碳量子点在活体光学成像

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1、碳量子点在活体光学成像Sheng-Tao Yang, f, f Li Cao, t Pengju G. Luo, t Fushen Lu, t Xin Wang, t Haifang Wang,*, f, Mohammed J. Meziani, t Yuanfang Liu, f, Gang Qi, t and Ya-Ping Sun*, t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Rece

2、ived June 13, 2009; E-mail: haifangw;syapingclemson.edu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，以6这可能证明了它们被禁止于任何病人

3、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

4、。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 (CH2CH20) 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。3 O O O.6 on1图一 AFM在云母中的形貌图像（左）C-dots和（右）Czns点；插图显示

5、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30 L）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 nmTWHM）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

6、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。图一皮下注射（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10p L中10p g）,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。

7、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）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200. L中440. g）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

8、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

9、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 http:/

10、pubs.acs.org 获得。参考文献(1) De, M.; Ghosh, P. S.; Rotello, V M. AdV Mater. 2008, 20, 4225-4241.(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, 538-544.(3) (a) Alivisatos, A. P. Science 1996, 271,

11、933-937. (b) Chan, W. C. W.;Nie, S. Science 1998, 281, 2016-2018.(4) (a) Smith, B. R.; Cheng, Z.; De, A.; Koh, A. L.; Sinclair, R.; Gambhir,S. S. Nano Lett. 2008, 8, 2599-2606. (b) Gao, X.; Cui, Y.; Levenson, R. M.;Chung, L. W. K.; Nie, S. Nat. Biotechnol. 2004, 22, 969 -976. (c) Kim, S.;Lim, Y. T.;

12、 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, 93-97.(5) Hardman, R. EnViron. Health Perspect. 2006, 114, 165-172.(6) Lin, P.; Chen, J.-W.; Chang, L. W.; Wu,

13、J.-P.; Redding, L.; Chang, H.;Yeh, T.-K.;Yang, C. S.; Tsai, M.-H.; Wang, H.-J.; Kuo, YC.; Yang,R. S. H. EnViron. Sci. Technol. 2008, 42, 6264-6270. (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, 1607-

14、1613.(7) Sun, Y.-P.; et al. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 7756-7757.(8) (a) Liu, H.; Ye, T.; Mao, C. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 6473-6475.(b) Zhou, J.; Booker, C.; Li, R.; Zhou, X.; Sham, T.-K.; Sun, X.; Ding, Z.J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 744-745. (c) Zhao, Q. L.; Zhang,乙 L.;Huang, B. H.; Peng

15、, J.; Zhang, M.; Pang, D. W. Chem. Commun. 2008,5116-5118. (d) Bourlinos, A. B.; Stassinopoulos, A.; Anglos, D.; Zboril,R.; Karakassides, M.; Giannelis, E. P. Small 2008, 4, 455-458. (e) Hu,S.-L.; Niu, K.-Y.; Sun, J.; Yang, J.; Zhao, N.-Q.; Du, X.-W. J. Mater.Chem. 2009, 19, 484-488.(9) Sun, Y.-P.;

16、Wang, X.; Lu, F.; Cao, L.; Meziani, M. J.; Luo, P. G.; Gu, L.;Veca, L.M. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 18295-18298.(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, 11318-11319.(11) Ya

17、ng, 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, 1165-1170.(13) Li, S.-D.; Huang,

18、 L. Mol. Pharm. 2008, 5, 496-504支持信息：碳量子点在体内光学成像Sheng-Tao Yang, f, f Li Cao, t Pengju G. Luo, t Fushen Lu, t Xin Wang, t Haifang Wang, f, ,*Mohammed J. Meziani, t Yuanfang Liu, f,十 Gang Qi, t Ya-Ping Sunt,*t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

19、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. YJ. 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（2.6

20、M，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110C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）。C点。前体碳纳米颗粒（600毫克）与超声波的助

21、剂（VWR模型250D）处 zns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，

22、加热到110 C，大力搅拌72 h。反应混合物冷却至室温，分散 在水中，然后25000g通过离心保留在上清液中，从中得到的水溶液或固体状态 czn*（除去水时）。测量。巴克斯特Megafuge （型号2630）和贝克曼-库尔特超速离心机（舰 L90K与类型90的Ti固定角转子）分别用于低速和高速离心。热重分析（TGA） 是在TA仪器Q500 TGA机进行。原子力显微镜（AFM）获得声交流模式在分子成 像picoplus系统配备了多功能扫描仪和纳米pointprobe NCH传感器图像。高度 剖面分析采用SPIP软件分布式辅助图像测量。紫外吸收光谱记录在岛津 uv2101-pc分光光度计。在SP

23、EX fluorolog-2发射光谱仪配备450 W氙灯光源 和一个由950 V时的操作r928p滨松光电倍增管探测器的光致发光光谱测定。在一个MAG生物系统Lumazone FA体内成像系统，该系统配备有通过液体光 导氙弧源（旭最大值-301），用于激励进行的体内荧光成像。带通滤波器被用于 激发和发射波长的选择。该探测器是一个CCD摄像头：内置到成像系统（普林斯 顿仪器PIXIS1024B数码CCD摄像头系统）。光学图像通过使用NIH-委托并供给 的 ImageJ 软件（http:/rsbweb.nih.gov/ij/）处理和分析。动物实验。所有动物实验均在克莱姆森大学严格按照IACUC的批准的方案进 行。雌性DBA/1小鼠（25 g）通过克莱姆森大学Godley斯内尔研究中心获得 （动物研究中心）。所有的老鼠都安置在塑料笼子（三个老鼠/笼），并保持在12 h 光/暗周期。食物和水都是随意提供的。适应一周后，老鼠被随机分成了三个组小 鼠各光学成像实验。