邵元智教授团队在肿瘤诊疗纳米探针领域取得高水平研究成果
发光材料与器件应用
背景概述:
在肿瘤诊疗纳米探针领域，纳米金团簇因其生物相容性好，表面性质丰富，体内代谢速度快和光学性质独特等特点，在肿瘤的诊断和治疗领域有重要潜在应用。近年来，水溶性原子精确金纳米团簇的高效合成方法的诞生促进了对不同尺寸金团簇光学性质研究。从1nm的Au18纳米团簇到足以进行表面等离激元共振的Au279纳米团簇，科学家们揭示了各类不同尺寸的纳米金团簇的丰富光学性质。其中，纳米金团簇的光致发光因其在肿瘤靶向和细胞组织体内成像中的潜在应用而引起广泛关注。Au25(SR)18纳米团簇曾因其在近红外一区（NIR-I）和近红外二区（NIR-II）波段的双重发射以及光动力治疗作用而受到研究者青睐。然而，与其他掺杂的纳米团簇和有机荧光染料相比，Au25(SR)18纳米团簇较低的量子产率和荧光亮度都阻碍了其进一步应用。若需要取得较好的发光效率，Au25(SR)18纳米团簇的构建必须依赖于一些特定的配体，这使得它灵活性受到限制。Au22(SR)18纳米团簇曾经是生产Au25(SR)18纳米团簇的一种稀少的副产品，需要在电泳中分离出这种团簇，并且发现当其被可见光激发时，能在红色到NIR-I波段（600nm-800nm)具有很强的光致发光性能。近年来，Au22(SR)18纳米团簇的不同理论结构模型和实验制备流程应运而生，同时其发光性质被确定为磷光，并且发现金纳米团簇中的pH对光致发光性能有明显影像。然而，酸碱度对Au22(SR)18纳米团簇中磷光进行调制的关键机理尚未阐明。该研究对青霉胺（D-penicillamine）修饰的Au22(D-pen)18纳米团簇在溶剂-配体-金界面作用下的磷光受pH调节进行了理论计算和实验研究。在实验上成功合成Au22(SR)18纳米团簇，并测得其在酸性环境下的磷光量子产率高达7.39%，通过光学表征测得其于650nm-900nm处磷光性能在中性pH附近具有高的酸碱敏感性。采用含时密度泛函理论（TD-DFT）计算表明，在激发态弛豫过程中，表面配体的去质子化在单重态到三重态之间的系间窜越速率中起着重要作用，揭示了Au22(D-pen)18纳米团簇受pH调控的磷光形成机制：配体上羧基的去质子化导致团簇核心的电子结构改变，一方面极大地减少了自旋轨道耦合矩阵元，削弱了系间窜越速率；另一方面还破坏了探针的整体结构稳定性，使其激发态产生更多的非辐射弛豫，降低了磷光产率。以Au22(D-pen)18纳米团簇为实例，该部分研究在设计、表征、机理解析和应用的基础上，探究了纳米团簇各组元之间的相互影响对于整体光学响应性质的改变作用机理，对未来的纳米探针表面修饰，纳米探针平台设计具有理论指导价值。
图1. Au22(D-pen)18纳米团簇在透射电子显微镜及其能量散射谱仪（EDS）下的表征结果。(a) Au22(D-pen)18纳米团簇团簇整体电镜照，图中比例尺代表50nm。(b)Au22(D-pen)18纳米团簇局部高倍电镜照，图中比例尺代表10nm。(c)利用ImageJ软件对多张电镜照中纳米金团簇的几何平均费雷特直径（Feret diameter）进行测量和统计的结果柱状图，使用核密度估计（KDE）曲线拟合。(d)对Au22(D-pen)18纳米团簇进行能量散射谱仪测量，红色和棕色分别标记处金原子和硫原子的对应峰位。
图2. Au22(D-pen)18纳米团簇的光学性能表征。各曲线和散点颜色对应各图图例中的pH值。(a)不同pH值下，Au22(D-pen)18纳米团簇在可见光波段的吸收谱。(b)为(a)中蓝色虚线框的局部放大图。(c)不同pH值下，纳米金团簇在450nm波长激光器的激发下产生的红-近红外磷光强度曲线。(d)不同pH值下，纳米金团簇在450nm波长激光器的激发下产生的磷光强度随时间变化的衰减散点图。(e-f) 量子产率测量结果图，蓝色线和数据散点代表Au22(D-pen)18纳米团簇在入射光的激发后，整个溶液在积分球中出射的光。红色则代表溶剂水的本底信号。图中垂直的紫色虚线和绿色虚线划分出计算光吸收散射以及发射的波长区间。其中，纵轴代表信号强度，(e)是线性坐标而(f)是对数坐标；横轴代表光的波长。(g-h)由400nm激光器激发的，从左到右分别为pH=9，7和5的Au22(D-pen)18纳米团簇溶液照片，(g)为可见光波段相机拍摄，(h)为安装了850nm高通滤光片的近红外一区相机 （850nm-1000nm）拍摄。
