離散偶極近似仿真金屬調制稀土熒光及應用研究

呂銳嬋 王燕興 楊 凡 陳朝暉 田 捷 林 君

(1. 西安電子科技大學 分子與神經影像教育部工程中心, 智能傳感交叉前沿研究中心,生命科學技術學院, 機電工程學院, 陜西 西安 710126；2. 中國科學院長春應用化學研究所 稀土資源利用國家重點實驗室, 吉林長春 130022)

1 引 言

分子影像是傳統醫學影像學、現代分子生物學、光子學、材料化學等多學科交叉的新興技術,以設計功能性納米材料為核心構建分子成像探針已經成為腫瘤診斷領域的研究熱點[1]。 分子影像探針的特點體現在：探針尺寸足夠小,可以透過血管、細胞膜等生理性屏障,在細胞、分子或基因水平對病灶部位進行成像,使得其在癌癥的早期診斷領域有非常好的臨床應用研究前景[2-4]。 而稀土無機探針光色可調、激發發射光帶位移大,具有特色的“上轉換可見發光(UCL)”優勢,其激發光正好處于近紅外區域,滿足生物成像“使用毒害小和穿透力強的近紅外光(650 -900 nm)作為激發源”的迫切需要[5-8]。

稀土上轉換發光納米晶能夠將處于光學窗口的近紅外光轉化為可見光,具有良好的生物穿透深度,同時可見光幾乎完全避免了激發光自體干擾,使得傳統上必須同時使用的多種激發源歸結為單一的近紅外光,避免了診斷光源和治療光源的分離；而稀土近紅外二區(NIR Ⅱ)成像的發射光散射更低、對生物組織的穿透性更強、受生物體自體熒光的影響更小、成像深度更高、空間分辨率更高,也開始受到關注[9-12]。 尤其是上轉換稀土發光材料,其“與激發光分離的可見光發射”這種獨特優勢是傳統上最常用的金納米探針不能替代的。 在新型光動力/光熱診療領域,UCL 探針可以將較深穿透力的近紅外光轉化為與光敏劑匹配的可見光,在發光的同時激發光敏劑產生單線態氧(光動力治療)或產生熱量(光熱治療)殺滅癌細胞[13]；在光遺傳學領域,通過近紅外激發稀土探針產生的可見光控制離子通道可以調節神經元,從而控制神經回路、治療神經元疾病、實現腦內無創深度腦刺激等[14-15]；在太陽能電池領域,上轉換發光材料作為光伏材料可以將近紅外光轉換為有效利用的可見光,從而增強光電轉換效率[16-17]。

盡管稀土發光材料應用廣泛且發展迅速,上轉換納米晶的生物應用仍然面臨著巨大的挑戰[18]。 上轉換發光通常有激發態吸收、光子雪崩、交叉弛豫、連續能量轉移、協同上轉換等5 種雙光子或多光子能量傳遞方式(如圖1(a1) ～(a5))。 基于這些能量傳遞過程,傳統上最常用Er3+、Ho3+、Tm3+作為稀土發光材料的激活劑,并通常使用Yb3+敏化,但發光效率會因Yb3+在近紅外區域的吸收譜帶窄而受限。 目前公認的具有最高上轉換效率的六方相NaYF4∶Yb,Er 的上轉換效率也僅為10%,而對于具有超小尺寸的UCL納米晶,上轉換效率一般僅為0.1%～1%[19-20]。研究者們運用各種手段嘗試提高發光材料的效率與亮度,主要集中在對摻雜濃度和表面缺陷的調控上：(1)調控稀土材料的基質及共摻雜的激活劑、敏化劑濃度；(2)控制稀土材料的形貌、尺寸、結構等[21]。 然而,“稀土上轉換納米晶較低的上轉換效率、較小的吸收截面、吸收譜帶較窄”這3個突出問題依舊不能從根本上解決。

圖1 (a1) ～(a5)上轉換發光的5 種傳遞類型能級圖；(b)熒光材料以及金屬調制熒光材料的Jablonski能級圖。Fig.1 (a1) ～(a5)Energy levels of five types of UCL. (b)Jablonski energy levels of luminescent materials without and with metal modulated.

最近數年,一些新的物理調節手段被應用于提高發光強度,比如表面等離子共振(SPR)效應,有機染料的天線作用,以及光子晶體效應對局域光場的調控等[22-25]。 本文的創新點在于,在使用金屬等離子共振增強UCL 熒光這種方式中,先使用離散偶極近似(DDA)對擬構建的稀土-金復合結構進行模擬,通過改變模型的尺寸參數,根據計算出的結果探究共振峰的變化規律,指導對實際樣品的結構調整,并對最終的結果進行實驗驗證。

2 SPR 與LSPR 及金屬增強熒光機理

SPR 現象一般發生在平面金屬材料的一側,當入射光沿著一定角度碰撞到金屬材料表面時會產生一種消逝波,而這種消逝波與材料內部產生的等離子波相遇就會產生共振。 使用光柵、棱鏡和光纖等輔助工具可以激發產生等離子共振,比如全內反射的Kretschmann 棱鏡；光波與金屬納米粒子相互作用產生的則是另一種特殊的等離子共振,當光波作用在金屬納米粒子表面時,使得納米粒子表面的自由電子產生集體振蕩,當該振蕩的頻率與入射光頻率一致時,會產生共振現象(圖2),此時在納米粒子表面的電磁場會被增強[24-25],這種現象即為局域表面等離子共振(LSPR)[26]。

