袁雪霞,王 超,王玉平,胡 清,任先艷*

(1.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621010; 2.北川天諾光電材料有限公司,四川綿陽(yáng) 622750)

微波水熱法制備Gd3+摻雜的碳量子點(diǎn)型高性能磁共振-熒光雙模態(tài)分子影像探針

袁雪霞1,王 超2,王玉平1,胡 清1,任先艷1*

(1.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,四川綿陽(yáng) 621010; 2.北川天諾光電材料有限公司,四川綿陽(yáng) 622750)

以同時(shí)提供釓源和碳源的釓噴酸單葡甲胺為前驅(qū)體,利用微波作為加熱手段實(shí)現(xiàn)分子水平上的攪拌,達(dá)到低溫、短時(shí)間內(nèi)制得均勻的小粒度Gd3+摻雜碳量子點(diǎn)(Gd3+/CQDs-MH)的目的。當(dāng)前驅(qū)體在250℃下微波水熱反應(yīng)45 min時(shí),獲得的Gd3+/CQDs-MH表現(xiàn)出較高的量子產(chǎn)率和極強(qiáng)的磁共振性能,避免了傳統(tǒng)加熱方式對(duì)碳量子點(diǎn)的發(fā)光能力和弛豫性能極難同時(shí)提高的矛盾。該條件下合成出尺寸約1.0 nm的碳量子點(diǎn),其熒光量子產(chǎn)率為11.0%,Gd3+的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)16.9%,縱向弛豫性能高達(dá)4 545.3 mmol-1·L·s-1([Gd3+]=0.01 mmol·L-1)。并且,該碳量子點(diǎn)對(duì)HeLa細(xì)胞無(wú)明顯毒性,有望用作高弛豫性能和高發(fā)光性能的磁共振-熒光雙模態(tài)探針。

碳量子點(diǎn);釓離子;磁共振;熒光;分子影像探針

1 引 言

微波水熱法,即利用微波作為加熱工具的水熱法,可實(shí)現(xiàn)分子水平上的攪拌,加熱速度快且均勻。與普通高溫裂解法相比,微波水熱法具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)過(guò)程中顆粒不易團(tuán)聚、所得碳量子點(diǎn)純度高、尺寸分布窄等優(yōu)點(diǎn)。新加坡國(guó)立大學(xué)的Wang等[1]選用葡萄糖為前驅(qū)體,將其溶解在磷酸鉀水溶液中,采用水熱法(200℃,12 h)制得尺寸僅為1.83 nm的發(fā)射藍(lán)光的碳量子點(diǎn)。更為突出的是,廣州暨南大學(xué)劉應(yīng)亮教授帶領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)采用水熱法,以殼聚糖為前驅(qū)體(180℃,12 h)制得量子產(chǎn)率高達(dá)43%的碳量子點(diǎn)[2]。用于制備N摻雜的碳量子點(diǎn)時(shí),水熱法也表現(xiàn)出其方法簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn),往往僅經(jīng)歷一步反應(yīng)即可完成制備[3]。以微波水熱法制備碳量子點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)間一般為10～20 min[4-5],大大縮短了普通水熱反應(yīng)所需的8～12 h。

具有7個(gè)不成對(duì)電子的Gd3+可以降低組織內(nèi)水質(zhì)子的弛豫時(shí)間,表現(xiàn)出增強(qiáng)的信號(hào)。Gd3+被多齒配體螯合后失去毒性,已廣泛用于臨床磁共振成像造影劑(馬根維顯);而碳量子點(diǎn)具有優(yōu)異的熒光性能,且無(wú)毒、制備方法簡(jiǎn)單。因此,將碳量子點(diǎn)與Gd3+結(jié)合制備的磁共振-熒光雙模態(tài)分子影像探針,既能提供高分辨率的結(jié)構(gòu)組織學(xué)信息,又能實(shí)現(xiàn)高靈敏的功能學(xué)成像,克服了單一分子影像技術(shù)的局限性,使獲取的診斷結(jié)果更為精準(zhǔn),大大拓寬了分子影像技術(shù)的研究范圍與應(yīng)用前景。

