碳量子点在活体光学成像(中文翻译).docx

碳量子点在活体光学成像Sheng-Tao Yang, Li Cao, Pengju G. Luo, Fushen Lu, Xin Wang, Haifang Wang,*,Mohammed J. Meziani, Yuanfang Liu, Gang Qi, and Ya-Ping Sun*,新型材料和技术化学系实验室，克莱姆森大学，南卡罗来纳州克莱姆森，29634 - 0973，北京分子科学国家实验室，化学生物学部门，化学与分子工程学院，北京大学，北京100871，中国，以及纳米化学方面前沿研究所，上海大学，上海200444,中国Received June 13, 2009; E-mail: ;最近在高荧光纳米材料作为光造影剂在体内成像的发展中有了显著的发现。1理想的显像剂应该是明亮的、无毒的、生物相容的，并且对漂白稳定。其中这些广泛的研究是基于半导体量子点（QDS），例如CdSe|ZnS。2对于传统的有机染料量子点使用的基本原理是现在普遍接受的文献。3在肿瘤血管，肿瘤特异性膜上抗原、前哨淋巴结等的研究中已经有成功的量子点体内成像演示。2.4含有镉或其他重金属的半导体量子点因为具有显著的毒性而闻名于世，即使在相对低浓度下依旧如此，5.6这可能证明了它们被禁止于任何病人的研究。因此，寻找良性的替代品仍在继续。最近的新发现特别令人感兴趣也很有意义，即小的碳纳米颗粒通过有机或生物分子可能会表面钝化进而成为强荧光。7这些荧光碳纳米颗粒7.8被称为“碳点”（C-dots，图解1），被认为是物理化学和光化学稳定的、无闪烁的。碳粒子芯也可以与无机盐掺杂如表面功能化前的ZnS以显著提升荧光亮度（CZnS-Dots，图解1）。9这些碳点已经成功用于体外细胞成像和双光子激励。7,9,10图解1碳几乎不会被认为是一种本质有毒元素。从正在进行的小鼠PEG功能化C-7点低聚毒性评价提供的成果中得出碳没有有意义的毒性作用，11这提高了体内生物相容性的前景以及碳点的用途。在这里，我们报告的第一项研究的碳点活体光学成像。结果表明，碳在溶液中的荧光点不仅是明亮的，如此前报告7,9，而且在活体小鼠中也是很乖的造影剂。正如先前的报道，C-dots和Czns点与聚乙二醇二胺，H2NCH2（CH2CH2O）nCH2CH2CH2NH2（N35，PEG1500N）作为表面钝化剂的制备和表征。7,9,10图1所示为有代表性的原子力显微镜（AFM）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）的碳点图像。两个样品都很容易溶于水，形成稳定的水溶液，适用于各种下面介绍的注射。图一 AFM在云母中的形貌图像（左）C-dots和（右）Czns点；插图显示各个点对应的结构图像对于皮下注射，剃光雌性DBA / 1小鼠（25克）围绕注射点后面的区域。在注射的C点溶液（30微克碳芯相当于30L）或30微升CZnS-点方案（65微克），在活体成像系统lumazone FA（MAG公司）用470 nm（40 nm FWHM）激发和525 nm（47 nmFWHM）排放过滤器对小鼠进行了成像。如图2所示，从C-Dots CZnS-Dots中,荧光皮下注射的老鼠表现出明亮的图像。后者的相对荧光强度与溶液相的先前报道的结果一致。9小鼠体内注入的碳点扩散相对缓慢，荧光在大约24h后褪色消失。碳点可以在较长的红色波长下激发荧光发射。对于同样的皮下注射老鼠，从C-Dots 和CZnS-Dots（如图2）看成像结果与545 nm（29 nm FWHM）激励和620 nm（59 nm）发射滤波器也表现出显著的荧光。图二 皮下注射（上）C-dots（下）Czns点；（a）亮视场，（b，d），为检测到的荧光（激发/发射波长表示），以及（c，e）的彩色编码图像（ImageJ来自美国国立卫生研究院）czns点的亮绿色荧光被用于成像来通过淋巴管跟踪迁移。在皮内注射到前末端（每10L中10g），碳点沿臂迁移（如图3）。不同于半导体量子点例如CdSe/硫化锌，它可以在几分钟内迁移到腋窝淋巴结，经观察4c中的碳点迁移较慢。这可能是由于碳点的小尺寸（在4-5 nm量级）或与其表面功能化挂钩，其蛋白特性可能降低淋巴细胞的碳点的相互作用。腋窝淋巴结被收获并且在24小时接受解剖和从碳点显示容易检测到荧光（如图3）。图三 CZnS-点的皮内注射：（a）明场，（b）检测到的荧光，以及（c）彩色编码图像。插图：解剖（在圆形区域），腋窝淋巴结（LN）一份碳点溶液（每200L中440g）被静脉注射到小鼠全身循环。小鼠腹部器官被剃光以便观察在循环过程中的荧光检测点，但仅从膀胱区的排放进行了观察（如图4）。在大约3h后，尿液在成像设备中可见明亮的荧光（如图4）。结果表明，静脉注射碳点主要经尿排泄，排泄途径已在聚乙二醇纳米粒的文献中广泛报道，特别是对于非常小的颗粒像这里所用的那些。12静脉注射的器官于4h后收获进行体外成像分析。