圖2 金屬納米粒子表面的局域表面等離子共振Fig.2 LSPR on the surface of metal nanoparticles

合理利用SPR 可以有效增強熒光分子的發光強度[27-30]。 而金屬增強熒光的機理主要來自3個方面(圖3)：局部電磁場增強對激發光的吸收、Purcell 效應提升輻射速率[31]、近距離的熒光共振能量轉移(FRET)[25,32]。

首先,在輻射光影響下,貴金屬納米粒子產生的LSPR 能夠帶來一個局域電場增強(Local field enhancement,LFE)的效果,該電場可以促使熒光分子吸收更多的激發光,從而使其激發強度和轉換效率獲得有效的提高。

其次,對于Purcell 效應,在公式上體現為將其輻射速率從Γ提升到Γ+Γm(圖1(b))。 在無金屬粒子參與下,自由態熒光分子的量子產率和熒光壽命計算公式為：

而當有金屬的LSPR 作用影響時,多出的Γm會將熒光分子的量子產率和熒光壽命的表達方式改為：

圖3 金屬增強熒光機理Fig.3 Mechanism of metal enhanced fluorescence

因而,在Purcell 效應的影響下,UCL 的量子產率將會增大,即發光得到增強。

在理論上,Purcell 效應具體是指,如果將輻射偶極子置于共振腔中,則與自由空間相比,發射強度將在共振時放大。 腔體內的光學局部密度(LDOS)是共振腔中入射光產生的局部電場。 在空氣中,LDOS 幾乎恒定,偶極子會正常輻射所有光子能量。 而在共振腔體中,LDOS 在共振波長處將達到峰值,同時偶極子能夠以比在空氣中更高的速率發射。 接著,空腔可以重新輻射轉移的能量,從而導致偶極子發射的整體增強。

第三,FRET 是指如果金屬等離子體和熒光分子相距在約1 ～10 nm 之間,則一個偶極子的非輻射局部場可以激發另一個偶極子,即FRET效應。

FRET 中能量轉移的效率(ηFRET)取決于兩個因素：一個因素為分離距離R,因為每個偶極子具有1/R3近場,導致R對ηFRET的衰減率為1/R6；另一個因素R0取決于供體激發態發射與受體基態吸收之間的光譜重疊。 在等離子體/熒光團的FRET 中,R0的值通常在3 ～8 nm 的范圍內[25]。 由于增強的局部場和LSPR 固有的較大吸收截面,FRET 過程非常有效,在等離子體存在下基本上R＜R0。 在從等離子體到熒光團或從熒光團到等離子體的過程都可以發生FRET,對熒光的影響也不同。

總的來說,等離子體共振峰和熒光發射峰之間的光譜重疊,決定了是否存在FRET 或Purcell效應,以及是否導致熒光團發射的增強或猝滅[33-34]。 因而,通過材料合成設計控制共振峰的理論基礎是：(1)對于增強的局域電場,當金屬共振峰與稀土激發峰重合時,會起到對激發光吸收的最優增強。 (2)如果金屬共振峰與稀土熒光分子的發射峰重疊,則遠距離(10 ～50 nm)的Purcell 效應和近距離(10 nm)的FRET 對熒光的增強效果不同(與熒光團的尺寸、距離有關)。 (3)對于以吸收為主的較小納米粒子(粒徑 ＜15 nm),根據FRET 的方向不同,會在一定程度上減弱或增強熒光；對于以散射為主的較大納米粒子,FRET 和Purcell 效應都會增強稀土發光。 由于超出FRET 的距離處等離子體場相對于自由空間的LDOS 增強,將誘發強烈的Purcell 增強,與自由空間相比,這將導致熒光團的輻射率增加,而使熒光發射增強。

3 金屬納米粒子電磁特性計算

從以上理論部分可以看出,金屬納米粒子的結構、形貌、尺寸不同,或復合材料的整體結構不同,都會導致產生的LSPR 峰不同[35-37]。 因此,調整金屬粒子的尺寸、形貌或排布,在一定程度上可以改變LSPR 峰的位置和強度[38-39]。 細節上,通過控制這些變量并對其結果進行研究,可以探尋出改變金屬納米材料LSPR 峰的一些規律,進而可以根據這些規律有效地調變到對熒光效果有意義的波長位置。 而如果有理論方法能對稀土-熒光納米粒子的電磁特性進行預測,將會對我們通過LSPR 效應來調制熒光非常有幫助。

3.1 金屬納米粒子電磁特性計算方法

1908 年,德國科學家Gustav Mie 對麥克斯韋方程組增加了邊界條件,提出了Mie 散射理論[40],這便是金屬納米粒子電磁性質計算的開端。 Mie 散射理論只能計算均勻的球形納米粒子,對于其他形狀或是各向異性的納米粒子,不能求出解析解。

隨著計算機技術的發展,在接下來的百年中,逐漸出現了多種對納米粒子散射問題的數值計算方法,包括T 矩陣法、時域有限差分法、有限元方法、離散偶極子近似等。

T 矩陣(T-matrix)方法最早是在1965 年由Waterman 處理電磁場散射問題時提出來的[41]。T-矩陣適用于非球形的納米粒子求解,但求解過程容易振蕩而不易收斂。 Yee 在1966 年提出了Mie 散射方程的差分離散形式,并形成了時域有限差分法(FDTD)[42]。 FDTD 的優點是,能夠實時模擬場的分布,且精確度較高。 有限元方法(FEM)是Courant[43]在1943 年首先提出的,目前該方法應用廣泛且有成效。 然而,FEM 法在對光的散射問題求解時比較困難。 且由于FEM 法是區域性的方法,在實際計算中將會受到計算機存儲空間和運算速度的限制。

