铕掺杂纳米颗粒通过聚合态多重调控用于细胞发光寿命成像

来源：ACS美国化学会

英文原题: Europium-Doped Nanoparticles for Cellular Luminescence Lifetime Imaging via Multiple Manipulations of Aggregation State

通讯作者: Jun Ye (叶俊), Ningbo University; Jinfeng Zhang (张金凤), Beijing Institute of Technology

作者: Fang Fang (方芳), Dongxu Zhao (赵东旭), Yinfeng Zhang (张银凤), Min Li (李敏), Jun Ye (叶俊), Jinfeng Zhang (张金凤)

图 1. 自组装水分散性铕掺杂纳米颗粒（Eu-D1/D2 NPs）通过聚合态多重调控用于细胞发光寿命成像的示意图

发光寿命成像(LLIM)技术，作为一种重要的生物光学成像技术，不仅受探针浓度和激光功率的影响很小，而且受生物组织自发荧光的干扰也可忽略不计，极大地提高了生物成像的灵敏度和空间分辨率。镧系元素配合物，如铕配合物，由于发光寿命长，斯托克斯位移大，光稳定性好等优点，成为发展最广泛的LLIM探针之一。然而，水溶解性差、生物利用度低、水中易失活以及聚集诱导淬灭(ACQ)等局限性，严重阻碍了其进一步的生物医学应用。为了解决这些问题，许多研究利用纳米封装策略将疏水性铕配合物负载到纳米载体中，虽然一定程度上有效，但仍然受到制备繁琐、成分复杂、无机或高分子材料降解性不理想等限制，阻碍了其进一步工业化生产和临床转化。

近日，北京理工大学张金凤研究员联合宁波大学叶俊副教授，利用传统的自组装策略开发了两种铕配合物掺杂的纳米颗粒(Eu-D1和Eu-D2 NPs)用于细胞LLIM(图1)。该探针具有以下特点：1. 通过共掺杂Eu(TTA)3分子和二苯胺衍生物制备的Eu-D1和Eu-D2 NPs具有良好的水分散性和较高的固态发光性能；2. 所制备的纳米颗粒不仅具有强烈的红光发射，且其寿命比未掺杂的纳米颗粒提高了4个数量级(约56000倍)；3. 这些优异的光学性能归因于聚合态的多重调控，包括：有效的荧光共振能量转移、被抑制的荧光自淬灭效应和因隔离保护大大降低的溶剂效应。4. 由于良好的生物利用度，已开发的铕掺杂纳米颗粒被证实可作为可靠的长寿命显影材料。该策略为设计高精度生物成像的发光纳米探针提供了一种简便而通用的思路。

研究人员首先对Eu-D1和Eu-D2 NPs的形貌及光学性质进行了表征，结果表明其粒径分别大约为74.5 nm和 48.9 nm，具备良好的单分散性(图2)。同时，D1及D2的发射光谱与Eu(TTA)3的吸光度谱重叠，这是供体D1或D2与受体Eu(TTA)3之间发生能量转移的前提(图3a)。溶解在THF中的Eu(TTA)3分子在614 nm处显示出强烈的红色发光；而由于聚集诱导淬灭效应和溶剂效应，Eu NPs在去离子水中几乎不发光；Eu-D1/D2 NPs在水溶液中都出现了强烈的红色发光，这是由于聚合状态的多重调控所致(图3b,c)。此外，由于Eu(TTA)3与D1的掺杂比对Eu-D1 NPs的发光性能至关重要，通过优化掺杂比可获得614 nm处最强发光信号(图3d)。

图2. Eu-D1/D2 NPs的形貌表征

图3. Eu-D1/D2 NPs的光学性能评价

此外，研究人员考察了Eu-D1 NPs用于细胞发光寿命成像的能力(图4)。发光衰减曲线结果表明，与Eu NPs在水中表现出超短的衰减时间(小于10 ns)相比，分散在水中的Eu-D1 NPs的发光寿命不仅可以与四氢呋喃中的Eu(TTA)3分子相媲美，甚至比未掺杂的Eu NPs的发光寿命高出4个数量级(约56000倍)。同时，光致发光寿命成像显微镜结果表明，Eu-D1 NPs在A549细胞中可以很容易地与短寿命的自发荧光及散射光信号区分开，证明所制备的铕掺杂纳米颗粒可以用于高信噪比的细胞发光寿命成像。

图4. Eu-D1 NPs用于细胞发光寿命成像的性能分析

本研究的相关结果作为(内页)封面文章已发表于 ACS Applied Bio Materials, Volume 3, Issue 8。本项目得到了北京理工大学青年教师学术启动计划(Beijing Institute of Technology Research Fund Program for Young Scholars)、国家自然科学基金(91859123, 51603088)和宁波大学王宽诚幸福基金(K. C. Wong Magna Fund in Ningbo University)的支持。