著眼于避免常規(guī)加熱法制備的Gd3+/CQDs表現(xiàn)出的缺陷,即量子產(chǎn)率增加的同時(shí)其中Gd3+濃度略降低,本文采用微波水熱法制備高濃度Gd3+摻雜的具有高發(fā)光效率的碳量子點(diǎn)。該碳量子點(diǎn)有望用作高性能的磁共振-熒光雙模態(tài)分子影像探針。文獻(xiàn)[6]已經(jīng)證實(shí),提高釓噴酸單葡甲胺(GdPM)的碳化程度可以增加碳核中sp2雜化碳原子含量,從而增加碳量子點(diǎn)的發(fā)光能力。然而,過(guò)高的熱裂解溫度會(huì)使GdPM中的Gd3+—N—O螯環(huán)結(jié)構(gòu)斷裂,導(dǎo)致Gd3+損失。微波水熱法的反應(yīng)溫度低,有望獲得高Gd3+摻雜且具有較高量子產(chǎn)率的碳量子點(diǎn)。此外,水熱法吸引我們的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于:制備的納米顆粒尺寸小、分散性好,有利于碳量子點(diǎn)發(fā)光效率的提高。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 微波水熱法制備Gd3+摻雜的碳量子點(diǎn)

以GdPM為前驅(qū)體,采用微波水熱法將其碳化。稱取約0.1 g GdPM溶解于30 mL去離子水中,測(cè)量pH值(pH1)。將該溶液置于微波水熱平行合成儀(XH-800,北京祥鵠科技發(fā)展有限公司)中加熱至一定溫度并保溫一段時(shí)間,記錄保溫過(guò)程中體系的壓力(表1)。自然冷卻至室溫后,得到淡黃色透明溶液,測(cè)量該液體的pH值(pH2)。用NaOH水溶液將該溶液的pH值調(diào)節(jié)至11左右,在9 000 r/min的轉(zhuǎn)速下離心5 min,收集上清液。上清液經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(RE52CS-1,上海亞榮生化儀器廠)濃縮后,在50℃的真空干燥箱(DZF-6500,上海齊欣科學(xué)儀器有限公司)中干燥至恒重得到純凈的Gd3+摻雜的碳量子點(diǎn)(Gd3+/ CQDs-MH)。

表1 微波水熱法制備Gd3+/CQDs-MH的反應(yīng)條件Table 1 Reaction conditions for the preparation of Gd3+/CQDs-MH by microwave-hydrothermalmethod

2.2 表征

用紅外光譜儀(FTIR,TENSOR 27,德國(guó)Bruker)、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis,UV-2550,日本Hitachi)、熒光光譜儀(FLsp920)、電感耦合等離子體發(fā)射光譜-質(zhì)譜儀(ICP-MS,Agilent 7700x,美國(guó)Agilent倫)、X射線光電子能譜(XPS,K-Alpha,英國(guó)Thermo Scientific)對(duì)Gd3+/ CQDs-MH進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。形貌尺寸用高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM,Libra 200FE,德國(guó)Carl Zeiss)分析。

2.3 光致發(fā)光性能

采用FLsp920型熒光光譜儀掃描Gd3+/ CQDs-MH的光致激發(fā)光譜和365 nm激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射光譜。以硫酸奎寧的0.1 mol·L-1H2SO4溶液為參比物(365 nm波長(zhǎng)下激發(fā)時(shí),Q= 0.55),通過(guò)公式(1)計(jì)算Gd3+/CQDs-MH的量子產(chǎn)率:

其中:I和IR為同一激發(fā)波長(zhǎng)下(365 nm)的熒光峰積分面積;A和AR為在上述激發(fā)波長(zhǎng)下的紫外吸收;QR為參比物的量子產(chǎn)率;n為折光系數(shù)。

2.4 弛豫性能

采用GE公司的醫(yī)用3.0 T MR儀掃描Gd3+/CQDs-MH的T1W1加權(quán)圖像(SE序列:TR/ TE 300 ms/20 ms,Matrix 256×256 pixel,FOV 24 cm×24 cm,NEX 1,slice thickness 5 mm,gap 1.5 mm)并測(cè)試縱向弛豫時(shí)間T1(反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列TI= 100、TI=300、TI=600,TR/TE 4 000 ms/9.2 ms),按公式(2)計(jì)算縱向弛豫率r1,與含等濃度Gd3+離子的臨床用馬根維顯進(jìn)行比較[7]:

