王君誠, 楊菲菲, 高冠斌, 孫濤壘,

Ag摻雜HgS量子點: 一種pH調(diào)諧的近紅外Ⅱ區(qū)熒光納米探針

王君誠1, 楊菲菲2, 高冠斌1, 孫濤壘1,2

(武漢理工大學(xué) 1. 材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室; 2. 化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院, 武漢 430070)

近紅外熒光特別是近紅外Ⅱ區(qū)(1000~1700 nm)熒光在生物體內(nèi)具有高組織滲透率、高時空分辨率、低背景熒光干擾和低光損傷的特點, 因此發(fā)展水溶性與生物相容性良好、量子產(chǎn)率高的長波段近紅外熒光探針意義重大。本研究制備了不同熒光發(fā)射的Ag摻雜HgS量子點(HgAgS量子點)。在不同pH溶液中制備的HgAgS量子點熒光發(fā)射峰位于近紅外Ⅱ區(qū), 且呈現(xiàn)規(guī)律性變化; 隨pH的增大, HgAgS量子點熒光發(fā)射峰先紅移而后藍(lán)移, 發(fā)射波長在pH 6時達(dá)到最大1110 nm; 原子吸收光譜表明在不同pH溶液中制備的HgAgS量子點, Ag的摻雜量(Ag/Hg比值)呈現(xiàn)出與熒光發(fā)射峰相同的規(guī)律性變化, 證明通過pH調(diào)控Ag的摻雜量從而調(diào)諧熒光發(fā)射峰的位置。HgAgS量子點的量子產(chǎn)率隨pH先增加后降低, 在pH 7時達(dá)到最大13.23%(em=1100 nm)。細(xì)胞毒性實驗表明Ag的摻雜量對HgAgS量子點的細(xì)胞毒性無明顯影響, 在1~50 μg/L濃度范圍內(nèi)均無明顯細(xì)胞毒性。本研究結(jié)果不僅為體內(nèi)進(jìn)行近紅外熒光成像提供了基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù), 而且為熒光納米探針的設(shè)計與制備提出了新的見解。

近紅外Ⅱ區(qū)熒光; HgAgS量子點; pH調(diào)諧; 熱注射法

熒光成像技術(shù)在生物體內(nèi)具有高時空分辨率、非侵入性好、可視化、低光損傷等優(yōu)點, 是目前最具發(fā)展前景的生物成像技術(shù)之一[1-3]。近紅外熒光(發(fā)射峰700 nm以上)不僅可以最大限度地避開有機體的自發(fā)熒光(通常在可見光區(qū))干擾[4-6], 而且具有更加優(yōu)異的組織穿透能力(波長越長, 光的穿透能力越強)。然而, 由于生物體本身缺乏可產(chǎn)生近紅外熒光的物質(zhì), 必須借助外來熒光探針材料才能進(jìn)行熒光成像。因此, 發(fā)展生物相容性良好, 熒光量子產(chǎn)率更高的近紅外熒光探針材料成為熒光成像領(lǐng)域的研究熱點和難點[7-8]。

當(dāng)前, 近紅外熒光探針材料主要有有機染料分子和無機納米粒子兩大類。與有機染料分子相比, 無機納米粒子探針具有熒光發(fā)射峰可調(diào)、高量子產(chǎn)率、熒光壽命長、高抗光漂白穩(wěn)定性等特點, 因而其在分子示蹤和熒光成像領(lǐng)域備受重視[9-11]。如, 利用HgS/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點對小鼠體內(nèi)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行成像, 熒光穿透深度達(dá)到2 cm, 且HgS/ZnS量子點熒光與自體熒光具有較高分辨度[12]; 采用PbS/CdS量子點在1600 nm的近紅外Ⅱ區(qū)對腫瘤小鼠進(jìn)行原位實時動態(tài)熒光成像[13]等。這些高水平的研究成果引領(lǐng)量子點材料成為近紅外熒光成像很有前景的造影劑。然而, 目前僅有上述幾種量子點材料被報道可用于近紅外熒光成像, 且其制備均需高溫油相, 過程復(fù)雜且能耗較高[14-15]。尚未見采用水相法在常溫下快速制備高量子產(chǎn)率的長波段(近紅外II區(qū)及以上)且生物相容性良好的近紅外熒光納米探針的報道。

