金纳米星:无表面活性剂合成，3D建模和双光子发光成像外文翻译资料

金纳米星:无表面活性剂合成，3D建模和双光子发光成像

原文作者 Hsiangkuo Yuan, Christopher G Khoury, Hanjun Hwang, Christy M Wilson, Gerald A Grant, Tuan Vo-Dinh

摘要：从实验和理论上理解对独特纳米系统-金纳米星-的光学和等离子体性质的控制，可以为生物医学应用提供卓越的设计和制造。在这里，我们提出了一种新的、无表面活性剂的生物相容性金纳米星的合成方法，该方法具有可调节的几何形状，使等离子激元带可以调谐到最适合活体成像的近红外区的“组织诊断窗”。对多分支三维纳米星进行了理论模拟，得到了与实验结果一致的吸收光谱。等离子激元带的移动归因于分枝长宽比的变化，并且等离子体激元带随分枝数、分枝长度和总星形尺寸的增加而增强。纳米星表现出极强的双光子光致发光(TPL)过程。对BT549乳腺癌细胞上的麦胚凝集素(WGA)功能化纳米星和在血管中循环的聚乙二醇化纳米星的TPL成像，在实验室小鼠研究中，通过体内的背窗室进行了检查，结果表明，金纳米星可以作为生物成像应用的有效造影剂。

1.引言

等离子体金纳米颗粒(AuNPs)具有良好的生物相容性、化学稳定性和等离子体可调整性，具有巨大的生物应用潜力。由于它们的表面共振等离子体激元强烈依赖于尺寸和几何形状，所以人们已经开发了许多方法来制备各种类型的AuNPs^[1-4]。特别地，纳米壳、纳米棒、纳米笼、纳米星和空心纳米球的等离子体可以调谐到近红外(NIR)区域^[5-10]，有利于活体应用是因为在该光谱范围内具有优越的组织穿透性^[11，12]。形状独特的纳米颗粒已被用作光学生物成像技术中的造影剂^{[3，13，14]}，以及用于癌症治疗的光热传感器^[7，15-18]。到目前为止，由于定制生物应用的需求增加，针对特定应用定制AuNP的等离子激元仍然是一个活跃的研究领域。

星形的AuNPs(“纳米星”)具有可调谐到近红外区的等离子激元带，该结构包含多个锋利的分支，它们充当“避雷针”，极大地增强了局部电磁场^[19-24]。根据以前在二维模型中的计算，等离子体激元共振波长与分支相关^{[9，25，26]}。纳米星等离子体激元是由每个分支的等离子体激元杂交产生的，而等离子体激元峰值强度取决于偏振角^[25]。在一个简单的双分支模型中，分支角度和半径是决定等离子体激元移动的主要因素^[26]。然而，要理解由8-10个分支组成的真实纳米星的等离子体激元行为，需要一个更精细的多分支模型来解释随机入射偏振。到目前为止，还没有对纳米星进行如此广泛的3D建模的报道。然而，基于纳米星的两个重要属性，近红外等离子体激元和尖端的强近场增强，它们在各种生物医学领域的应用非常广泛，包括表面增强拉曼光谱(SERS)^{[19，20，27-35]}，光动力疗法^[36]，光热疗法^[18]，光声成像^[33]，生物传感^[37]和磁动能成像^[38]。

为了促进纳米星的生物应用，在水介质中无表面活性剂的生物相容性纳米星的合成引起了人们的极大兴趣。自2003年以来，主要以聚N-乙烯基吡咯烷酮(PVP)或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，采用了几种“一锅法”或“种子介导法”进行合成^{[9，10，21-23，25，26，30，37-41]}。由于银离子在金种子的某些晶面上的低电位沉积^{[22-24，39，42，43]}，银离子也被加入以改善产量和形状。多个分支的形成被认为与表面活性剂或银离子对某些小平面的阻挡有关，从而导致孪晶纳米颗粒的各向异性生长^{[22，23，30，44-46]}。不幸的是，纳米星的进一步使用受到以下因素的限制：(1)CTAB的潜在毒性，(2)多次洗涤后诱导聚集^[19]，以及(3)在生物功能化过程中难以更换表面活性剂PVP或CTAB^[21]。最近一份使用柠檬酸/对苯二酚作为还原剂/表面活性剂的报告举例说明了生物相容性纳米星在表面增强拉曼散射成像方面的潜力^[34]。因此，实现无表面活性剂的纳米STAR合成有可能绕过这些问题，并为纳米星的进一步应用开发提供重大进展。