(1/T1)obsd=(1/T1)dia+r1×[M],(2)式中:(1/T1)dia為水質(zhì)子的弛豫率,(1/T1)obsd為含Gd3+的造影劑的弛豫率,[M]是樣品中Gd3+的摩爾濃度,為0.01 mmol·L-1。

2.5 細(xì)胞毒性

Gd3+/CQDs-MH的細(xì)胞毒性用HeLa細(xì)胞通過(guò)CCK-8分析測(cè)定(Signalway Antibody,SAB)。把HeLa細(xì)胞放置于96孔板(每個(gè)孔放置0.5× 104個(gè)細(xì)胞),然后加入RPMI 1640培養(yǎng)液在CO2含量為5%、溫度為37℃的條件下培養(yǎng)24 h后,在不同孔內(nèi)加入不同濃度(12.5,25,50,100,200 μg·mL-1)的Gd3+/CQDs-MH,再培養(yǎng)24 h后把CCK-8溶液添加到每個(gè)孔內(nèi),再次在37℃下培養(yǎng)4 h。注意,光密度(D)在450 nm條件下用全自動(dòng)定量繪圖酶標(biāo)儀測(cè)定。細(xì)胞存活率(ηviab)通過(guò)下式計(jì)算:

式中:下標(biāo)為blank的表示孔中沒(méi)有加HeLa細(xì)胞,下標(biāo)為control的表示孔中沒(méi)有加Gd3+/ CQDs-MH。

3 結(jié)果與討論

3.1 微波水熱法制備Gd3+/CQDs-MH

微波水熱法可以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到碳化GdPM的效果,GdPM的碳化程度隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。提高反應(yīng)溫度和延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間均可以促進(jìn)GdPM的碳化[6]。本文固定微波水熱反應(yīng)的溫度為250℃,僅通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)GdPM的碳化。在微波水熱反應(yīng)過(guò)程中,GdPM會(huì)發(fā)生裂解鍵的斷裂而碳化,表現(xiàn)為無(wú)色透明的GdPM水溶液的顏色變黃、酸性降低。這一變化僅在反應(yīng)持續(xù)15 min后即可發(fā)現(xiàn)。此時(shí),反應(yīng)體系的pH值由2.58(表1中的pH1)增加至3.58(表2中的pH2)。繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間后,GdPM碳化程度提高,體系顏色加深,pH值大幅度增加至5.85 (30 min)和6.17(45 min)。但由于設(shè)備局限性,繼續(xù)提高反應(yīng)溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間的反應(yīng)在微波水熱平行反應(yīng)儀中無(wú)法實(shí)現(xiàn)(防爆膜破裂)。

表2 微波水熱法反應(yīng)制得的Gd3+/CQDs-MH的部分性能Table 2 Performances of Gd3+/CQDs-MH prepared by microwave hydrothermalmethod

3.2 Gd3+/CQDs-MH的結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)微波水熱反應(yīng)后,GdPM作為前驅(qū)體其中的葡甲胺結(jié)構(gòu)單元碳化形成以無(wú)定型碳為主的碳核,區(qū)別于葡萄糖、檸檬酸等有機(jī)物,GdPM是由熱穩(wěn)定性迥異的兩種結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。其中具有高熱穩(wěn)定性的釓噴酸螯環(huán)單元會(huì)阻礙葡甲胺結(jié)構(gòu)單元碳化物的規(guī)整排列。如大多數(shù)文獻(xiàn)所報(bào)道的,對(duì)于葡萄糖、檸檬酸作為前驅(qū)體得到的碳量子點(diǎn),其碳核以石墨晶體結(jié)構(gòu)為主,通過(guò)HR-TEM測(cè)得(100)、(020)和(002)晶面的層間距分別為0.21,0.26,0.32 nm[8-9]。Gd3+/CQDs-MH的電子衍射花樣圖說(shuō)明,其中的碳核為非晶體(圖1(a))。然而,在Gd3+/CQDs-MH的高分辨率TEM圖片中可以看到層間距約0.31 nm的石墨(002)晶面(圖1(a))。該結(jié)果說(shuō)明,Gd3+/CQDs-MH中的碳核以無(wú)定型碳為主,但含有少量石墨碳。