本研究采用卡托普利作為配體, 在水溶液中通過熱注射法快速制備出粒徑約為5 nm的HgAgS量子點。通過調(diào)控制備過程中溶液的pH, 該量子點的熒光發(fā)射峰位置和熒光量子產(chǎn)率均呈現(xiàn)規(guī)律性變化, 即, 可通過pH調(diào)控Ag的摻雜量從而調(diào)諧熒光發(fā)射峰的位置。細(xì)胞實驗結(jié)果表明, Ag的摻雜量對HgAgS量子點的細(xì)胞毒性無明顯影響, 在1~50 μg/L范圍內(nèi)均無明顯細(xì)胞毒性。上述結(jié)果表明這種水溶性良好、熒光光譜可調(diào)且細(xì)胞相容性良好的HgAgS量子點有望成為一種新型近紅外Ⅱ區(qū)熒光探針。

1 實驗方法

1.1 HgAgS量子點的制備方法

在室溫下, 0.10 mmol HgCl2和0.20 mmol卡托普利分別溶解在10 mL超純水中, 然后加入至圓底燒瓶中混合攪拌30 min, 磁力攪拌速率為1200 r/min。1 mol/L NaOH溶液緩慢滴入混合溶液, 將溶液的pH調(diào)至10.0, 反應(yīng)30 min。最后緩慢加入1 mL Na2S水溶液(0.05 mmol Na2S·9H2O溶于1 mL超純水), 反應(yīng)60 min后結(jié)束, 得到HgS量子點。而后將溶液升溫至50 ℃, 將5 mL醋酸銀水溶液(0.05 mmol無水醋酸銀溶于5 mL超純水)緩慢滴入HgS量子點水溶液中。最后調(diào)節(jié)溶液pH至3.0~11.0, 反應(yīng)15 min, 得到在不同pH溶液中制備的HgAgS量子點。使用30 K超濾管超濾(轉(zhuǎn)速為8000 r/min, 時間為10 min), 超純水洗滌4次, 得到純凈的HgAgS量子點濃縮液, 冷凍干燥得到HgAgS量子點粉末。

1.2 材料測試與表征

HgAgS量子點的晶體結(jié)構(gòu)通過X射線衍射儀(XRD, 布魯克D8 ADVANCE)測定, 銅靶Kα輻射(0.154178 nm)。HgAgS量子點的形貌通過高分辨掃描透射電子顯微鏡(STEM, JEM-2100F)表征, 并用其附帶的EDS表征量子點的組分與結(jié)構(gòu), 測試時加速電壓為200 kV。HgAgS量子點的水合粒徑由動態(tài)光散射(DLS, 馬爾文Nano-ZS ZEN3600 Zeta Sizer)測得。HgAgS量子點的化學(xué)組成通過傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR,布魯克VERTEX 80 v)和X射線光電子能譜儀(XPS, ESCALAB 250Xi)分析得到。HgAgS量子點的熒光通過紫外–可見–近紅外熒光分光光度計(PL, Horiba Jobin Yvon Nanolog)測試。HgAgS量子點中Ag/Hg比值通過原子吸收光譜儀(AAS, Analytikjena AG CONTRAA-800)測定。材料及試劑, 熒光量子產(chǎn)率計算和細(xì)胞毒性測試詳細(xì)步驟見支持信息的實驗部分。

2 結(jié)果與討論

2.1 HgAgS量子點的組成和形貌表征

HgAgS量子點的晶體結(jié)構(gòu)通過XRD確定。如圖1(a)所示, HgAgS量子點在30.6°、31.0°、46.3°和56.2°處有明顯的衍射峰, 對應(yīng)于(012)、(10ˉ2)、(13ˉ2)和(10ˉ4)晶面, 與標(biāo)準(zhǔn)圖譜JCPDS, No.39-0328一致。高分辨TEM照片(圖1(b)和圖S1)顯示HgAgS量子點為粒徑分布均勻的球形且有明顯的孿晶晶格[16]。從不同區(qū)域的TEM照片中任意選擇的500個量子點統(tǒng)計其粒徑分布, 結(jié)果為(4.6±1.0) nm (圖1(d))。DLS結(jié)果顯示HgAgS量子點的水合粒徑約為5.0 nm (圖S2), 與對TEM照片信息的統(tǒng)計結(jié)果相符。

