华盛顿大学张米琴团队Adv. Mater.:石墨烯量子点及其在生物成像、生物传感和治疗中的应用


【引言】

石墨烯量子点(GQDs)是以碳为基础的纳米粒子,具有优异的化学、物理和生物特性,使其在纳米医学的广泛应用中脱颖而出。GQDs独特的电子结构赋予了这些纳米材料强大和可调的光致发光(PL)功能,用于荧光生物成像和生物传感;高负载能力的芳香族化合物的小分子药物传递;吸收入射辐射的能力,用于光热和光动力疗法的杀灭癌症技术。

【成果简介】

近日,华盛顿大学张米琴教授团队(通讯作者)带领下,首先综述了GQDs的理化性质、光学性质、电子性质、磁性性质和生物学性质,讨论了近年来GQDs的研究进展,重点介绍了GQD合成方法的研究进展;根据依靠自上而下或自下而上过程的技术,将这些方法分类。随后,将讨论GQDs的应用,包括通过光学和磁性方式的生物成像,体内外生物传感,以及通过药物传递、基因传递和光动力疗法(PDT)的治疗方法。还对GQD研究的当前局限性和未来方向也进行了深入的分析。相关成果以题为Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 石墨烯量子点(GQD)的合成、物理性质及在生物系统中的应用等方面的研究进展

图2 石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点的结构差异示意图

图3 通过理论模型计算了尺寸和边缘构象对GQDs能带隙的影响

a)不同尺寸和边缘构型的GQDs的结构。标签“AM”和“ZZ”指的是边缘类型,整数表示芳环的数量。

b)能带隙随横向尺寸和边缘类型的变化。以下字母表示使用的建模方法:格林函数和屏蔽库仑相互作用(GW)和局部密度近似(LDA)。

图4 GQDs的PL谱随掺杂性质和程度的变化而变化

a)GQDs和氮掺杂GQDs(NGQDs)的照片。NGQD标签后面的数字表示在NH3气氛下以min为单位的辐照时间。

b)NH3气氛下合成的NGQDs的PL光谱,随着氮原子掺入GQDs内部,NGQDs发生蓝移。

c)芳香胺官能化的GQDs的PL光谱。Nar/N表示芳香胺类与总胺类的比例。随着芳香胺官能化的增加,光谱中出现了明显的红移。

d)原始GQDs和e)掺硼GQDs在不同激发波长下的UV-vis(黑色)和PL光谱(彩色)。硼被掺入结构时,会出现轻微的红移。

5 评估GQDs的生物相容性

a)A549细胞暴露于三种不同浓度的GQDs后细胞代谢活性的评价。

b)静脉注射GQDs后4周,对大鼠重要器官进行组织学评估。

c)在黑暗中,在不同浓度的GQDs和GQDs与以下物质反应可以改变细胞活力:苯肼(PH),苯甲酸酐(BA)和2-溴-1-苯乙酮(BrPE)。

d)在辐射下,在不同浓度的GQDs和GQDs与以下物质反应可以改变细胞活力:苯肼(PH),苯甲酸酐(BA)和2-溴-1-苯乙酮(BrPE)。

6 通过自上而下和自下而上的方法合成GQD的最新进展示意图

7 液相剥离合成GQDs的表征

a)液相剥离和GQDs合成机理的示意图。

b)HD-GQDs和c)LD-GQDs在不同激发波长下的PL光谱。

8 微波合成GQDs

a)N-GQD和b) NS-GQD的微波合成示意图,显示了GQDs与胺基和硫基官能团的官能化。

9 氮掺杂的GQDs用于细胞和组织成像

a)单光子荧光(OPF)和双光子荧光(TPF)的PL发射光谱。

b,c)HeLa细胞在800 nm激发下的b)亮场和c)荧光图像(比例尺= 10 µm)。

d)使用不同厚度的组织体模进行双光子荧光成像(TPFI)的装置示意图。

e)TPFI和单光子荧光成像(OPFI)在组织体模中的N-GQDs渗透深度(比例尺= 100 µm)。

10 氮和硼双掺杂的GQDs用于NIR-II生物成像

a)透射电子显微镜图像,显示直径5 nm的单分散颗粒。右上方的插图显示了指示石墨烯的晶格条纹,而左下方的插图是溶液中GQDs的照片,显示了它们的出色溶解性。

b)当被808 nm激光源激发时,显示NIR-II发射的N-B-GQDs的PL光谱。插图显示水溶液中N-B-GQDs的光学图像和PL图像。

c)通过评估SF763、4T1和B16F10细胞与N-B-GQDs孵育72小时后的活力,对N-B-GQDs进行体外细胞毒性研究。采用学生双侧t检验进行统计分析(** p <0.01,*** p <0.001)。