只有解剖的肾脏和肝脏从碳点中表现出有意义的荧光，而且比之前的更亮（如图4），这与尿液排泄途径一致。在解剖肝脏中相对较弱的荧光是一个表明碳点低积累水平的迹象。而一般意义的纳米粒子和纳米管的肝摄取在许多研究中已被广泛观察和讨论，13这里的低积累可能会再次归因于有效的表面PEG化可能降低蛋白的亲和力，使碳点隐身就肝摄取。图四 碳点的静脉注射：（a）明场，（b）荧光检测（BL，膀胱；Ur，尿），（c）彩色图像，顺序相同的用于解剖肾脏的图像（(a-c）以及解剖肝脏的图像（a-c）所有报告的动物实验均在克莱姆森大学严格按照IACUC的批准的协议进行的。在实验过程中，没有动物表现出任何急性毒性反应的迹象。总之，研究结果表明，碳点以不同的方式注入老鼠体内仍表现出强烈荧光，再加上它们的生物相容性和无毒特性，可能会为光学成像以及相关的生物应用提供巨大的潜力。致谢：我们感谢希拉里希克斯MAG生物实验的帮助。这项工作是由苏珊科曼乳腺癌基金会博士后奖学金奖（L.C.和Y.-P.S.）和美国国立卫生研究院（Y.-P.S.）主要支持。.我们也承认国家自然科学基金委和中国科技部为我们提供了金融支持。支持信息提供：完整的编号7和额外的实验细节。这些材料可免费通过互联网在获得。参考文献(1) De, M.; Ghosh, P. S.; Rotello, V. M. AdV. Mater. 2008, 20, 42254241.(2) Michalet, X.; Pinaud, F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li,J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; Gambhir, S. S.; Weiss, S. Science 2005,307, 538544.(3) (a) Alivisatos, A. P. Science 1996, 271, 933937. (b) Chan, W. C. W.;Nie, S. Science 1998, 281, 20162018.(4) (a) Smith, B. R.; Cheng, Z.; De, A.; Koh, A. L.; Sinclair, R.; Gambhir,S. S. Nano Lett. 2008, 8, 25992606. (b) Gao, X.; Cui, Y.; Levenson, R. M.;Chung, L. W. K.; Nie, S. Nat. Biotechnol. 2004, 22, 969976. (c) Kim, S.;Lim, Y. T.; Soltesz, E. G.; Grand, A. M. D.; Lee, J.; Nakayama, A.; Parker,J. A.; Mihaljevic, T.; Laurence, R. G.; Dor, D. M.; Cohn, L. H.; Bawendi,M. G.; Frangioni, J. V. Nat. Biotechnol. 2004, 22, 9397.(5) Hardman, R. EnViron. Health Perspect. 2006, 114, 165172.(6) Lin, P.; Chen, J.-W.; Chang, L. W.; Wu, J.-P.; Redding, L.; Chang, H.;Yeh, T.-K.; Yang, C. S.; Tsai, M.-H.; Wang, H.-J.; Kuo, Y.-C.; Yang,R. S. H. EnViron. Sci. Technol. 2008, 42, 62646270. (b) Geys, J.; Nemmar,A.; Verbeken, E.; Smolders, E.; Ratoi, M.; Hoylaerts, M. F.; Nemery, B.;Hoet, P. H. M. EnViron. Health Perspect. 2008, 116, 16071613.(7) Sun, Y.-P.; et al. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 77567757.(8) (a) Liu, H.; Ye, T.; Mao, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 64736475.(b) Zhou, J.; Booker, C.; Li, R.; Zhou, X.; Sham, T.-K.; Sun, X.; Ding, Z.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 744745. (c) Zhao, Q. L.; Zhang, Z. L.;Huang, B. H.; Peng, J.; Zhang, M.; Pang, D. W. Chem. Commun. 