利用微波作為加熱手段可以實(shí)現(xiàn)分子水平上的攪拌,達(dá)到在較低溫度下和較短時(shí)間內(nèi)獲得粒度較均勻的小粒度Gd3+摻雜碳量子點(diǎn)的目的。在微波水熱平衡儀中,僅在250℃下持續(xù)熱處理45 min后,GdPM即可碳化并獲得平均尺寸不足1.0 nm(粒度分布在0.5～1.7 nm之內(nèi))的Gd3+/ CQDs-MH(圖1(b))。而采用管式爐熱裂解Gd-PM制備Gd3+摻雜碳量子點(diǎn)時(shí),熱處理溫度高達(dá)350℃,熱處理時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 h。并且,該方法獲得的碳量子點(diǎn)(Gd3+/CQDs)的平均粒度較大,粒度分布較寬(250℃/2 h:1.5～3.4 nm;300℃/2 h: 1.5～4.5 nm;350℃/2 h:1.5～5 nm)[6]。

圖1 (a)微波水熱反應(yīng)45min后制得的Gd3+/CQDs-MH的TEM照片,插圖為電子衍射花樣圖和高分辨率TEM照片;(b)粒度直方圖。Fig.1 (a)TEM image of Gd3+/CQDs-MH(Top inset: SAED pattern in TEM mode.Lower inset:high resolution TEM image).(b)Size distribution of Gd3+/ CQDs-MH obtained from the TEM image.

在水熱反應(yīng)過(guò)程中,前驅(qū)體GdPM發(fā)生裂解鍵(如羥基、懸掛羧基)的部分?jǐn)嗔裑6],其碳化后生成的Gd3+/CQDs-MH的碳核表面仍修飾有—OH、—COO-等親水官能團(tuán)。如圖2所示,水熱反應(yīng)不同時(shí)間提取到的Gd3+/CQDs-MH在紅外光譜中的吸收峰位置均與GdPM的基本重疊,如1 593 cm-1和1 406 cm-1處分別出現(xiàn)—COO-的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)和對(duì)稱伸縮振動(dòng)吸收峰;1 263 cm-1處出現(xiàn)C—N伸縮振動(dòng)吸收峰;1 087 cm-1處出現(xiàn)—OH的伸縮振動(dòng)吸收峰[10]?！狾H來(lái)自于GdPM中的Meg結(jié)構(gòu)單元。說(shuō)明在本文所采用的水熱條件下,即使是熱穩(wěn)定性較差的Meg結(jié)構(gòu)單元也未完全碳化;—COO-是GdPM中羧基和Gd3+形成的螯合鍵。Gd3+/CQDs-MH中COO-的吸收峰位置與GdPM中的完全重合,說(shuō)明Gd3+的螯合結(jié)構(gòu)在熱處理過(guò)程中未發(fā)生顯著變化。初步確定可知Gd3+/CQDs-MH中的Gd3+以螯合物的形式存在。

圖2 微波水熱反應(yīng)不同時(shí)間制得的Gd3+/CQDs-MH和GdPM的FTIR譜圖(1:GdPM;2～4:15,30,45 min)Fig.2 FTIR spectra of GdPM and Gd3+/CQDs-MH prepared for different time(1:GdPM;2-4:15,30, 45 min)

XPS高分辨率譜圖進(jìn)一步證明Gd3+/CQDs-MH中含有的Gd3+均被O和N原子牢固螯合。通過(guò)NaOH沉淀的方法棄除GdPM水熱反應(yīng)15, 30,45 min后碳化產(chǎn)物中可能存在的游離Gd3+,提取的純凈產(chǎn)物Gd3+/CQDs-MH均分別在142.4 eV和1 187.0 eV結(jié)合能處出現(xiàn)Gd 4d和Gd 3d的峰(圖3)。Gd3+/CQDs-MH中Gd3+的結(jié)合能與GdPM中作為螯合中心的Gd3+的一致,說(shuō)明GdPM分子結(jié)構(gòu)中的GdPA結(jié)構(gòu)單元在水熱反應(yīng)過(guò)程中未發(fā)生顯著分解。通過(guò)ICP-MS測(cè)試發(fā)現(xiàn),隨著微波水熱反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),Gd3+/CQDs-MH中螯合的Gd3+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有降低(表2)。XPS全譜分析也進(jìn)一步證明了這一結(jié)果,隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),Gd3+/CQDs-MH中Gd 3d和Gd 4d的峰強(qiáng)度逐漸降低(圖4)。

