CdTe@SiO2@GdF2熒光/磁共振成像雙功能微球的制備和表征

金 麗, 劉芳同, 李 偉, 張建坡

(吉林化工學院, 化學與制藥工程學院, 吉林 吉林 132022)

近年來, 對多模態融合技術的研究已成為生物醫學成像領域的熱點[1]. 具有磁性/熒光雙模態成像功能的復合材料可提高檢測的靈敏度和準確度, 在細胞標記和分離、 藥物靶向輸送及核磁共振等領域應用廣泛[2-5]. 磁性中心材料多為具有超順磁性的納米材料, 如Fe3O4[6]、 Fe2O3[7]和含釓化合物等. 由于磁性材料(Fe3O4)易團聚、 抗腐蝕性差、 難洗滌且易導致發光粒子的熒光猝滅[8]及熒光強度降低, 因此其應用受到限制. Gd3+的4f層有7個未成對電子, 具有較強的順磁性, 不會引起發光粒子熒光發射強度明顯猝滅, 因而含釓化合物(如氧化釓[9-10]、 氟化釓[11-12]、 磷酸釓[13-15]、 釩酸釓[16-17]、 碳酸釓[18]等)廣泛應用于磁共振成像(MRI)領域.

CdTe量子點具有光學穩定性良好、 熒光信號強、 激發光譜寬、 熒光發射光譜窄， 且對稱、 熒光壽命長及熒光特性隨尺寸可控[19-21]等優點, 廣泛應用于體內和體外熒光成像, 但半導體量子點具有毒性且穩定性較差. SiO2是一種具有高光學透明性的材料, 具有良好的生物相容性表面, 可用于量子點的表面修飾. 文獻[22]采用微乳液法制備單分散的SiO2修飾CdTe量子點, 可明顯改善量子點的穩定性和生物相容性. 微乳液法需使用大量的有機溶劑, 成本較高且不利于環境保護, 基于此, 本文用水和乙醇的混合溶液, 通過正硅酸乙酯水解, 合成單分散的SiO2修飾CdTe量子點微球， 并將GdCl3和NH4F與SiO2修飾CdTe量子點混合后, 通過具有活性的Si—OH基與Gd離子相互作用, 將Gd以GdF3的形式偶聯在SiO2表面, 得到核殼結構的CdTe@SiO2@GdF3微球. 采用透射電鏡(TEM)、 能量散射X射線光譜(EDXA)、 核磁共振成像(MRI)、 Fourier變換紅外光譜(FT-IR)及熒光光譜等方法對產物的結構和性質進行表征.

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

巰基丙酸(MPA, 美國酷爾化學科技有限公司); 碲粉(美國Sigma-Aldrich公司)； 氯化釓、 氟化氨、 氯化鎘、 硼氫化鈉(分析純, 國藥集團化學試劑有限公司)； 實驗用水為雙蒸水.

用Tecnai G220型透射電鏡(美國FEI公司)觀察產物的形貌和尺寸； 用JSM-6490型能量散射X射線光譜儀(日本電子公司)對產物進行EDXA分析； 用F-280型熒光分光光度計(天津港東科技發展股份有限公司)測得熒光光譜； 用Shimadzu UV-2550型紫外分光光度計(日本島津公司)測得紫外吸收光譜； 用Nikon D7000型照像機(日本尼康公司)得到合成材料在自然光和紫外光照射下的發光照片； 用3TS Magnetom Trio型核磁共振儀(德國SIEMENS公司)對產物進行磁共振成像表征, 得到T1-映射序列(TR為200 ms, TE為13 ms, 樣品厚度為1.5 mm)； 用MODEL550型酶標儀(美國BIO-RAD公司)測定產物的吸光度.