2008,51165118. (d) Bourlinos, A. B.; Stassinopoulos, A.; Anglos, D.; Zboril,R.; Karakassides, M.; Giannelis, E. P. Small 2008, 4, 455458. (e) Hu,S.-L.; Niu, K.-Y.; Sun, J.; Yang, J.; Zhao, N.-Q.; Du, X.-W. J. Mater.Chem. 2009, 19, 484488.(9) Sun, Y.-P.; Wang, X.; Lu, F.; Cao, L.; Meziani, M. J.; Luo, P. G.; Gu, L.;Veca, L. M. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1829518298.(10) Cao, L.; Wang, X.; Meziani, M. J.; Lu, F.; Wang, H.; Luo, P. G.; Lin, Y.;Harruff, B. A.; Veca, L. M.; Murray, D.; Xie, S.-Y.; Sun, Y.-P. J. Am.Chem. Soc. 2007, 129, 1131811319.(11) Yang, S.-T.; Wang, X.; Wang, H.; Lu, F.; Luo, P. G.; Cao, L.; Liu, J.-H.;Liu, Y.; Chen, M.; Huang, Y.; Sun, Y.-P. Unpublished results.(12) Choi, H. S.; Liu, W.; Misra, P.; Tanaka, E.; Zimmer, J. P.; Ipe, B. I.;Bawendi, M. G.; Frangioni, J. V. Nat. Biotechnol. 2007, 25, 11651170.(13) Li, S.-D.; Huang, L. Mol. Pharm. 2008, 5, 496504支持信息：碳量子点在体内光学成像Sheng-Tao Yang, Li Cao, Pengju G. Luo, Fushen Lu, Xin Wang, Haifang Wang,*Mohammed J. Meziani, Yuanfang Liu, Gang Qi, Ya-Ping Sun,*新兴技术和材料化学实验室部，克莱姆森大学，南卡罗来纳州29634-0973，美国北京国家实验室分子科学，化学生物学系，化学与分子学院工程，北京大学，北京100871，中国，和纳米化学研究所，纳米生物学，上海大学，上海200444，中国1、完整的参考7：Sun, Y.-P.; Zhou, B.; Lin, Y.; Wang, W.; Fernando, K. A. S.; Pathak, P.; Meziani, M. J.; Harruff,B. A.; Wang, X.; Wang, H.; Luo, P.G.; Yang, H.; Kose, M. E.; Chen, B.; Veca, L. M.; Xie, S. Y.J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 7756-7757.2、更多实验细节：前体碳纳米颗粒。炭黑（5g）在一份硝酸水溶液中（2.6M，400ml）回流12小时。通过透析膜中和大量淡水（分子量截止大约为5000），然后在1000g中离心5分钟。保留上层清液，蒸发除去水，在真空烘箱中干燥。碳量子点。前提碳纳米颗粒（100毫克）在氮气保护下6h内加入亚硫酰氯(15毫升)，紧随其后的是一个完整的旋转蒸发去除多余的亚硫酰氯。将所得样品用PEG1500N（Fluka公司-Aldrich公司），加热到110下混合，并在氮气保护下剧烈搅拌72小时，将反应混合物冷却到室温，然后分散在水中，通过离心在25000g中保留上清液，从中得到了C-Dots水溶液或固体(在除水状态下)。Czns点。前体碳纳米颗粒（600毫克）与超声波的助剂（VWR模型250D）处理30分钟分散在二甲基甲酰胺（DMF，200mL）中。在剧烈搅拌下，向悬浮液中加入乙酸锌二水合物（680毫克），随后在室温下缓慢滴加含水硫化钠溶液（0.62M，5mL），将3000g混合物离心保留沉积物。将样品反复用蒸馏水洗涤，接着在旋转蒸发器中除去水，然后在真空烘箱中干燥24小时。通过超声处理30分钟后，由此得到的样品的一部分（200毫克）分散在十二烷基硫酸钠（1（重量），120毫升）的水溶液中。过滤（0.1m微孔微孔膜过滤器，vvpp），滤饼用清水反复洗净，然后晾干。由此产生的样本混合peg1500n（Fluka奥德里奇），在氮气保护下，加热到110C，大力搅拌72 h。反应混合物冷却至室温，分散在