【材料】香港科技大学唐本忠院士团队拓展AIE材料新应用：荧光、DFM、CT多模态成像
生物检测和临床诊断的需求极大地推动了在亚细胞-、细胞及组织水平上的成像技术的发展。而作为一种能够对生物分子及生物学过程进行实时原位监测的成像技术，荧光成像技术因其极高灵敏度的特点在相关领域有着不可替代的地位。但是对于组织及活体成像，常规的有机荧光染料面临着组织穿透深度不够、不耐光漂白以及信噪比低等问题，因此其应用仅仅局限于对细胞及动物表皮区域进行成像。尽管无机纳米颗粒如量子点或上转化材料相比于有机荧光染料在荧光量子产率及光稳定性等方面具备显著优势，但是他们所含的重金属元素具有潜在的毒性。为了进一步将高灵敏度的荧光成像模式应用于活体成像等更广泛的领域，有必要引入具有高信噪比、空间分辨率和穿透深度的成像模式。例如基于贵金属表面等离子共振效应的暗场成像（dark-field imaging, DFM）在信噪比方面表现出独特的优势，其能够有效地避免纳米粒子单颗粒成像中来自于整体平均效应的干扰。更重要的是，基于贵金属的CT成像（computed-tomography）能够提供高的空间分辨率、三维断层扫描信号和足够的组织穿透深度。将荧光材料和贵金属纳米颗粒结合，将会获得集灵敏度、时空分辨率和穿透深度于一体的多模式成像工具。因此，将有机荧光染料与无机纳米材料结合不仅能同时具备两者的优点，更可以根据他们不同的特性进行多模态成像。
图1 银-AIE核壳纳米颗粒(AACSN)的制备示意图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b02350 ）
近日，香港科技大学化学系的唐本忠院士团队制备了一种新型的银-AIE核壳纳米颗粒（AACSNs，图1）并将其用于多模态的生物成像。传统的有机荧光团与贵金属直接结合后，其荧光信号会由于荧光共振能量传递（FRET）或者电子转移（ET）等作用而出现严重损失，但唐院士团队发现在碱性条件下作用，具有氧化还原活性的AIE分子能够将银离子还原成银纳米粒，所获得的银纳米粒同时能够诱导AIE分子在其表面进行自组装，最终形成无机贵金属核-有机AIE壳构成的核壳型纳米结构。新的纳米颗粒不仅保留了AIE分子的聚集诱导发光效应，同时还具有贵金属的等离子体散射特性，并且这种核壳纳米粒可以用作荧光、暗场（DFM）及计算机断层扫描（CT）成像。该成果以“Redox-Active AIEgen-Derived Plasmonic and Fluorescent Core@Shell Nanoparticles for Multimodality Bioimaging”为题发表于《美国化学会志》（DOI: 10.1021/jacs.8b02350）。
图2 a）TPE-M2OH的合成路线;b）AACSNs形成前后的光谱性质;c）AACSNs的XRD及TEM图
（图片来源：J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b02350 ）
作者首先以4,4-二甲氧基二苯甲酮和4-溴二苯甲酮为原料合成了带有甲氧基的AIE分子前体（图2a, 3），通过三溴化硼脱除甲氧基上的甲基后得到了含有酚羟基的AIE分子（图2a, TPE-M2OH）。之后，将TPE-M2OH与银离子在碱性溶液中（pH=10.5）混合，溶液的颜色快速变深（图2b）。通过光谱测试可以发现，变色后的溶液在485 nm处出现了较强的紫外吸收（图2b），这表明溶液中有银纳米颗粒形成。此外，变色后的溶液还在650 nm处出现了明显的荧光发射（图2b），这说明溶液中TPE-M2OH发生了聚集。为了证明溶液中确实含有银纳米颗粒，作者对所得到材料进行了XRD表征（图2c），结果发现所制备的材料中确实含有银微晶，而高分辨透射电镜（HR-TEM）进一步证明了这一点（图2c）。此外，HR-TEM的结果还表明核壳结构中银纳米颗粒核心的尺寸约为45 nm，而AIE壳的厚度约为20 nm。进一步通过调控反应的投料比、反应时间和温度，可以实现对壳层厚度从16 nm 到30 nm的精确调控。
图3 AACSNs材料的荧光和DFM双模态成像（左，中）及荧光和CT双模态成像（右）
（图片来源：J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10.1021/jacs.8b02350 ）
在了解了这种结构的基本的结构和性质后，作者对其成像功能进行了研究。由于贵金属纳米颗粒具有表面等离子体共振特性，作者猜测这种材料可以用于荧光和DFM双模态成像。结果发现，不仅DFM图像中的青色亮点可以和荧光图像中的红色亮点完美重合，他们还都可以与电镜图中的微点一一对应（图3左）。之后，作者研究了AACSNs的胶体稳定性及毒性以备后续的生物成像应用，结果发现AACSNs不仅具有较好的稳定性，而且由于银纳米颗粒被TPE-M2OH很好地分散，其生物相容性得到了较大的提升。接着，作者尝试了细胞中AACSNs的双模态成像，发现其在荧光成像及DFM成像上都有很好的效果。最后，作者对AACSNs进行了荧光及CT的动物成像，结果发现AACSNs在20 mg/mL时对CT信号的增强效果与商品化的试剂相当，并且老鼠的肿瘤部位出现清晰的荧光及CT信号。
全部作者：Xuewen He, Zheng Zhao, Ling-Hong Xiong, Peng Fei Gao, Chen Peng, Rong Sheng Li, Yu Xiong, Zhi Li, Herman H.-Y. Sung, Ian D. Williams, Ryan T. K. Kwok, Jacky W. Y. Lam, Cheng Zhi Huang, Nan Ma, and Ben Zhong Tang
通讯作者：
唐本忠院士