離散偶極近似法(DDA)的理論基礎是使用大量的離散偶極子陣列來近似模擬連續物體,通過求解在入射波環境下的偶極子極化度來解得物體的散射、吸收截面[44]。 1964 年,Howard DeVoe在發表的論文中提出了DDA 理論的基本框架。1973 年,Purcell 和Pennypacker 進一步確立 了DDA 方法的基本原理,并通過電磁波公式表達了偶極子電場的影響。 1988 年,Drain 提出了更適合電磁波條件的Clausius-Mossotti 加輻射反應標準的求解。 同一時期,Drain 使用計算機語言編寫了DDA 計算機程序,并命名為DDSCAT[45],之后DDA 繼續不斷發展。 1991 年,Goodman 將快速傅里葉變換方法帶到計算中而提高了運算效率[46]。1993 年,Drain 與Goodman 開始使用晶格色散關系更為準確地表達偶極子的極化度[47]。 2008年,Drain 與Flatau 實現了DDA 對二維周期性材料和一維無限長物體散射的計算[48]。 經過快速的發展和不斷的迭代更新,DDA 算法現已成為研究納米粒子光學散射和電磁場問題的一種廣為人知的常用有效手段。

3.2 DDA 模擬算法原理

DDA 算法可以計算任意形狀納米粒子在電磁場下的散射、吸收截面,其模型是通過N個偶極子在x、y、z3 個正交方向上排布而成(圖4),偶極子陣列的排布方式也遵循一定規則。

圖4 由N=31 103 個偶極子陣列構成的球體模型Fig.4 Sphere model composed of dipole arrays(N=31 103)

DDA 要求偶極子之間的距離d要足夠小,既要小于目標物體的任何結構部位的長度,又要小于入射光λ的波長。 經過理論研究表明,要滿足d＜λ,必須滿足這個限制條件。 其中,m表示目標物體的復介電函數,k=2π/λ。

在DDA 計算中,將模型的體積表示為V,則可以得出一個有效半徑aeff=(3V/4π)1/3,表示與之同體積的球體半徑。 而V和d之間的關系為V=Nd3。 因此,不等式可以等效為

所以,如果實際物體的m值較大,或者kaeff過大,則需要足夠多的偶極子數才能準確地代表目標物體。

DDA 的算法步驟為：(1)以三維等距排列的偶極子構成要模擬的實際物體；(2)以實際物體的介電性質確定模型中對應部分的偶極子極化率；(3)求解入射電磁場下所有偶極子的偶極矩；(4)根據上一步得到的偶極矩求解模型的最終消光截面和散射截面。

以下為求解偶極矩的過程：在入射光的影響下,每個位于ri處的偶極子都會產生一個偶極矩Pi,而Pi=αiEi。 其中,αi和Ei分別表示ri處偶極子的極化率和總電場。 總電場由入射光(公式(5))和ri處之外的偶極子(公式(6))兩部分構成,分別可表示為：

整合之后,總的電場Ei可表示為

其中Aij是個3N×3N矩陣,表示偶極子間的相互關系。 在i=j處,若定義Aij=α-1,則可以簡化為

此時,已將散射問題轉化為求解3N維線性方程中偶極矩Pi的問題。 求解方程組之后可得到Pj,再經過以下兩個公式可求出模型的消光截面和散射截面：

最后,通過以下兩個公式可以最終求得模型在入射電磁場下的消光效率和吸收效率：

散射效率Qsca的計算公式為

3.3 DDSCAT 使用流程

DDSCAT 是最早被開發的DDA 軟件工具,由Drain 和Flatau 使用Fortran 語言編寫[48-50]。

我們的研究體系使用的是Windows 版本的DDSCAT,其使用步驟為五步：設計模型,設置相關參數,程序運行,分析消光系數,電場圖可視化。(1)設計模型：由于DDSCAT 內置的模型形狀過于簡單,因此需要用戶借助類似Matlab 軟件自行編程來設計模型。 編程的目的是產生一個包含模型所有偶極子點三維坐標的文件,并將其命名為shape.dat,即可帶入DDSCAT 程序中運行。 (2)設置相關參數,主要包括：模型構成部件的介電常數、入射波長的范圍、有效半徑、是否需要近場計算。 這些都需要在ddscat. par 文件中配置。 (3)程序運行：啟動程序包中的ddscat. exe 即可開始運行程序。 (4)分析消光系數：程序正常運行結束后,會得到一個記錄了不同波長下模型消光系數的qtable 文件,可以使用文件中的數據進行分析和繪圖。 (5)電場圖可視化：若在參數配置中選擇了計算近場,則此時可運行ddpostprocess 將后綴為E1 的近場文件轉換為后綴為vtr 的文件,后者可以經過Vislt 等軟件進行可視化,以分析模型的電場分布。

4 金屬增強上轉換熒光的應用

4.1 DDA 指導納米金球增強介孔La2O3 ∶Yb/Er 的發光

在藥物緩釋系統(DDSs)中,中空介孔微球由于其獨特的低密度特性、高比表面積和特殊的多孔結構,在藥物載體、細胞成像、光動力療法和基因傳遞等生物領域有著廣泛的應用,并引起了人們極大的興趣。