圖3 Gd 4d(a)和Gd 3d(b)的高分辨譜圖(1:GdPM; 2～4:反應(yīng)15,30,45 min后制得的Gd3+/CQDs-MH)Fig.3 High resolution spectra of Gd 3d(a)and Gd 4d(b) in Gd3+/CQDs-MH prepared for different time(1: GdPM;2-4:15,30,45 min,respectively)

圖4 微波水熱反應(yīng)不同時(shí)間制得的Gd3+/CQDs-MH的XPS全譜分析(1:15 min;2:30 min;3:45 min)Fig.4 Wide scan XPS spectra of Gd3+/CQDs-MH prepared experiencing different time(1:15 min;2:30 min; 3:45 min)

結(jié)合上述碳核及其表面結(jié)構(gòu),確定Gd3+/ CQDs-MH由無(wú)定型碳為主的碳核及Gd3+螯合物和—OH等修飾的表面組成。

3.3 Gd3+/CQDs-MH的光致發(fā)光性能

圖5 (a)水熱反應(yīng)不同時(shí)間制得的Gd3+/CQDs-MH的光致激發(fā)和發(fā)射光譜(λex=350 nm),插圖為365 nm紫外光照射下的Gd3+/CQDs-MH的發(fā)光照片; (b)Gd3+/CQDs-MH在不同激發(fā)波長(zhǎng)下的發(fā)射光譜。Fig.5 (a)PL excitation and emission(λex=350 nm)spectra of Gd3+/CQDs-MH(inset:photographs of Gd3+/ CQDs-MH aqueous solution exposed to 365 nm UV light).(b)PL emission spectra of Gd3+/CQDs-MH excited by differentwavelengths.

Gd3+/CQDs-MH具有光致發(fā)光性能,當(dāng)暴露在365 nm的紫外光下時(shí),會(huì)發(fā)出明亮的藍(lán)色熒光,測(cè)得的量子產(chǎn)率已達(dá)到7.2%～11.0%,相當(dāng)于甚至高于以往采用傳統(tǒng)加熱方式350℃下裂解2 h獲得的類似產(chǎn)品。在350 nm(3.54 eV)波長(zhǎng)激發(fā)下,Gd3+/CQDs-MH的發(fā)射光譜中出現(xiàn)能量相差約0.2 eV的兩個(gè)發(fā)光帶,發(fā)光帶位置分別為440 nm(2.82 eV)和470 nm(2.64 eV)左右,如圖5(a)所示。并且,隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增加,Gd3+/ CQDs-MH的光致發(fā)光性能除了表現(xiàn)出量子點(diǎn)典型的發(fā)射波長(zhǎng)隨之增加的特性外,還同時(shí)發(fā)生著高能量發(fā)光帶向低能量發(fā)光帶的轉(zhuǎn)移。如圖5(b)所示,當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)在300～330 nm之間時(shí), Gd3+/CQDs-MH的發(fā)射光譜以高能發(fā)光帶為主,且高能發(fā)光帶的強(qiáng)度逐漸增大;繼續(xù)增加激發(fā)波長(zhǎng)時(shí),Gd3+/CQDs-MH的高能發(fā)光帶的強(qiáng)度逐漸減小,伴隨著低能區(qū)發(fā)光帶強(qiáng)度的逐漸增大;當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)增加至440 nm左右時(shí),Gd3+/CQDs-MH的發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為以低能發(fā)光帶為主。

