金纳米笼状结构的可控合成及应用研究新进展

金纳米笼

2008年 第53卷 第16期: 1999 ~ 2000

动 态

《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

金纳米笼状结构的可控合成及应用研究新进展

近几年来, 为了提高对早期癌症监测和诊断的准确性, 科学家们致力于研究和开发识别健康组织和癌症组织的生物医学成像技术[1,2]. 与此同时, 造影剂的应用研究使得这些成像技术的灵敏度得到了进一步提高[3]. 金纳米颗粒能够在特殊波长对光进行吸收和散射[4]; 这种特殊的局域表面等离子体共振(LSPR)现象可以增强某些特定组织的光信号特征, 从而提高成像的对比度, 因此在医学光成像上具有潜在的应用前景.

为了在生物医学光成像中得到应用, LSPR波长应该被调控在近红外波段(800~1200 nm), 在这个波段范围中, 光波在血液和软组织中的吸收都处于最小, 有利于深层组织病变的检测和治疗, 而这种特殊的波段要求对普通的金纳米胶体来说很难实现. 为了将金纳米颗粒的LSPR波长调控到近红外波段, 研究人员制备了金纳米壳状结构(nanoshells)和金纳米棒(nanorods)[4], 然而, 这些纳米结构的制备过程都相对难以精确控制; 因此, 我们发明与发展了中空多孔金纳米笼状结构(nanocages)[5].

以银纳米立方体(nanocubes)为模板的置换反应(galvanic replacement)是一种简单有效的制备贵金属(例如, 金、铂和钯)中空纳米结构的方法[5~7]. 利用置换反应的微观机理, 采用不同的金的高价态反应前驱物, 我们可以通过简单的置换反应((1)和(2)式)制备出不同形貌的中空金纳米结构体[8]:

3Ag(s)+AuCl 4(aq)→Au(s)+3AgCl(s)+Cl

(aq), (1)

Ag(s) + AuCl 2(aq) → Au(s)+AgCl(s)+Cl

(aq). (2)

通过对不同的金前驱物(AuCl 2

和AuCl

4)的比较研究发现, 采用AuCl 2或者AuCl

4为反应前驱物, 反应产物分别

为中空金纳米立方盒状颗粒(nanoboxes)和中空多孔金纳米笼状颗粒(nanocages)(图1(a)). 利用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM), 我们能够观测到反应过程中纳米颗粒的形貌变化, 以及伴随的吸收光谱的变化, 从而推测和构建出化学反应的微观过程图象(图1(b))[8]. 实验测量和理论计算表明, 通过对这些金纳米中空结构的壁厚进行调控会引起其LSPR波长的红移. 此外, 该红移现象对中空多孔金纳米笼状颗粒(nanocage)表现的尤其明显. 图2(a)是所制备的金纳米笼状颗粒的SEM和TEM图像. 图2(b)显示了银纳米立方体和不同体积氯金酸溶液(HAuCl4)反应后的颜色变化和相对应的吸收光谱图[9,10], 从图中我们可以看到其LSPR波长从500 nm左右显著红移到近红外波段(800~900 nm).

此外, 金纳米笼状颗粒的光吸收截面远大于传统的染料分子的吸收截面, 相比之下高了5个数量级

. 同时, 金纳米笼状颗粒的毒性相对较低, 颗粒表面容易被生物分子所修饰, 这些特殊的性质都使金纳米笼状颗粒在纳米医学研

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图1

(a) 银纳米立方体和两种不同的金反应前驱物(AuCl 2和AuCl

4)反应

生成中空金纳米立方盒状颗粒和中空多孔金纳米笼状颗粒的

反应示意图[8]; (b) 反应机理

(1)为AuCl 2; (2)为AuCl

4

图2

(a) 金纳米笼状颗粒的SEM和TEM电子显微镜图(嵌入图, 标尺: 25 nm); (b) 银纳米立方体和不同体积的0.1 mmol/L氯金酸溶 液(HAuCl4)反应后的颜色变化(上)和相对应的吸收光谱图(下)[9,10]

究上具有广泛的应用前景[11].

最近, 我们和Washington University in St. Louis生物医学工程系汪教授的实验小组合作研究发现金纳米笼状颗粒可以用作光声层析成像(photoacoustic tomography, PAT)的造影剂[10]. 我们将金纳米笼状颗粒的LSPR波长调控到大约820 nm左右, 该波长在生物体透明窗口(biologically transparent window)和PAT成像的工作波长的范围内. 我们对老鼠的尾巴静脉注射金纳米笼状颗粒, 从而使金纳米笼状颗粒进入到老鼠的循环系统. 通过对老鼠大脑皮层血管的PAT成像研究我们发现金纳米笼状颗粒使大脑皮层血管的光吸收增强了81%, 显示了其良好的光学显像特性[10](图3). 此外, 我们还将继续开展将金纳米笼状颗粒应用到光学相干断层扫描[12,13]和双光子激发荧光成像研究.

金纳米笼状颗粒不但是良好的光学显像剂, 它还在癌细胞的识别和光热疗方面有广阔的应用前景. 我们与 1999

金纳米笼

2008年

8月 第53卷 第16期

图4

图3 对老鼠注射金纳米笼状颗粒前(a)和注射颗粒后(b)

其大脑皮层的血管光声断层成像(PAT)对比[10]

University of Washington生物工程系的李教授合作研究的结果表明, 表面被抗体修饰的金纳米笼状颗粒(immuno gold nanocages)能有效地识别并结合到癌细胞上[14]. 通过近红外激光对这些癌细胞的照射, 金纳米笼状颗粒能有效地吸收光子, 并把光能转化为热能使温度升高

, 从而把癌细胞杀死

[15]

区性SK-BR-3乳腺癌细胞表面结合了被抗体修饰的金纳米笼状颗粒, 然后使用近红外的激光(波长为810 nm, 能量为1.5 mW/cm2)照射5 min后, 在被照射的区域显示出明显的癌细胞死亡. (a) Cal-cein AM 染色(活细胞显绿色荧光); (b) ethidium homodimer-1 染色(死

细胞显红色荧光)[15]

有非常大的光吸收截面, 只需要1.5 mW/cm2的激光能量,我们就可以有效地把癌细胞杀死, 同时并不伤害到周围没有被照射的细胞. 这些结果表明, 金纳米笼状颗粒在光热疗方面的效果比其他的金纳米结构强, 在选择性癌症治疗中具有很大的潜力. 我们将继续对金纳米笼状颗粒在动物体以及人体的癌症新疗法进行深入地研究. 这项研究目前主要由美国国家卫生署资助(2006 NIH Director’s Pioneer Award).

. 图4显示了在金纳米笼状颗粒的作用下癌细

胞被选择性地杀死在激光的照射区域内. 通过激光能量和癌细胞死亡数量的研究表明, 由于这些金纳米笼状颗粒具

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

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