近年來,DDSs 得到了不斷的發展。 Yang等[51]成功地制備了一種粒徑為130 nm 的LaF3∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2核/殼微球,利用微球的通道可以儲存布洛芬,同時,其介孔結構能夠限制并控制分子的擴散。 Wang 等[52]開發了一種能有效地將核酸導入腫瘤細胞的上轉換納米粒子/聚合物復合系統,并結合了核磁成像/CT 成像/UCL 三模態成像特性,作為體內外可追蹤的探針。 Yan 等[53]合成了一種新型兩親性含氟嵌段共聚物,由甲基丙烯酸低聚乙二醇甲醚、甲基丙烯酸2-(N,N-二甲氨基)乙酯組成,所制備的納米團簇不僅具有良好的水分散性、生物相容性和生物環境穩定性,而且對DOX 具有良好的pH/氧化還原雙響應釋放性能。 You 等[54]報道了一種直徑40 nm 的高DOX 負載率的雙功能空心金納米球,在近紅外光(NIR)介導下,能實現對腫瘤細胞的光熱消融和藥物釋放。 在所介紹的現有DDSs 研究中,這些體系都沒有涉及到對金屬LSPR 作用的有效利用,或是沒有通過數值計算方法進行金屬電磁特性的分析。

在最開始的實驗設計中,我們使用乙醇氣泡作為軟模板,以共沉淀的方法形成La(OH)3∶Yb/Er,再經退火包金合成了La2O3∶Yb/Er@Au HMSs(中空微球)[55]。 該體系中,我們對合成的La2O3∶Yb/Er@Au HMSs 樣品不止做了一系列的形貌表征、光譜測試,還首次通過DDA 理論對Au 的消光特性進行了計算,并與金納米粒子(Au nanoparticles,Au NPs)的實驗吸光譜進行了對比,亦使用DDA 模擬了兩個Au NPs 間不同距離下的電場強度分布。

光譜檢測表明,與La2O3∶Yb/Er 相比,La2O3∶Yb/Er@Au 在523,549,661 nm 處的發射峰分別增強了23.9,19.3,16.8 倍。 通常,409 nm 處這種效率較低的三光子或四光子熒光過程是不容易觀測到的,然而在該體系中可檢測到效率較低的三光子或四光子UCL 過程(由2H9/2→4I15/2產生的發射峰),體現了Au 對樣品發射光的增強效果非常明顯。 另外,低功率67 mW 下的熒光增強比率高于406 mW 較高功率下的比率。 這表明,在較低激發功率下,UCL 發射得到了更大的提高,這歸因于較低功率下有較高的局域場增強效率。

當Au NPs 結合熒光粉時,可能會產生兩種影響：(1)由于激發過程中Au NPs 在NIR 激發下發生了等離子共振,因而產生的LFE 增強了La2O3∶Yb/Er 對NIR 的吸收,提高了激發效率；(2)發射過程中由于LSPR 對可見光的吸收發生了從La2O3∶Yb/Er 向Au NPs 的能量轉移,從而降低了樣品的發射光。 這兩種效應都可以改變UCL 的強度和壽命,而UCL 的增強則依靠LFE 的作用。光熱實驗表明,兩種樣品在NIR 照射下的溫度變化相似。 這說明兩者都因Er3+離子的非輻射躍遷導致了相同的溫度升高,同時La2O3∶Yb/Er@Au 也沒有由于LSPR 效應而發生多余/增加的非輻射躍遷。

圖5 (a)單個金納米球的消光峰對比,其中a1 為實驗測得系光譜,a2(真空環境)和a3(環境折射率=1.8)為DDA 模擬的吸收、散射和消光譜；(b)在980 nm波長下,兩個金納米粒子球體之間距離不同時的電場強度(|E|/ |E0|)[55]。Fig.5 (a)Comparison of extinction peaks of single gold nanosphere. Here, a1 is the absorption spectrum measured by experiment, a2(in vacuum) and a3(environmental refractive index of 1.8) are absorption, scattering and extinction spectra simulated by DDA. (b)Change of electric field intensity (|E|/|E0|) with different distance between two Au NPs under 980 nm excitation.

接著,采用DDA 計算方法研究和預測了樣品模型的共振峰和電場強度(圖5)。 直徑10 nm 的Au NPs 的實際吸收光譜和DDA 模擬結果非常相似。 同時,由于制備的La2O3∶Yb/Er@ Au 由Au和La2O3∶Yb/Er 組成,因而分別模擬并計算了Au處于空氣環境和La2O3∶Yb/Er 折射率(1.8)環境中的吸收峰,結果發現前后的吸收峰從510 nm 轉移到了580 nm。 這種轉變阻止了從La2O3∶Yb/Er向Au NPs 的光子轉移,因此523 nm 和549 nm 的發光沒有減弱,即防止了LSPR 對部分發射光的消光作用。 電場強度可視化圖表明,兩個球體之間在相距較小的3 nm 處出現強度的最大值。 在實驗合成中,當Au 溶液量逐漸增加時,Au NPs 之間的距離將相應減小；當Au 增加到0.5 mL 時,La2O3∶Yb/Er@Au 的強度達到最大值；之后隨著溶液量增加,發光強度降低。 DDA 模擬出的電場強度變化與實驗Au 的加入量引起光強變化結果有較好的吻合。

4.2 納米金球增強介孔材料的成像及光致藥物釋放

在DDSs 的不斷發展中,為了克服多重耐藥性MDR 現象,研究者對緩釋系統的結構和性能進行了不斷的提升,比如通過腫瘤微環境pH/GSH 雙響應控制藥物釋放、利用DNA 的循環雜交及利用金納米框架的光熱效應控制DOX 的釋放等方法。