1.2 CdTe量子點的制備

參考文獻[23], 將7 mg碲粉與適量硼氫化鈉加入3 mL雙蒸水中, 磁力攪拌至溶液呈淺粉色, 得到溶液A； 將48 mg氯化鎘溶解于100 mL水中, 通氮氣除氧20 min后加入80 μL巰基丙酸, 用1 mol/L氫氧化鈉調節pH=10, 得到溶液B. 將溶液A加入溶液B中, 于100 ℃加熱回流1 h, 得到CdTe量子點, 冷卻后于1～4 ℃貯存備用. 通過與羅丹明6G(以無水乙醇為溶劑, 其量子產率按95%記)標準樣品進行對比, 求得CdTe量子點的熒光量子效率為25%[24].

1.3 CdTe@SiO2微球的制備

將35 mL無水乙醇和5 mL硅酸四乙酯(TEOS)混合, 攪拌20 min, 加入7 mL CdTe量子點, 50 ℃油浴加熱30 min, 將反應后的溶膠離心(6 000 r/min, 3 min), 用V(去離子水)∶V(乙醇)=1的混合溶液洗滌3次(重復超聲溶解和離心操作), 將所得固體粉末于80 ℃烘干備用.

1.4 CdTe@SiO2@GdF3微球的制備

稱取0.015 8 g的氯化釓溶于3 mL去離子水中, 另稱取0.007 4 g NH4F溶于10 mL去離子水中, 備用. 將CdTe@SiO2微球通過超聲溶解于配制的3 mL氯化釓溶液中, 加入配制的NH4F溶液, 攪拌10 min, 75 ℃油浴加熱攪拌 2 h[25], 離心分離(6 000 r/min, 3 min), 用V(去離子水)∶V(乙醇)=1的混合溶液洗滌3次(重復超聲溶解和離心操作), 將所得固體粉末于80 ℃干燥, 得到灰綠色或橘紅色粉末, 即為CdTe@SiO2@GdF3微球.

2 結果與討論

2.1 形成過程分析

CdTe@SiO2@GdF3微球合成過程如圖1所示. 由圖1可見, CdTe量子點在合成過程中使用了過量的硼氫化鈉, 可使TEOS水解. 在乙醇/水體系中, 先將CdTe量子點包覆于均勻SiO2層中, 再將已包覆的CdTe@SiO2微球分散于一定量的GdCl3和NH4F混合溶液中, 基于CdTe@SiO2微球表面具有活性的Si—OH與Gd離子相互作用[25], 將Gd以GdF3的形式連接到CdTe@SiO2微球表面合成CdTe@SiO2@GdF3微球.

圖1 CdTe@SiO2@GdF3微球合成示意圖Fig.1 Schematic diagram of CdTe@SiO2@GdF3 microsphere synthesis

2.2 TEM分析

用TEM對合成材料的形貌進行分析, 結果如圖2所示. 由圖2(A)可見, CdTe的粒徑為3～5 nm； 由圖2(B)可見, CdTe@SiO2微球分散均勻， 粒徑均一度較好, 微球的尺寸約為220 nm, SiO2層厚度約為59 nm; 由圖2(C)可見, CdTe核外部包覆一定厚度的SiO2層, 且包覆完全均勻、 表面光滑, 為球形核殼結構； 由圖2(D)可見, CdTe量子點中心核與SiO2層以及外殼層的GdF3之間存在明顯襯度對比, 大量的GdF3以小顆粒形態分散于SiO2表層, 顆粒尺寸為5～8 nm, GdF3層包覆均勻. 產物的粒徑略減小, 但仍具有良好的分散性, 無團聚現象, CdTe@SiO2@GdF3微球仍為核殼結構.

圖2 CdTe量子點(A)、 CdTe@SiO2微球(B)、 放大CdTe@SiO2微球(C)和CdTe@SiO2@GdF3微球(D)的TEM照片Fig.2 TEM images of CdTe quantum dots (A), CdTe@SiO2 microsphere (B)， CdTe@SiO2microsphere (enlarged drawing) (C) and CdTe@SiO2@GdF3 microsphere (D)

圖3 SiO2微球(a)、 CdTe@SiO2微球(b)和 CdTe@SiO2@GdF3微球(c)的EDXA結果 Fig.3 EDXA results of SiO2 microsphere (a), CdTe@SiO2 micros phere (b) and CdTe@SiO2@GdF3 microsphere (c)

