到外部微环境因素的干扰，如溶剂或氧气的淬灭作用而导致的量子产率降低和寿命减少，所以单纯利用分子工程策略提升荧光强度有一定局限性。

 

既然每种方法都有优势和局限，那么能否将分子工程和纳米材料改性策略结合起来对FSNP进行改性，以扬长避短，同时增强发光强度和稳定性呢？基于上述思考，团队成员开展了研究。

 

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制备：组合策略见成效

 

以共价掺杂的近红外氨基菁染料为例，团队成员通过分子工程策略对其进行分子结构优化设计，同时结合纳米材料改性策略在FSNPs内部构建“纳米疏水笼”结构，期望攻克FSNPs在水溶液中面临的问题。下图就展示了这一策略的两个重要合成过程：

图1. FSNPs内部构建的“纳米疏水笼”结构

 

最终制备的纳米粒子FSNPs为大小均一的球形形貌，粒径约30~40 nm，且在水溶液中具有良好的分散性和稳定性。

 

接下来，为了验证这一系列荧光二氧化硅纳米粒子的性能，团队成员对改性后的FSNPs进行了系列表征。

 

03

 

表征1：荧光淬灭和光漂白难题获攻克

 

 

为验证组合新策略可以强化FSNPs的光物理性能，研究人员对FSNPs在纯水中的荧光强度和光稳定性进行了测试，发现改性后的FSNPs在信号强度和稳定性两方面性质表现都非常优异。

 

如下图2，可以发现改性后的FSNPs染料在水溶液中的荧光强度提升了12.3倍，不仅如此，在抗光漂白能力方面也有了很大提升，从改性后的FSNPs在500 W碘钨灯光源辐照90 min后，仍能保留初始荧光强度的90%就能看出。

图2 （a）改性前后在水溶液中的荧光强度对比  

（b）改性前后在水溶液中的光漂白趋势

 

上述结果表明：增加染料分子中共价掺杂锚定位点和位阻基团数量，以及利用OTES构建的“纳米疏水笼”结构，这两种策略对强化FSNPs水中荧光强度和抗光漂白能力（稳定性）起到了显而易见的积极作用。

 

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表征2：荧光寿命提升，测试验证新策略可行性

 

为进一步验证上述组合新策略对荧光寿命的影响，接下来，研究人员使用HORIBA DeltaFlex超快时间分辨荧光光谱仪，测试FSNPs在室温下、水溶液中的发光寿命。

 

且为了更准确表征FSNPs的荧光寿命，团队人员对荧光寿命结果采用了双指数拟合——τ1（溶剂对荧光寿命的影响） 和τ2（纳米粒子内部结构对寿命的影响）两部分组成。结果发现：母体染料的荧光寿命表现为单一组分τ1，表明染料寿命直接受到溶剂的影响；而FSNPs采用平均荧光寿命进行计算，结果显示平均荧光寿命值逐渐增大。

 

由此可见：通过增加染料分子中共价掺杂锚定位点和构建内部 “纳米疏水笼”结构，可以调控纳米粒子内部微环境，对提升FSNPs水中荧光寿命起到了积极作用，再次验证了组合新策略的可行性。

 

05

 

临床验证：可实现高亮、稳定荧光成像

 

通过以上研究，我们已经验证了宋教授团队采用的分子工程和纳米改性组合策略，解决了稳定性、发光强度和寿命三个难题。接下来，为进一步了解该染料分子在临床应用中的可行性，研究人员分别验证了其在细胞中的成像效果以及稳定性。

 

团队成员利用共聚焦显微镜对其进行了成像测试，结果表明：这一染料分子亮度和生物稳定性都十分优异。

 

 

图3. 利用高性能纳米粒子FSNP-C对HeLa肿瘤细胞染色，并进行荧光成像研究；

图3a显示出FSNP-相比于其他实验组，具有最高的细胞内亮度；

根据图3b可发现，在时间序列模式下、激光光源连续扫描300 s后，仍保留有90.1%的初始细胞内荧光亮度，标明该新型染料分子具有较高的生物稳定性；

 

由上述表征可以得出结论：FSNP-C可实现长时间、稳定的高亮细胞荧光成像。

 

综上所述，研究人员以分子工程协同纳米材料改性新策略，成功制备出在水溶液中具有高荧光亮度、高光稳定性的纳米粒子FSNP-C。这种协同策略为调控FSNPs内部微环境、开发高性能FSNPs提供了崭新思路，也为其后续应用于肿瘤细胞的光动力治疗提供了坚实基础。

 

其实我们在做科研的过程中，很多时候只要能突破思维边界，也许就有意外不到的收获。科学研究就是在人类知识的边界不断突破，需要更多的智慧、勇气、创想以及实践。大连理工大学宋教授课题组亦如此，可以预见，未来除了生物成像，很多领域都将会因此受益。这也是科研人的高光时刻吧。

 

   关于仪器  

在本研究中，所有荧光寿命的测试表征均采用DeltaFlex荧光光谱仪。它操作简便，信号采集速度快，且能够满足ps~s的寿命范围测试，搭配不同检测器，可覆盖230~1700nm波长范围，能够满足本次实验要求。同时，不仅能完成寿命衰减曲线的采集，还能够对荧光寿命结果（荧光寿命衰减曲线拟合及寿命组成分析）提供准确分析，这为验证组合新策略对FSNPs光物理性能强化提供了可靠工具和有力证据！

 

06

 

文章作者&论文原文

 

该工作以Research Article形式发表在国际学术期刊ACS Central Science上。

第一作者：焦龙 博士生

通讯作者：宋锋玲 教授

文章标题：Constructing a Local Hydrophobic Cage in Dye-Doped Fluorescent Silica Nanoparticles to Enhance the Photophysical Properties.

文章作者：Long Jiao, Yongzhuo Liu, Xiaoye Zhang, Gaobo Hong, Jing Zheng, Jingnan Cui, Xiaojun Peng and Fengling Song

ACS Central Science, 2020, 6, 5, 747–759

Publication Date: April 21, 2020

原文链接：https://doi.org/10.1021/acscentsci.0c00071

 

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