3.4 Gd3+/CQDs-MH的弛豫性能

Gd3+/CQDs-MH表現(xiàn)出極強(qiáng)的MRI信號(hào)強(qiáng)度,其縱向弛豫率r1高于含等度Gd3+的臨床用馬根維顯磁共振造影劑。如圖6(a)所示,微波水熱反應(yīng)15 min,即使是在微波水熱處理30 min和45 min后GdPM中的Gd3+有所損失的情況下,制得的Gd3+/CQDs-MH均有明顯的陽(yáng)性信號(hào),并且其信號(hào)陽(yáng)性結(jié)果的亮度不僅高于臨床用馬根維顯,還高于前驅(qū)體GdPM。更為重要的是,在Gd3+濃度為0.01 mmol·L-1時(shí),Gd3+/CQDs-MH便使周圍水質(zhì)子的縱向弛豫時(shí)間大大地縮短。而在含有同樣濃度的Gd3+時(shí),馬根維顯對(duì)其周圍水質(zhì)子的縱向弛豫時(shí)間的影響極微弱。按公式(2)計(jì)算當(dāng)Gd3+濃度為0.01 mmol·L-1時(shí),15,30,45 min制得的Gd3+/CQDs-MH的縱向弛豫率r1分別為7 342.7,5 118.8,4 545.3 mmol-1·L·s-1,高于含等濃度Gd3+的馬根維顯(5.1 mmol-1·L· s-1)和GdPM(8.2 mmol-1·L·s-1)。

圖6 (a)反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描的T1W1加權(quán)圖像;(b)T1 mapping測(cè)得的縱向弛豫時(shí)間T1值(Ⅰ:H2O;Ⅱ:馬根維顯;Ⅲ:前驅(qū)體GdPM;Ⅳ～Ⅵ:微波水熱反應(yīng)15,30,45 min制得的Gd3+/CQDs-MH,[Gd3+]= 0.01 mmol·L-1)。Fig.6 (a)T1-weighted MR images.(b)T1values(Ⅰ: H2O;Ⅱ:Magnevist;Ⅲ:GdPM;Ⅳ-Ⅵ:Gd3+/ CQDs-MH prepared after pyrolysis for 15,30,45 min,respectively.[Gd3+]=0.01 mmol·L-1).

Gd3+/CQDs-MH突出的弛豫性能可能來(lái)源于其優(yōu)異的親水性和CQDs的納米載體效應(yīng)。Gd3+/CQDs-MH中含有豐富的親水官能團(tuán),且Gd3+全部修飾在碳核的表面,當(dāng)Gd3+/CQDs-MH穩(wěn)定地分散在去離子水中時(shí),Gd3+可充分地與周圍水質(zhì)子接觸,發(fā)揮增強(qiáng)水質(zhì)子縱向弛豫率的作用[11];另一方面,在Gd3+/CQDs-MH中,Gd3+離子是負(fù)載在尺寸近似1.0 nm的碳量子點(diǎn)上而分散于去離子水中,近似于在Gd3+/CQDs-MH水溶液形成了大量Gd3+離子的團(tuán)簇。據(jù)報(bào)道,團(tuán)聚的Gd3+離子的磁臨近效應(yīng)會(huì)大大增強(qiáng)弛豫性能[12]。顯然,當(dāng)溶液中的Gd3+濃度極低時(shí),Gd3+/CQDs-MH在MRI信號(hào)對(duì)比強(qiáng)度方面較馬根維顯表現(xiàn)出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。因此,應(yīng)用Gd3+/CQDs-MH作為MRI分子影像探針時(shí),不僅可以表現(xiàn)出熒光功能的高敏感性,還能大大降低注射劑量。

3.5 Gd3+/CQDs-MH的細(xì)胞毒性

圖7 HeLa細(xì)胞在含有不同濃度的Gd3+/CQDs-MH的培養(yǎng)液中培養(yǎng)24 h后的活度Fig.7 Viability of HeLa cells incubated with various concentrations of Gd3+/CQDs-MH for 24 h

Gd3+/CQDs-MH中Gd3+以螯合物的形式從分子水平上摻雜于具有生物相容特性的CQDs中,且Gd3+/CQDs-MH表面修飾大量親水官能團(tuán),因此,Gd3+/CQDs-MH也不會(huì)顯示明顯的細(xì)胞毒性。良好的水溶性是納米材料表現(xiàn)出低毒性的首要條件。采用CCK-8方法研究了HeLa細(xì)胞在不同濃度的Gd3+/CQDs-MH中培養(yǎng)24 h后的活度。HeLa細(xì)胞在低濃度的Gd3+/CQDs-MH的培養(yǎng)基溶液中的活度與空白對(duì)照組相當(dāng);直至培養(yǎng)基中Gd3+/CQDs-MH的濃度達(dá)到50μg·mL-1以上時(shí),HeLa細(xì)胞的活度開(kāi)始發(fā)生較低程度的降低。甚至當(dāng)Gd3+/CQDs-MH的濃度高達(dá)200μg· mL-1時(shí),HeLa細(xì)胞的活度仍保持80%左右。