圖2(a)是掃描透射電子顯微鏡(STEM)中HgAgS量子點的高角環(huán)形暗場(HAADF)照片。圖2(b)是對應(yīng)于圖2(a)的EDS能譜圖, 證明HgAgS量子點是一種納米復(fù)合材料。圖2(d)顯示出三種元素Hg、Ag、S均存在于HgAgS量子點中。由圖2(c~f)所示, 三種元素均勻分布于HgAgS量子點中。XPS分析結(jié)果(圖S3)中, 通過對比HgS和HgAgS兩種量子點[17-18]的XPS全譜圖, 可見HgAgS量子點中有明顯的Ag 3d特征峰, 進(jìn)一步證明了Ag成功摻雜于HgS量子點。

圖1 HgAgS量子點的X射線衍射圖譜(a), 透射電子顯微鏡照片(b), 高分辨透射電鏡照片(c)和粒徑統(tǒng)計分布圖(d)

圖2 HgAgS量子點的掃描透射電子顯微鏡高角環(huán)形暗場照片(HAADF) (a)和能譜圖(b), 及其Ag(藍(lán)色)、Hg(紅色)和S(黃色)三種元素混合(c)和對應(yīng)的單一元素Ag(d)、Hg(e)和S(f)分布圖

HgAgS量子點的FT-IR光譜圖(圖3)顯示, 卡托普利包覆的HgAgS量子點與純卡托普利對比, 在2530 cm–1處的巰基(–SH)伸縮振動峰完全消失, 說明卡托普利成功修飾到HgAgS量子點的表面[19]。HgAgS量子點在1600 cm–1處羰基(C=O)伸縮振動峰消失, 并且指紋區(qū)的信號強度減弱甚至消失。這是由于形成的HgAgS量子點對修飾在其表面的卡托普利造成擾動, 進(jìn)一步證明本研究成功制備出了卡托普利包覆量子點的特征譜。HgAgS量子點中的Hg 4f和S 2p的電子結(jié)合能均變大, 說明Ag摻雜進(jìn)入了HgS量子點[20]。

2.2 熒光光譜及量子產(chǎn)率

PL測試結(jié)果顯示在pH為4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0和11.0八種不同溶液下制備的HgAgS量子點的熒光發(fā)射峰分別位于1078、1081、1110、1100、1000、998、994和993 nm(圖4(a)), 量子熒光發(fā)射峰的位置先隨著溶液酸性減弱而緩慢紅移至1110 nm(pH=6), 而后隨著溶液堿性的增加而藍(lán)移, 表明pH可調(diào)諧HgAgS量子點的熒光發(fā)射峰位置。AAS測試結(jié)果顯示, 在上述八種pH溶液下制備的HgAgS量子點的Ag/Hg比值分別為0.637、0.951、1.124、1.069、1.024、0.992、0.679和0.542(圖4(b)), Ag/Hg比值隨著酸性減弱先緩慢增加至1.124 (pH=6), 而后隨著堿性增加而減少, 這一規(guī)律與pH調(diào)諧HgAgS量子點的熒光發(fā)射峰位置的規(guī)律一致。上述結(jié)果表明溶液pH可調(diào)控Ag在HgAgS量子點中的摻雜量, 從而進(jìn)一步調(diào)諧其近紅外熒光發(fā)射峰的位置。另一方面, pH 7條件下制備的HgAgS量子點的熒光發(fā)射達(dá)到近紅外Ⅱ區(qū), 表明其有潛力作為近紅外熒光探針用于熒光成像[21]。

圖3 卡托普利和HgAgS量子點的傅里葉紅外變換光譜

圖4 激發(fā)波長為400 nm時在不同pH下制備的HgAgS量子點的熒光光譜(a)及其Ag/Hg值變化(彩圖見網(wǎng)頁)

HgAgS量子點的熒光量子產(chǎn)率如圖S4所示, 隨著pH的增大, 該量子點的熒光量子產(chǎn)率先增大后減小, 在pH=7時達(dá)到最大13.32%(em=1100 nm), 以上結(jié)果表明HgAgS量子點具有較高量子產(chǎn)率, 能夠在近紅外熒光成像時產(chǎn)生較強的信號。

2.3 HgAgS量子點的細(xì)胞毒性

本研究采用CCK-8比色法, 以傳至第六代(對數(shù)期)的大鼠胰島細(xì)胞瘤細(xì)胞(INS-1)檢測HgAgS量子點的細(xì)胞活性[22]。如圖5(a)所示, HgAgS量子點濃度在1~50 μg/L內(nèi), 細(xì)胞24 h的存活率在89%以上; 48 h后在76%以上。同時, 以鼠嗜鉻細(xì)胞瘤細(xì)胞(PC12細(xì)胞)、檢測不同Ag摻雜量的HgAgS量子點的細(xì)胞活性(圖5(b)), 結(jié)果顯示在0~50 μg/L范圍內(nèi)均無明顯細(xì)胞毒性。上述結(jié)果表明Ag在此濃度范圍內(nèi)的摻雜量對HgAgS量子點無明顯細(xì)胞毒性。