纳米星的一个潜在的生物应用是光学成像。最近，来自非球形金纳米粒子(例如纳米棒、纳米壳、纳米笼、纳米星)的高效等离子体增强双光子发光(TPL)被用作对比机制^[6，47-53]。在这些近红外等离子体纳米粒子上已经观察到了TPL强度与激发功率的二次曲线关系和较宽的发射光谱，但在纳米星上尚未见报道。在金属纳米粒子上，等离子体激元带与入射激光的共振耦合极大地放大了纳米粒子的TPL，这源于电子-空穴对的复合^[54，55]。通常，等离子体共振使近红外吸收纳米粒子的双光子作用截面(TPACS)大大高于有机荧光团的双光子作用截面(TPACS)^[52]。因此，TPL可以应用于多光子显微镜，提供了一种使用近红外激发来可视化近红外吸收金纳米颗粒的便捷方法，这对于活体成像是更可取的^[12]。到目前为止，纳米星的TPACS仍然是未知的，它们在活体成像中的应用也没有报道。

在这篇论文中，我们展示了一种新的、简单的、无表面活性剂的湿化学方法，该方法可以制备高产率的单分散金纳米星。对它们的光学性质和等离子体可调谐性进行了实验研究，并与偏振平均三维有限元(FEM)模拟结果进行了比较。研究了纳米星的TPL行为以及生物分子功能化纳米星作为细胞和动物成像的强多光子造影剂的应用。

在这篇论文中，我们展示了一种新颖的，简单的，无表面活性剂的湿化学方法，可以产生高产量的单分散金纳米星。实验检测了它们的光学性质和等离子体可调谐性，并与偏振平均三维有限元模拟结果进行了比较。纳米星的TPL行为和使用生物分子功能化的纳米星作为细胞和动物成像的强多光子造影剂进行了研究。

2.实验详情

2.1.纳米星的合成与表征

所有化学品均从Sigma-Aldrich(St Louis,MO)购买，除非另有说明，否则按收到的方式使用。采用种子介导法生长纳米星。种子溶液在100 mL沸腾的1 M HAuCl₄溶液中加入15 mL的1%柠檬酸溶液，在剧烈搅拌下制成种子液。在保持溶液体积稳定的情况下，煮沸15 min后，冷却并用0.22 micro;m的硝酸纤维素膜过滤，然后在4 °C下长期保存。在纳米星合成中，将上述柠檬酸稳定的种子液(12plusmn;0.7 nm；A520：2.81)100 micro;L加入10 mL的0.25 mm氯化金(HAuCl₄)溶液(含10 micro;l的1M HCl)中，在室温下适度搅拌(700 rpm)。快速加入不同浓度(0.5-3 mm；根据AgNO₃最终浓度命名为S5、S10、S20、S30)的100micro;l硝酸银(AgNO3)和50micro;l抗坏血酸(AA；100 mm)。溶液被搅拌了30秒，它的颜色迅速从浅红色变成蓝色或绿黑色。随后，立即在15 mL试管中以3000-5000 RCF离心洗涤15 min以阻止成核。溶液在DI中重新分散，用0.2 2micro;m的硝酸纤维素膜过滤，然后在4 °C长期保存。为了获得大小和浓度相似但几何形状不同的纳米星，我们研究了多种因素，包括pH值、搅拌速度和AgNO₃、AA、HAuCl4和Seed的浓度比。一般来说，在较低的pH值、适中的旋转速度和AA/HAuCl₄比1.5~2的条件下合成的纳米星体产生的红移等离子体最多。更多的HAuCl₄或更少的种子通常会产生更大的纳米颗粒尺寸。用透射电子显微镜(TEM；Fei Tecnai G2 Twin，200kV)表征了纳米星的结构特征，并用ImageJ软件(National Institute of Health)进行了分析。使用NanoSight NS500(Nanosight Ltd UK)通过纳米颗粒跟踪分析(NTA 2.1；Build 0342)确定颗粒的流体动力学尺寸分布和浓度。使用双光束分光光度计(Shimadzu UV-3600; Shimadzu corporation, Japan)获得消光光谱。