4 結(jié) 論

以GdPM作為提供碳源和釓源的前驅(qū)體,借助微波水熱法獲得了具有高M(jìn)RI對(duì)比強(qiáng)度且具有高發(fā)光效率的碳量子點(diǎn)。經(jīng)過(guò)條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),微波水熱法的確表現(xiàn)出低溫、快速制備兼具高縱向弛豫率和較高量子產(chǎn)率的碳量子點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。在250℃下,僅經(jīng)歷45 min,便可獲得量子產(chǎn)率為11.0%、縱向弛豫率r1高達(dá)4 545.3 mmol-1·L· s-1的Gd3+/CQDs-MH。而當(dāng)采用管式爐直接加熱GdPM粉末時(shí),只有當(dāng)熱裂解溫度足夠高(如400℃)并保溫2 h時(shí),才可獲得量子產(chǎn)率與Gd3+/CQDs-MH相當(dāng)?shù)奶剂孔狱c(diǎn)(12.5%)。但是,此時(shí)的碳量子點(diǎn)表面已經(jīng)不存在螯合狀態(tài)的Gd3+,失去磁共振響應(yīng),無(wú)法作為MRI-熒光雙模態(tài)分子影像探針。在低Gd3+濃度(0.01 mmol· L-1)時(shí),較馬根維顯而言,Gd3+/CQDs-MH表現(xiàn)出了更大的弛豫響應(yīng)優(yōu)勢(shì),可大大降低臨床“錨固”病灶所需劑量。由于Gd3+被具有生物相容特性的CQDs牢固螯合,Gd3+/CQDs-MH對(duì)細(xì)胞未表現(xiàn)出明顯毒性。

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Synthesis of M agnetic Resonance/Fluorescence Bimodal M olecular Imaging Probe Based on Gadolinium-doped Carbon Quantum Dots by M icrowave-hydrothermal M ethod

YUAN Xue-xia1,WANG Chao2,WANG Yu-ping1,HU Qing1,REN Xian-yan1*

(1.School ofMaterials Science and Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China; 2.Beichuan Tiannuo Photoelectric Material Co.,Ltd.,Mianyang 622750,China)
*Corresponding Author,E-mail:rxy2002com@163.com

Using gadopentetic acid monomeglumine(GdPM)as precursor to provide simultaneously the carbon source and gadolinium(3+)source,gadolinium-doped carbon quantum dots(Gd3+/ CQDs-MH)with uniformly small size were obtained at amild condition bymicrowave hydrothermal method which can realize amolecular levelmixing.When GdPM was pyrolyzed under 250℃for 45 min,Gd3+/CQDs-MH with high quantum yield(QY)and longitudinal relaxation rate(r1)were obtained.The contradiction between quantum yield and the relaxation properties has been well balanced,which is very difficult to avoid using traditional heatingmethod.The prepared Gd3+/CQDs-MH with an average diameter of about1.0 nm show little cell toxicity and exhibit a high photoluminescence quantum yield of 11.0%,as well as a high r1value of 4 545.3 mmol-1·L·s-1([Gd3+]=0.01 mmol·L-1)with the doping mass fraction of gadolinium(3+)of 16.9%. Therefore,the Gd3+/CQDs-MH show big possibility for application in magnetic resonance/fluorescence bimodalmolecular imaging.

carbon quantum dots;gadolinium ions;magnetic resonance;fluorescence;molecular imaging probe

袁雪霞(1988-),女,河南周口人,碩士研究生,2013年于洛陽(yáng)理工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事分子影像探針?lè)矫娴难芯?。E-mail:yuanxuexia@yeah.net

任先艷(1982-),女,陜西西安人,博士,講師,2015年于西安交通大學(xué)獲得博士學(xué)位,主要從事碳納米材料的功能化及應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面的研究。E-mail:rxy2002com@163.com

O482.31

A

10.3788/fgxb20153612.1383

1000-7032(2015)12-1383-07

2015-08-26;

2015-10-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(81171318)資助項(xiàng)目