2.3 EDXA分析

用EDXA分析合成材料的組成元素, 結果如圖3所示. 由圖3可見： 在CdTe@SiO2微球表面檢測到Si,O元素(與純SiO2微球結果一致)和微量的Na元素, 未檢測到Cd和Te元素, 表明CdTe量子點完全被SiO2包被； 在CdTe@SiO2@GdF3微球表面檢測到Si,O,F和Gd元素, 表明GdF3已修飾在CdTe@SiO2微球表面. 圖4為在CdTe@SiO2@GdF3微球表面的EDXA成像. 由圖4可見, 在CdTe@SiO2@GdF3微球表面存在O元素(圖4(B)中青色點)、 Si元素(圖4(C)中藍色點)和Gd元素(圖4(D)中紅色點), 即Gd元素位于CdTe@SiO2@GdF3微球表面.

圖4 CdTe@SiO2@GdF3微球表面的EDXA成像Fig.4 EDXA imagings on surface of CdTe@SiO2@GdF3 microsphere

2.4 FT-IR分析

圖5 CdTe@SiO2微球(a)和CdTe@SiO2@GdF3微球(b)的FT-IR譜Fig.5 FT-IR spectra of CdTe@SiO2 microsphere (a) and CdTe@SiO2@GdF3 microsphere (b)

用FT-IR譜對CdTe@SiO2微球和CdTe@SiO2@GdF3微球的表面官能團進行表征, 結果如圖5所示. 由圖5中曲線a可見: 在3 432,1 632 cm-1附近出現OH和H2O的振動峰; 1 404 cm-1處的吸收峰可能是因為表面吸附了CO2所致； 1 085,802 cm-1附近為Si—O—Si的反對稱與對稱伸縮振動峰； 947 cm-1附近為Si—OH的對稱伸縮振動峰, 表明CdTe@SiO2微球的表面為SiO2層, 且其表面存在大量的—OH和H2O, 從而有助于氟化釓包覆. 由圖5中曲線b可見： 在3 437 cm-1處的吸收峰為Si—OH中的—OH振動峰； 3 153,1 632 cm-1處的吸收峰也是—OH的伸縮振動峰, 由于樣品吸收水分所致； 1 398 cm-1處的振動吸收峰可能是表層吸附了CO2所致； 1 095 cm-1處為Si—O—Si的反對稱伸縮振動峰； 959 cm-1處為Si—OH的對稱伸縮振動峰, 與曲線a相比, 這兩個峰均發生了位移和強度減弱, 表明GdF3已包覆在SiO2表層； 802 cm-1附近為Si—O—Si的反對稱與對稱伸縮振動峰, 與曲線a相比, 吸收峰波數未發生明顯變化, 但強度減弱. 此外, 在CdTe@SiO2@GdF3表面仍存在大量的—OH基團, 具有SiO2的表面性質, 仍可與離子發生鍵合作用. 氟化物在中紅外區沒有吸收峰, 因而在曲線b中未出現新的吸收峰.

2.5 熒光光譜分析

用熒光發射光譜考察CdTe量子點修飾SiO2和摻釓后熒光性能的變化， 結果如圖6所示. 由圖6(A)可見, 與CdTe量子點相比, CdTe@SiO2微球的熒光發射強度降低, 熒光發射波長從526 nm紅移至529 nm, 可能是SiO2包覆后CdTe量子點發生團聚, 從而引起熒光發射光譜紅移. 相對于CdTe@SiO2微球, CdTe@SiO2摻釓后的熒光發射強度進一步降低, 且熒光發射波長紅移至536 nm, 可能是由于粒子周圍的局域折射率逐漸增強, 導致熒光發射峰發生紅移. 圖7為合成的CdTe@SiO2@GdF3微球在自然光和紫外光(365 nm)照射下的照片. 由圖7可見, CdTe@SiO2@GdF3微球具有良好的熒光發射性能, 且熒光發射波長可通過選取不同波長的量子點調控.