图3. 实验结果与计算结果的比较。（a） Au22(D-pen)18纳米团簇结构，其中金原子和硫原子使用范德华表面展示，配体中的碳、氮、氧、磷均用CPK模型展示。（b）Au22(D-pen)18纳米团簇在酸性环境和碱性环境中的吸收光谱，（c）实验上，680nm处的磷光强度（紫色正方形）和计算的SOCME（绿色三角形）的对比折线图，图中绿色箭头分别指出了下文中将讨论的“质子化结构”（Protonated）和“去质子化结构”（Deprotonated）。
图4. （a） 质子化和去质子化结构的态密度（DOS）图（对应较大和较小SOCME）。实线和点曲线分别显示了质子化和去质子化结构中的DOS与能量的关系。曲线下方的短垂直线表示每个分子轨道的能量和组成。DOS图以两种结构的各分子轨道相对于HOMO的能量重新排列以方便对比。蓝色、红色、绿色、黄色和天蓝色对应于总密度、重叠密度、金原子的贡献、硫原子的贡献以及其余元素的贡献。实线中的红色箭头和点标出了OPDOS=0的分界点。（b）两种结构中S1和T1的激发态组态标记在分子轨道上（分子轨道的颜色标注与（a）中一样）。从HOMO-1到LUMO+1之间的前线轨道绘制在图的两侧。（c&d）在 Au22(D-pen)18纳米团簇的质子化（c）和去质子化的（d）结构模型上绘制的S1和T1之间的电荷密度差的等值面。等值面设置为0.00002原子单位。蓝色和绿色等值面分别对应从S1到T1的系间窜越过程中，电子密度的降低和增加。金原子和硫原子以CPK形式绘制，其余配体以透明棒形式绘制。
图5. 质子化（蓝色正方形）和去质子化的（红色三角形）结构的Au22(D-pen)18纳米团簇中的核原子（金和硫）上的基态马利肯电荷分布。垂直线将体系内原子的标号与每个原子的元素相对应。水平虚线标出±0.5马利肯电荷。对于金原子和硫原子形成的核心而言，一些金原子在去质子化结构中具有相对较大的净电荷（＞0.5），而质子化的结构将所有净电荷保持在±0.5以内。此外，与质子化的结构相比，去质子化结构中的硫原子带的负电荷相对更多。
图6. Mayer键级矩阵和电子定域化函数（ELF）的等值线热图。（a） Mayer键级矩阵。热图上的每个色块对应于由其横轴和纵轴对应标号的两个原子之间的Mayer键级。热图的左上半部分和右下半部分分别显示了去质子化和质子化结构的Mayer键顺序。沿着对角线红线对称排列的一对色块对应于每个结构中的一个化学键。（b-c）围绕19号硫原子及3号和8号的相邻金原子的ELF等值热图，其中（b）是质子化结构的一部分，（c）是去质子化的结构的一部份。（d-e）21号、23号、24号、25号和27号的金原子周围的ELF等值线热图。其中（d）是质子化结构的一部分，（e）是去质子化的结构的一部份。
图7. （a-c）：利用共聚焦激光扫描显微镜，对在含有Au22(D-pen)18纳米团簇溶液培养基中的培养的肿瘤细胞进行成像。图像大小为212.13微米×212.13微米，比例尺标记为50微米。激发光为405nm激光，（a）是发射光为600nm以上波长的红光与近红外光，（b）是可见光明场图像。（c）是（a）和（b）的叠加图像。（d-j）：在不同的激发和NIR扫描波长下（在每个图像中分别记为为Ex.和Em.），荷瘤小鼠的明场和近红外一区信号图像的叠加。颜色表示测量得到的近红外发射的辐射效率，与磷光强度成正比。
文章信息：
期刊：Chemical Engineering Journal
题目：pH-sensitive phosphorescence in penicillamine-coated Au22 nanoclusters: Theoretical and experimental insights
作者：Haonan Wu, Jinjie Li, Li Tian, Fuli Zhao, Jinchang Yin*, Yuanzhi Shao*
接受日期：First published: 29 June 2024
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153608
或点击下文阅读原文该成果以“pH-sensitive phosphorescence in penicillamine-coated Au22 nanoclusters: Theoretical and experimental insights”为题发表在Chemical Engineering Journal上，第一作者为中山大学吴昊南，通讯作者为深圳大学殷金昌助理教授和中山大学邵元智教授。