2.2.纳米星3D建模

使用基于FEM的COMSOL MultiPhysical v3.4软件包和RF模块(COMSOL，Inc.Burlington MA，USA)进行3D纳米星模拟。使用从样品S5、S10、S20和S30的相应透射电镜图像获得的尺寸，为样品S5、S10、S20和S30中的每一个设计了独特的3D纳米星模型。对于特定的星形模型，分支垂直于核心表面突出，但随机放置在核心上，以最大化分支之间的距离。金的介电函数用Johnston和Christy的Lorentz-Drude模型来模拟^[56]，周围的介质被模拟为折射率n=1.33的水。计算区域被球形完美匹配层(PML)所包围，以防止任何反射回到纳米颗粒上。用电场振幅为1的z偏振入射平面波激发纳米星，沿y轴传播，波长范围为300-1200 nm。这些纳米颗粒经过网格化处理，使得纳米星表面的最大网目尺寸限制在3纳米以内，从而确保了高网格化密度和良好的空间采样。当纳米星在[x=y]平面上递增旋转30◦时，通过平均它们的吸收光谱来解释入射电场的取向关系，使得分支相对于z偏振入射场的方向变的随机。

2.3.纳米星的TPL表征及体内外成像

2.3.1.纳米星TPL鉴定

使用商用多光子显微镜(Olympus FV1000, Olympus America, Center Valley,PA)在光电倍增管(Hamamatsu, Bridge-water, NJ)上记录TPL图像，具有三个检测通道(420-460,495-540,575-630 nm)。使用飞秒钛宝石激光器(Chameleon Vision II，Coherent，Santa Clara，CA)，可调范围680-1080 nm，脉冲宽度140fs，重复频率80 MHz。激光束通过25times;1.05nA的水浸泡物镜(XLPL25XWMP,Olympus America, Center Valley, PA)聚焦。通过比较纳米星(DI0.1 nm)和罗丹明B(100 nm纯甲醇)在800 nm激发下的TPL，测量了金纳米星的TPACS。TPACS的单位为cm4s，其中1Gouml;eppert-Mayer单位(GM)代表10minus;50 cm4s光子minus;1。TPACS是荧光量子产率(phi;)和绝对双光子吸收截面(delta;)^[57]的乘积。TPACS是荧光量子产率(phi;)与绝对双光子吸收截面(delta;)[57]的乘积。纳米星的TPACS由

确定。其中FS和FR是纳米星和罗丹明B的综合发光/荧光强度，CS和CR是纳米星和罗丹明B的浓度，激发功率为2 mW。发光/荧光强度积分面积为250times;250micro;m2，分辨率为256times;256，分辨率为10micro;s/像素。在成像过程中，将样品溶液放在盖着盖子的凹陷幻灯片上。

2.3.2.纳米星TPL细胞成像

BT549癌细胞是维多利亚·西沃尔德博士提供的。细胞在RPMI 1640培养基(Invitrogen，Carlsbad，CA)含有10%胎牛血清、25毫米HEPES和0.023单位/毫升的胰岛素，放在(37 °C，5%二氧化碳)的培养箱中。实验中使用指数生长期的细胞。用一种双功能交联剂，将基于以前的研究，将纳米星与小麦胚芽凝集素结合，（Creative PEGworks; Winston Salem, NC) [58]。WGA对细胞膜上的糖蛋白和糖脂有很高的亲和力；因此，WGA缀合的纳米星可以标记细胞膜，并在细胞表面可视化。与SHPEG 5000(O-[2-(3-巯基丙氨基)乙基]O0-甲基聚乙二醇，分子量5000)共轭的纳米星用作对照。将功能化的纳米星洗涤并重新悬浮在磷酸盐缓冲盐水(PBS)中至最终浓度为0.1 nM。细胞用多聚甲醛(4%，10分钟)固定，用10%胎牛血清封闭3分钟，用PBS洗涤两次。然后，用WGA-纳米星或聚乙二醇-纳米星孵育10分钟，然后用PBS洗涤两次。根据公司协议(Invitrogen；Carlsbad, CA)。双光子成像在1%透射率、10秒/像素和512 times; 512分辨率下进行，采用四帧卡尔曼平均。所有三个通道都设置为550增益(对于WGA-纳米星)或600增益(对于PEG-纳米星)和8单位的偏移。

2.3.3.纳米星TPL动物成像

纳米星(S30)100 mL经两次离心洗涤后，在PBS中进行聚乙二醇化，浓缩至50 nm。雌性CD31nu/nu小鼠腹腔注射氯胺酮/赛拉嗪(10/100 mg/kg)麻醉。然后将麻醉动物放在加热架上，将体温维持在37 ◦C，在50micro;l聚乙二醇化纳米金(50 NM)逆行眼眶注射(RO)后，进行双光子成像。另一只小鼠注射50micro;l PBS RO作为对照。所有程序都得到了杜克大学机构动物保护和使用委员会的批准。

图1 (顶部)不同Ag 浓度(S5：5micro;M、S10：10micro;M、S20：20micro;M、S30：30micro;M)下形成的纳米

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[598105]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word