圖6 挑選的CdTe量子點、 CdTe@SiO2微球和CdTe@SiO2@GdF3微球的熒光發射光譜(A)及歸一化的熒光光譜(B)Fig.6 Fluorescence emission spectra of selected CdTe quantum dots, CdTe@SiO2 microsphere and CdTe@SiO2@GdF3 microsphere (A) and norm alized fluorescence spectra (B)

圖7 3種CdTe@SiO2@GdF3微球在自然光和紫外光(365 nm)照射下的照片Fig.7 Photographs of three CdTe@SiO2@GdF3 microspheres irradiated by natural light and UV light (365 nm)

2.6 MRI分析

采用3T MRI掃描獲得T1-加權和弛豫成像圖, 對合成材料的磁共振成像性能進行分析, 如圖8所示. 圖9為不同濃度CdTe@SiO2@GdF3微球的T1-加權和偽彩MR成像.

圖8 室溫下CdTe@SiO2@GdF3微球的弛豫率R1(1/T1)Fig.8 Relaxation rate R1 (1/T1) of CdTe@SiO2@GdF3microsphere at room temperature

a～f: c(Gd3+)=0,0.012,0.015,0.018,0.03,0.06 mol/L.圖9 不同濃度CdTe@SiO2@GdF3微球的 T1-加權和偽彩MR成像 Fig.9 T1-Weighted and pseudo color MR imaging of CdTe@SiO2 @GdF3 microsphere with different concentrations

由圖8可見: 隨著CdTe@SiO2@GdF3微球中Gd3+濃度的增加, T1-加權MRI信號強度逐漸增大; 不同濃度CdTe@SiO2@GdF3微球中Gd3+的弛豫速率(R1)的線性關系良好(R2=0.998). 由直線的斜率可得弛豫參數r1=3.48 s-1/(mmol·L-1), 表明合成的CdTe@SiO2@GdF3微球可用于T1-加權磁共振成像.

2.7 細胞毒性

用Mosmann的MTT(四唑鹽)比色法量化細胞毒性. 將不同質量濃度的納米離子與人臍靜脈血管內皮細胞(ECV304)共孵24 h, 用酶標儀測定各孔在490 nm波長下的吸光度值, 結果列于表1. 由MTT法可知, 吸光度值與活細胞數成正比, 即吸光度越大, 活細胞數目越多. 由表1可見, 在5～200 μg/mL內, 不同質量濃度CdTe@SiO2@GdF3微球溶液對吸光度的影響均較小, 當CdTe@SiO2@GdF3微球溶液質量濃度為200 μg/mL時, 細胞活力仍大于90%, 表明其對細胞的毒性作用較弱.

表1 CdTe@SiO2@GdF3微球對ECV304細胞生長增殖率的影響Table 1 Effect of CdTe@SiO2@GdF3 microsphere on proliferation rate of ECV304 cell

綜上所述, 本文在水/乙醇體系中制備了單分散的CdTe@SiO2微球, 該方法減少了有機溶劑的使用, 且操作簡單、 條件溫和、 綠色環保. 通過NH4F將Gd修飾在CdTe@SiO2微球表面后, 得到了核殼結構的CdTe@SiO2@GdF3微球. 相對于CdTe量子點, CdTe@SiO2@GdF3微球的熒光發射光譜發生了紅移, 且熒光發射強度降低, 但CdTe@SiO2@GdF3微球仍具有良好的熒光發射性能. MRI分析表明, 弛豫參數r1=3.48 s-1/(mmol·L-1), 表明合成的CdTe@SiO2@GdF3微球具有良好的磁共振成像性能. 量化的細胞毒性實驗表明, 當CdTe@SiO2@GdF3微球溶液質量濃度為200 μg/mL時, 細胞活力仍大于90%, 表明其對細胞的毒性作用較弱.

感謝吉林醫藥學院齊玲教授在Mosmann的MTT比色法量化細胞毒性實驗中的幫助.