Yao 等[56]報道了一種新型脂質體DDSs,并命名為UCNP@ Azo-Lipo。 該體系開發了一種簡便的方法,在溶酶體捕獲囊泡之前,通過近紅外控制DOX 釋放到特定的時空點來克服MDR,避免了MRP1 效應引起脂質體的分解和DOX 的流出。Lei 等[57]合成了一種基于MnO2納米片的雙敏感藥物釋放系統UCNPs@mSiO2-MnO2。 在低pH 和高GSH 條件下,隨著MnO2的分解和DOX 的釋放,發光強度和磁共振信號都會增強。 Zhang等[58]設計了一種上轉換發光的DNA 偶氮苯(Azo)納米泵,在NIR 下,UCNPs 發出紫外和可見光兩種光子,可推動Azo 的連續光異構化,使其像一個葉輪泵,觸發DNA 的循環雜交,實現DOX 的可控釋放。 Tang 等[59]采用空間約束的電偶置換方法,制備了獨特的Au@mSiO2微球。 金納米框架的光熱效應能顯著促進DOX 的快速釋放。 體外研究表明,光熱療法和化學療法在Au@mSiO2微球中對Hela 細胞有明顯的協同殺傷效果。

在利用金屬的光熱來控制藥物釋放這一體系中,我們采用簡易的大規模共沉淀法合成了Na5Lu9F32∶Yb/Er 中空介孔微球[60]。 經過PEI 對氟化鑭HMSs 進行了改性,然后將平均粒徑約10 nm 的Au NPs 包覆在了微球表面。 接著,依次對包金Na5Lu9F32∶Yb/Er @ Au HMSs 和不包金Na5Lu9F32∶Yb/Er HMSs 的不同激發功率、壽命、非輻射特性下的發光強度、DDA 模擬、MTT 分析、DOX 釋放、UCL 發光成像特性等方面進行測試與探索,證實了該復合材料在生物成像和藥物釋放方面的可行性。 同時,使用DDA 對Au NPs 進行了消光計算和電場強度分析。 溫度對比表明,光照下包金HMSs 溫度會迅速升高,升溫速度和效果明顯高于不包金HMSs,這證明了包金HMSs 由于LSPR 效應發生了更多的非輻射躍遷(即FRET的產生)；另外,Na5Lu9F32∶Yb/Er@Au 的UCL 發光強度會隨光照時間的增加而減小,這也說明了非輻射躍遷的發生。 接著采用交替時間曝光對包金HMSs 在近紅外激光作用下8 h 內的釋放效率進行監測,在相同時間間隔(1 h)內,開啟NIR 時的釋放效率是關閉NIR 時的3 倍。 這正是由于LSPR 效應降低了UCL 局部發光強度和壽命,且Au NPs 的吸光增強而使樣品溫度升高,導致在NIR 照射下DOX 的釋放速率明顯加快。 因此,可以根據具體情況來控制激光照射與否來調節藥物的釋放劑量,從而實現通過Au NPs 的熱效應“開/關”模式控制DDSs 的釋放過程,更利于實現DOX 分子最初的快速釋放和后期的緩慢釋放。

4. 3 DDA 指導稀土-金殼UCNPs@SiO2-Au發光

從前面兩個體系,我們發現金納米粒子對稀土發光材料的發光性能或光熱控釋藥物有作用,而且我們使用DDA 對單個納米粒子及不同距離納米粒子的消光和電磁性能進行了模擬。 近幾年來,對于利用金屬的等離子共振作用調制上轉換熒光的研究一直有所發展,不論是調整光色還是增強熒光[61-62]。

Li 等[63]提出構建了NaYF4∶Yb,Er@ SiO2@Au 復合納米結構。 通過改變Au NPs 的數量,可調節發射光從綠到紅的變化。 Saboktakin 等[64]合成了一種在NaYF4∶Yb,Er UCNPs 激發波長處共振峰可調諧的等離子體納米孔陣列。 制備中,利用了可重復光刻技術制作陣列,并用刮板法填充粒子。 通過穩態和時間分辨的光致熒光光譜測量,進一步研究了位于陣列中的UCNPs 的等離子體發射增強。 Kang 等[65]設計并制作了一種由GNR@SiO2與NaGdF4∶Yb3+,Nd3+@NaGdF4∶Yb3+,Er3+@NaGdF4復合的核/殼/殼結構,該結構具有很高的UCL 增強效果(高達20 倍)和靈活可調的UCL 光色。 實驗結果表明,控制SiO2間隔層的厚度可以很容易地控制Er3+紅綠藍發射光的強度比,從而在808 nm 激發下實現由淺黃色到綠色的發射顏色調諧。