3 結(jié)論

本研究采用卡托普利作為穩(wěn)定劑, 通過熱注射法制備出具有近紅外Ⅱ區(qū)熒光的HgAgS量子點。Ag成功摻雜入HgS量子點進(jìn)而形成HgAgS量子點復(fù)合結(jié)構(gòu), 卡托普利修飾在HgAgS量子點表面。原子吸收光譜和熒光光譜表明溶液pH調(diào)控Ag的摻雜量從而調(diào)諧熒光發(fā)射峰的位置, 且HgAgS量子點熒光發(fā)射峰位置達(dá)到近紅外Ⅱ區(qū)。在pH 7時熒光發(fā)射峰位于1100 nm, 熒光量子產(chǎn)率達(dá)到最大13.32%。Ag的摻雜在1~50 μg/L范圍內(nèi)對HgAgS量子點的細(xì)胞活性無明顯影響, 均無明顯細(xì)胞毒性。本研究為pH調(diào)諧近紅外熒光探針的設(shè)計與制備提供了參考, 并為后續(xù)摻雜量子點用于的近紅外熒光成像打下了一定的基礎(chǔ)。

圖5 HgAgS量子點(pH=6.0制備)在不同時間下對INS-1細(xì)胞的細(xì)胞活性影響(a)和不同pH條件下制備的HgAgS量子點對PC12細(xì)胞的活性影響(b)

補充材料：

本文補充材料見https://doi.org/10.15541/ jim20190031.

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Ag doped HgS Quantum Dots: a pH-tunable Near-infrared-Ⅱ Fluorescent Nanoprobe

WANG Jun-Cheng1, YANG Fei-Fei2, GAO Guan-Bin1, SUN Tao-Lei1,2

(1. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. School of Chemistry, Chemical Engineering and Life Science, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Design and preparation of near-infrared (NIR) especially NIR-Ⅱ (1000–1700 nm) fluorescence probe with favorable biocompatibility and high quantum yield have become the focus of noninvasive fluorescent imaging in recent years. In this study, Ag doped HgS QDs (HgAgS QDs) were prepared at different synthetic pH. With the increase of pH, the fluorescence emission peak of the HgAgS QDs red-shifted and then blue-shifted, reaching a maximum emission wavelength of 1110 nm (QY=8.12%) at pH 6.0. Atomic absorption spectroscopy showed that the doping amount of Ag (Ag/Hg ratio) changed regularly in HgAgS QDs prepared at different pH solutions, which was consistent with change of fluorescence emission position. It was proved that pH could tune the position of fluorescence emission peak by adjusting the doping amount of Ag. Moreover, the quantum yield (QY) of HgAgS QDs increased firstly and then decreased, presenting an optimum of 13.23% (em=1100 nm) at pH 7.0. Cell viability tests demonstrated that the doping amount of Ag showedno significant effect on cytotoxicity. And all HgAgS QDs had no cytotoxicity at the concentration range of 1–50 μg/L, thus can be used as a pH-tunable NIR-Ⅱ fluorescent probe. These findings provide a promising application in the NIR fluorescent imaging and an interesting insight into the design and preparation of the NIR-Ⅱ fluorescence nanoprobe.

NIR-Ⅱ fluorescence; HgAgS quantum dots; pH-tunable; hot injection

TQ174

A

1000-324X(2019)11-1156-05

10.15541/jim20190031

2019-01-16;

2019-04-18

國家自然科學(xué)基金(21805218, 51873168, 51533007, 21975191); 湖北省自然科學(xué)基金(2018CFA002, 2018CFB348)National Natural Science Foundation of China (21805218, 51873168, 51533007, 21975191); Natural Science Foundation of Hubei Province (2018CFA002, 2018CFB348)

王君誠(1993–), 男, 碩士研究生. E-mail: wangjuncheng@whut.edu.cn

高冠斌, 副研究員. E-mail: gbgao@whut.edu.cn; 孫濤壘, 教授. E-mail: suntl@whut.edu.cn