d)活体小鼠的体内NIR-II成像。左上方的面板是裸鼠的照片,最上方的随后的面板描绘了注射了磷酸盐缓冲盐水(PBS)但没有任何造影剂的小鼠的PL图像。第二排和第三排图像描述了静脉注射N-B-GQDs后的PL图像的时程。最下面一行的图像突出显示了血管中的PL。

11 用硼掺杂的GQDs处理小鼠的腹部横断面的体内T1加权MR图像

用硼掺杂的GQDs处理小鼠的腹部横断面的体内T1加权MR图像,并在静脉内注射后的各个时间点获得动态的时间分辨MR成像。箭头指示各种器官:心脏(H),肝脏(L),肾脏(K),脾(Sp)和胃(St)。给药后68分钟,心脏和胃部显示出最大的对比度。

12 基于DNPTYR-GQD的H2S传感PL开启纳米探针

a)GQD-DNPTYR的合成和PL猝灭机理的示意图。

b)GQD-DNPTYR处理后1小时(左数第二),H2S存在25分钟(左数第三)且未在GQD-DNPTYR中孵育的MCF-7细胞的共聚焦图像(最左)。存在H2S和PMA(最右侧)。GQD-DNPTYR发出绿色荧光,NucBlue发出蓝色荧光。比例尺=10 µm。

13 纸插入GQD基传感器的示意图

a)能够(黄色)并且不能(红色)猝灭GQDs的酚类化合物的例子。

b)用于照亮纸样的装置示意图。

c)连接USB端口的UV LED的电路。

d)含有嵌入GQDs的硝化纤维纸带在印刷蜡分隔的圆形区域的示意图。

e)使用中的传感器系统的图像。 屏幕显示通过相机检测到的荧光点读取的样品。

f)典型的是/否(ON/OFF)结果的示意图。

14 GQDs的治疗应用

可以通过π轨道堆叠将化学治疗药物加载到GQDs的基面上。阿霉素(DOX)是一种典型的小分子化学治疗药物(左上)。 边缘基团与阳离子肽结合可使GQDs带正电荷,使其与带负电荷的DNA或RNA形成复合物用于基因治疗(右上)。GQDs可以作为光敏剂,在特定波长(底部)照射时产生活性氧。在光动力疗法中,已证明GQDs是有效的光敏剂。

15 MTX输送的GQDs

a)通过水热法合成N-GQD,形成MTX- (N-GQD)复合物以及胞内释放的示意图。

b)培养48小时后评估MTX- (N-GQDs)的体外细胞毒性。MCF-7细胞暴露于不同浓度的游离MTX(暗条)和MTX- (N-GQDs)(浅色条)。与MTX- (N-GQDs)相比,MTX生存力的统计显著性分别由*和**表示,分别为p <0.05和p <0.01。

c)不含MTX的N-GQDs的细胞毒性评估。

16 PDT的GQDs

a)使用500 W氙气灯照射后,GQDs、Ppix和CdTe的光稳定性,以及在470 nm处的吸光率随时间的变化进行测量。

b,c)小鼠皮下注射GQDs后的b)明场和c)红色荧光图像。

d)三组肿瘤随时间变化的体积(每组n=5)。每组P <0.05。PDT:GQD+辐照,C1:仅GQD,C2:仅光辐照)。

e)各种处理后的小鼠照片(处理标签后的整数表示首次处理后的天数)。

小结

GQD研究的最新进展表明,GQD具有作为生物技术和纳米医学新平台的潜力。通过新的合成方法研究了掺杂和官能化GQDs的方法,并利用其对光学、电子、磁性和生物学特性的影响,将GQDs应用于医学领域。为优化GQDs的理化特性,使其具有特定应用的必要特性,开发了新的实验方法。此外,各种研究都集中在开发安全简单的“一锅法”合成方法上,利用一些简单的前体分子和现成的设备,如家用微波炉。这些成就将GQDs展示为适用于纳米医学的便捷系统。

文献链接:Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy(Adv. Mater., 2019,DOI:10.1002/adma.201904362)

本文由木文韬翻译。

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