與之前不同的是,我們不僅對單獨金顆粒的消光譜進行模擬,而且首次利用DDA 對整體稀土-金屬模型結構的消光計算,來探究材料結構改變而產生的共振峰變化規律,以此來預測LSPR并指導材料合成。 由于應用LSPR 效應增強熒光需要金屬和熒光團之間保持一定的距離,因此我們選擇了介孔二氧化硅殼層作為UCNP 和Au NPs 的間隔層。 在該設計理念的驅使下,合成了UCNPs@ mSiO2-Au 復合材料[66]。 其中,UCNPs是通過高溫熱解法合成的,并使用TEOS 包覆上硅層,最后借助APTES 修飾硅層,利用靜電吸附上金納米粒子。 其中,硅層和金層的厚度都可以通過實驗反應物加入量控制,按照設計預期控制合成。 DDA 模擬方面,設計了UCNPs@mSiO2-Au的核/殼/殼結構,并計算了模型在300 ～900 nm的入射光范圍下的消光值。 計算結果表明,共振峰會隨金層厚度的增加而藍移,隨著硅層厚度的增加而紅移。 這說明金的厚度選擇最薄的5 nm最宜,而硅層可以盡量調厚。 根據DDA 消光峰的變化情況,認定金層和硅層的厚度分別為5 nm 和30 nm 更有利于UCL 增強。 另外,還對模型在共振峰位置λexc=λLSPR和激發光位置λexc=808 nm處的電場強度分布進行了可視化,同樣,當硅層的厚度為30 nm 時,這兩個位置處的電場強度都比其他結構的模型要強。 最后,對模擬結果進行實驗驗證,UCNPs@SiO2-Au 樣品的發光強度相比單純的UCNP 增強了2 倍多。 至此,首次在LSPR 調制UCL 的過程中,實現了DDA 對稀土-金屬復合材料結構構建的指導作用。

4.4 DDA 精確指導不同金球分布UCNP@SiO2@Au 的熒光增強

在探究金屬LSPR 作用增強熒光的過程中,研究者除了采用不同的金屬納米粒子種類和單體結構,整體的稀土-金復合結構的設計與合成也逐步多樣化。

Ge 等[62]報道了Au/SiO2/Y2O3∶Yb3+,Er3+納米粒子在980 nm 激發下的LSPR 增強UCL。通過調整硅間隔層的厚度,可以使綠光發射最大增強9.59 倍,通過數值模擬和實驗,研究了間隔距離對Au-Y2O3∶Yb3+,Er3+綠色上轉換的影響。Yin 等[67]成功制備了一種用于金屬增強上轉換發光的新型納米復合材料Ag@SiO2@Lu2O3∶Gd/Yb/Er,并對其形貌、晶相、組成、光學性質和細胞成像應用進行了研究。 結果表明,與未加銀核的對照組相比,該納米復合材料的上轉換發光強度最高可達30 倍,并且HeLa 細胞吞噬后表現出明亮的上轉發光。 Hinamoto 等[68]使用液相合成和氣相沉積相結合的方法,開發了一種由金屬核、上轉換殼和金屬帽組成的上轉換復合納米粒子。 對比金屬核/介電殼結構和金屬核/介電殼/金屬帽結構的上轉換強度,發現金屬帽的形成使上轉換強度增加了數倍。

為了對UCNP@ mSiO2-Au 做更精確的DDA模擬,我們對模型的創建進行了優化,將之前的實體金殼替換成了隨機分布的金球(不同尺寸、不同分布數量)。 在樣品合成方面,使用水熱法制備了不同粒徑和形狀的UCNPs 前驅體,并使用TEOS 在其表面包覆了SiO2殼,與之前一次性加入金納米粒子所不同的地方在于,通過采用層層包覆法(Layer by layer,LBL)可以有效地控制金納米球的數量,使合成的樣品更符合計算機模擬的模型(圖6)[69]。

圖6 不同分布、不同尺寸稀土-金屬的設計示意圖[69]。Fig.6 Design diagram of rare earth-metal with different distributions and sizes[69]

DDA 模擬方面,根據TEM 圖中樣品粒徑的實際測量值,設計了兩種NYF@ SiO2@ Au 的核/殼/殼模型,其中NYF 粒徑為60 nm,SiO2層厚度為24 nm,并使用了5 nm 和20 nm 兩種粒徑的Au NPs。 同時,計算出模型的兩種有效半徑為89 nm和94 nm。 細節上,金層又分為3 種,分別為在數量上金納米球占有完整殼層30%、60%和90%,這樣的設計對應于實際樣品中包覆不同次數Au NPs(不同數量)的NYF@ SiO2@ AuX(1 ～3,X=小S/大L)。 DDA 計算方面,在入射光為300 ～1 000 nm 的范圍內,得出消光變化規律為：不論模型外層是大/小Au NPs,產生的消光峰(LSPR峰)都會發生隨Au NPs 數量的增加而在NIR 區域不斷增強的變化,同時會有紅移趨勢。

實驗驗證方面,對于3 種小金顆粒包覆的NYF@SiO2@AuS,光譜結果顯示的規律是,隨著LBL 次數從1 增加到3,樣品在360 nm(分別為2.1 倍、6.13 倍、10.1 倍)和475 nm(分別為1.8倍、3.7 倍、7.4 倍)的熒光會不斷增強,與DDA 計算出的消光規律非常一致。 對于3 種大顆粒包覆的UCNP@SiO2@AuL 的光譜,在475 nm 處其熒光強度分別是單獨UCNP 的4. 3 倍、1. 8 倍和0.26倍。 大金顆粒帶來的LSPR 變化規律沒有與DDA 一致,分析原因有兩點：(1)大Au NPs 的包覆不夠均勻,且發生了聚集,影響NYF 對NIR 的吸收；(2)樣品隨LBL 包覆次數的增加在可見光區域的消光值也發生了增強,對NYF 的發光不利。 這兩種原因導致了實驗結果上的大Au NPs對UCL 調制的不足。 但整體上,經過對DDA 模型精確度的提升,可以體現出DDA 對LSPR 增強UCL 的有效性和穩定性。

4.5 DDA 指導Au/Ag@UCNPs 納米籠的熒光增強及光熱/光動力治療

金納米籠(Au nanocages,Au NCs)經過不斷的發展,在合成方法上越來越成熟,在應用方面,作為金納米粒子的一種,金納米籠的吸收峰是可調的,可以調整到對NIR 有更高吸收,從而具有很好的光熱效應,同時,金納米籠在光催化方面的性能也一直被探索。

Gao 等[70]對金納米籠作為無機光敏劑在NIR單光子/雙光子照射下介導等離子體光化學產生ROS 進行了基本分析,并揭示了NIR 激發下熱電子轉化為ROS 或熱能。 Dong 等[71]成功地制備了具有增強機械強度的Au NCs 和DOX 負載的溶解HA MNs 陣列,所制備的MNs 體系能有效地穿透皮膚屏障,溶解并釋放藥物到皮膚中。 MNs 中具有光熱效應的Au NCs 將光能轉化為熱能,除DOX 對腫瘤細胞的直接損傷外,還可以通過NIR照射殺死腫瘤細胞。 Wu 等[72]采用了一種完全由計算機引導的策略(密度泛函理論),發現了一種高效的pH 值可切換的有機光催化劑(OPC),可在pH=5 時變成無色,并能在pH=7 時恢復強烈的可見光吸收和光活性。

光動力療法(Photodynamic therapy,PDT)作為一種新興的癌癥治療方式,其原理是在合適的激發光照射下,光敏劑能產生能量轉換,將溶液中的氧和水分子置換出活性氧(ROS),以殺傷癌細胞[73-76]。 光熱療法(Photothermal therapy,PTT)同樣是新興的抗癌手段[77-80],能夠吸收入射光并將其轉化為熱量。 金屬材料是光熱治療的不錯選擇[81-84]。 金納米籠也具備產生LSPR 的能力,產生的電子云可以電離水溶液產生ROS,且LSPR能夠幫助金籠增強對入射光的吸收[85-87]。

在上一節DDA 指導LSPR 調節增強上轉換熒光初步成功之后,我們將目標轉向了金納米籠,通過合成改變其尺寸和厚度從而調節共振峰,實現了包覆超小UCNPs 的Au/Ag@ UCNPs 復合樣品發光強度的提高,并驗證了Au/Ag@UCNPs 的光動力/光熱治療能力[88]。

研究依然包括實驗合成、DDA 模擬、光譜驗證三方面。 實驗合成方面,將CTAB 修飾的超小UCNP 與以銀立方為模板電偶置換反應制出的金納米籠混合攪拌,合成出Au/Ag@UCNPs 復合材料。 DDA 模擬方面,設計了3 組9 種不同尺寸和厚度的金納米籠,經過在300 ～900 nm 波長范圍內的計算后,得出3 條規律：(1)隨模型尺寸的增大,其吸光度會減小,而散射增大；(2)在金籠整體尺寸大小不變的情況下,消光峰會隨籠體厚度的增加而藍移；(3)當金籠厚度相同時,共振峰位會隨其整體大小的增大而紅移。 因此,尺寸大、籠體厚的金籠是較好的選擇,但不宜太大,因為會使吸收強度降低。 實驗驗證方面,光譜對比表明Au/Ag@ UCNPs 的發光強度是單獨UCNPs 的兩倍。

在這個體系中,對于復合材料的抗腫瘤治療性能也進行了測試。 光動力方面,使用DPBF 與樣品混合,觀察到在NIR 的不斷照射下,溶液中DPBF 的特征吸收峰不斷下降,證明了樣品產生ROS 的能力；光熱性能方面,經808 nm 激光的持續照射,PBS 溫度只升高0.6 ℃,說明激光不會殺傷正常細胞,而樣品的溫度在5 min 內能夠持續上升9.7 ℃,非常有利于光熱治療。 同時,細胞實驗也證實了Au/Ag@ UCNPs 具有良好的生物相容性。 通過該體系的探究,將DDA 指導LSPR 增強UCL 的應用擴展到了PDT/PTT 領域。

4.6 DDA 指導具有增強紅光的光動力/免疫協同治療

在抗腫瘤治療領域,除了傳統的手術、化療、放療,還有新興的光熱/光動力治療、靶向治療、免疫治療。 免疫治療通過激活人體免疫系統而非直接殺滅腫瘤,成為一種極具前景的腫瘤治療模式。在協同治療方面,研究者發現光動力療法具有激發抗腫瘤免疫反應的能力。 光動力療法能在短時間內誘導癌細胞凋亡和壞死,同時進一步激活免疫細胞,激發抗腫瘤免疫效應,將其與免疫治療相結合將是一種非常好的選擇。

Xu 等[89]設計了一種基于UCNPs 的多任務納米顆粒UCNP-Ce6-R837,以觸發NIR 誘導的PDT 腫瘤免疫治療。 該納米顆粒可經NIR 誘導的PDT 直接破壞腫瘤細胞,并通過誘導樹突狀細胞成熟和細胞因子分泌來刺激免疫反應。 該研究證實了UCNP-PDT 與腫瘤免疫治療相結合的治療效果。 Ding 等[90]制備的UCMSs-MC540-OVA 在980 nm 近紅外輻射下顯示出了最佳的協同免疫增強作用,其結果被最強的Th1 和Th2 免疫反應、最高比值的CD4 + /CD8 +和效應/記憶T 細胞所證實。 Shao 等[91]合理地設計了核殼上轉換納米顆粒@卟啉MOFs(UCSs)用于缺氧性腫瘤的聯合治療。 該納米平臺與抗程序性死亡因子1(α-PDL1)治療的結合促進了通過產生細胞毒性T 細胞的特異性腫瘤滲透來完全抑制未治療的遠處腫瘤的生長,實現了PDT 和缺氧激活化療與免疫治療的相結合。 人體免疫系統具有抗腫瘤作用,但癌細胞可通過改變其表面結構而逃避免疫識別,而免疫治療的目的是使免疫系統能夠成功識別(如免疫檢查點阻斷劑)并殺死免疫細胞。

除了單個金納米顆粒的模擬、不同分布的類似金殼型結構的模擬、金籠子的模擬之外,我們仍然在探究新型的稀土-金屬復合結構,以期在生物安全的條件下具有更優異的發光和診療效果。 在此,通過采用共沉淀法制備了不同長徑比的上轉換納米顆粒(梭形),并包覆SiO2和Au 合成了UCNP@SiO2@AuNPs 復合結構(SPS@Au)[92],最后包覆ZnPc 合成了SPS@Au/ZnPc (SPSZ),并通過抗CTLA-4 抗體的加入實現了對體內免疫性能的提升進而提高療效。

DDA 模擬方面,我們同樣設計了包覆不同金顆粒的SPS@Au。 即SPS 表面由10%、50%、90%和100% 的金粒子構成的金層。 其中,SPS@Au100%表示理論上的完整金殼。 消光結果表明,隨著Au NPs 的增加,模型的消光值也隨之變大,特別是在波長大于700 nm 的區域。 消光峰若和激發光重疊,則SPR 作用能夠最好地增強熒光粉的發光,因而,金顆粒越多,對SPS@Au 的發光越有利。

光譜檢測結果如下,第一,SiO2殼厚度的增加(20 nm、40 nm 到60 nm)會導致熒光強度降低；第二,當SiO2殼厚度一定時,如果包覆不同數量的金顆粒(LBL1、LBL2、到LBL3),SPS@ Au(LBL1)和SPS@ Au(LBL2)有相同的增強規律,而SPS@Au(LBL3)的發光都沒有明顯增強。 這種先增后減的現象可能同樣是由于反應過程中過量添加了Au NPs 而導致其在樣品表面過度積累,造成了UCNP 吸收的激發光降低。

在光協同免疫治療方面,通過設置對照組、PDT+免疫治療組、PDT 組、免疫治療組來進行體內抗腫瘤效果評價。 治療14 d 后,PDT +免疫治療組和PDT 組的腫瘤較對照組都產生了明顯的抑制效果。 單獨的PDT 治療效率也非常高,這是由于復合材料即使在安全的低功率激光照射下也能產生高的抑瘤作用,說明稀土-金屬增強的強烈可見光發射在復合光敏劑后能產生高效的光動力效果。 雖然PDT 組與PDT +免疫治療組的抑瘤效果差異不明顯(由于PDT 效果太明顯),但抗CTLA-4 本身也具有刺激機體免疫記憶的作用。當使用發光不強的稀土-光敏劑體系時,免疫聯合PDT 治療相較于單純PDT 治療的優勢非常明顯。

5 結 論

本文主要綜述了DDA 作為一種金屬電磁場、光學性質模擬方法對稀土發光進行調制的理論、實驗和應用。 文章首先提出上轉換稀土發光的優點及其作為生物診療探針存在“上轉換效率過低、熒光強度不夠”的缺點這樣的研究背景,提出了利用金屬納米粒子局域表面等離子共振效應增強熒光的方法。 在這個基礎上,我們又借助DDA數值計算的方法,通過對模型的光學散射特性和電磁特性計算,來預測材料可能具有的性質,指導對稀土-金復合材料的設計。 本文從Na5Lu9F32∶Yb/Er@Au HMSs 和La2O3∶Yb/Er@Au HMSs 兩種具有中空介孔結構復合金納米球開始,通過Au NPs結合UCNPs,實現了金屬對UCL 發光的增強,并利用熱效應對其藥物釋放進行控制。 在這里,使用DDA 對Au NPs 做了消光和電場強度的計算,并通過實驗結果對比模擬結果進行分析,起到了一定輔助分析的作用。 而對于之后復合金殼的UCNP@mSiO2-Au、復合不同尺寸及分布納米球的NYF@SiO2@AuX、復合金屬籠子的Au/Ag@UCNPs 和梭形SPS@Au,利用DDA 對整個復合結構整體的消光和場強的模擬,將DDA 指導金屬增強上轉換發光,并使得模擬指導實驗設計得以利用。 由于發光增強,對稀土-金屬應用于抗腫瘤協同治療(光熱/光動力/免疫)產生了良好的增強作用。

當然,直到現在我們還是沒有得到熒光增強幾個數量級(LSPR 對金屬單分子的增強效果)的體系,未來我們將著重在以下幾個方面進行研究：(1)設計新型的、穩定的UCNP-金體系,比如金棒/金星/金殼等。 (2)采用其他模擬方法(如時域有限差分法FDTD)對稀土-金屬、光子晶體等體系進行模擬,比較不同模擬方法的優劣,開拓其在發光、照明、傳感等領域的應用。(3)在生物安全條件下,稀土-金屬復合體系能夠產生最強多少倍的發光增強效果? 溶液和單納米粒子的發光性能為何差異較大? 如何改進溶液以期用于醫藥? (4)在生物診療領域,如果稀土-金屬復合,是增強的發光導致了增強的光動力效果,還是金屬本身的無輻射躍遷(光熱)或者其他效能(金屬毒性)產生了增強的抗癌治療效果? 總之,稀土在各個領域的應用都會隨著發光理論及實踐的發展更新換代,日新月異,煥發新的光彩。