聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(qiáng)型金屬納米團(tuán)簇在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展

徐 晗， 王宇昕， 景靳彭， 王一如， 孫文靜， 陳洪敏

(廈門大學(xué) 分子疫苗學(xué)與分子診斷學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 分子影像暨轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究中心， 福建 廈門 361102)

1 引 言

日常生活中，光學(xué)材料的應(yīng)用十分廣泛。金屬納米團(tuán)簇(Metal nanoclusters,MNCs)作為一種新型的光學(xué)材料，由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和分子光學(xué)性質(zhì)引起了研究者的廣泛關(guān)注[1]。

金屬納米團(tuán)簇由幾個(gè)到幾百個(gè)原子組成，它展現(xiàn)出不同于單個(gè)原子和大尺寸納米粒子的光學(xué)性質(zhì)，在成像、傳感和催化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。相較于半導(dǎo)體量子點(diǎn)，金屬納米團(tuán)簇具有與其相當(dāng)?shù)墓夥€(wěn)定性[2]和更好的生物相容性[3]。但是，其光致發(fā)光量子產(chǎn)率仍不具備競爭力，且裸露的金屬納米團(tuán)簇在溶劑中常常因?yàn)楦呋钚远奂?/p>

為了解決穩(wěn)定性差的問題，將金屬納米團(tuán)簇與保護(hù)劑結(jié)合起來，形成納米復(fù)合材料是一種行之有效的方法。硫醇(SR)由于與金屬表面的高親和力，作為金屬納米團(tuán)簇的配體研究得到了高度關(guān)注。2012年，Luo等[4]首次發(fā)現(xiàn)了Au-硫醇鹽納米簇(Au(I)-SR)在Au(0)核上可控聚集，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的發(fā)光，量子產(chǎn)率(QY)達(dá)到15%。此后，聚集誘導(dǎo)發(fā)光(AIE)型發(fā)光金屬納米團(tuán)簇AIE-MNCs迅速發(fā)展，其發(fā)光強(qiáng)度顯著提高。有研究發(fā)現(xiàn)，AIE-MNCs發(fā)光強(qiáng)度高度依賴于其表面和界面的特性[5]。圖1展示了金屬納米粒子與金屬納米團(tuán)簇的微觀結(jié)構(gòu)：在金屬納米粒子中，單個(gè)配體獨(dú)立而直接地附著在緊密包裹的金屬核上;而金屬納米團(tuán)簇中，獨(dú)特的釘書針樣金屬(I)-配體圖案包裹在金屬(0)核上[6]。因此，通過有效限制表面基元的分子內(nèi)/分子間運(yùn)動(dòng)(即振動(dòng)和旋轉(zhuǎn))來增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度、最大限度減少非輻射衰變實(shí)現(xiàn)AIE特性是可行的。研究也已驗(yàn)證了這一假設(shè)，并揭示了其發(fā)光機(jī)制是經(jīng)過配體-金屬電荷轉(zhuǎn)移(Ligand-to-metal charge transfer,LMCT)和/或配體-金屬-金屬電荷轉(zhuǎn)移(Ligand-to-metal-metal charge transfer,LMMCT)，然后再通過一個(gè)以金屬為中心的三重態(tài)產(chǎn)生輻射弛豫，從而發(fā)光[7]?？傊?，金屬納米團(tuán)簇的AIE本質(zhì)上是一個(gè)與其表面發(fā)光狀態(tài)密切相關(guān)的過程。

基于以上發(fā)光機(jī)制，研究者分別使用“自上而下”和“自下而上”的方法成功地制備出金、銀、銅、鉑、銥等作為金屬核的金屬納米團(tuán)簇，其中金銀銅是原子簇配位型，而鉑和銥是單原子配位型。這些金屬納米團(tuán)簇在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。生物醫(yī)學(xué)的研究以改進(jìn)疾病的診斷水平和治療效果為宗旨，金屬納米團(tuán)簇憑借高效AIE性能可以提高檢測的靈敏度，而其光穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢增強(qiáng)了細(xì)胞組織成像的信噪比；在疾病治療方面，結(jié)合金屬納米團(tuán)簇可以吸收光電子和發(fā)射熒光的特性，發(fā)展了腫瘤放療增敏和光動(dòng)力療法，為提高疾病診療水平提供了技術(shù)支撐。本文重點(diǎn)概括了近年來具有AIE性能的金屬納米團(tuán)簇的制備方法及其潛在應(yīng)用，期望能夠?yàn)榻饘偌{米團(tuán)簇優(yōu)化與制備和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用提供參考與借鑒。

圖1 有機(jī)層保護(hù)的典型結(jié)構(gòu)模型示意圖：A為金屬納米粒子，B、C為金屬納米團(tuán)簇。在金屬納米粒子中，獨(dú)立配體直接和金屬核心連接，而在金屬納米團(tuán)簇中，獨(dú)特訂書釘樣金屬(I)配體圖案包裹在金屬(0)核形成金屬納米團(tuán)簇。D和E分別為B和C對(duì)應(yīng)的聚集態(tài)(配體：粉紅色的斑塊；金屬(I)：金色的斑塊；金屬(0)：金色球體；為了清楚起見，省略了所有配體的烴尾)[6]。

2 硫醇鹽類修飾的金、銀、銅納米團(tuán)簇

金屬納米團(tuán)簇保護(hù)劑常用的是硫醇類。Jung等[8]研究表明，表面配體在增強(qiáng)金屬納米粒的熒光中發(fā)揮著重要作用。具體來說，表面配體可以通過兩種不同的方式增強(qiáng)熒光：(1)電荷從配體通過金屬原子-硫原子(M—S)鍵轉(zhuǎn)移到金屬納米核心(即LMNCT)；(2)富電子原子或配體基團(tuán)的離域電子直接供給金屬核心。根據(jù)這兩個(gè)機(jī)制，研究者驗(yàn)證了增強(qiáng)硫鹽配體保護(hù)金納米顆粒熒光策略的有效性。該研究為促進(jìn)發(fā)光金屬納米粒子原子級(jí)設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

金屬納米團(tuán)簇的AIE性能會(huì)受到所處環(huán)境的影響。Wang等[9]制備了一類谷胱甘肽(GSH)修飾的金納米簇(GSH-AuNCs)，發(fā)現(xiàn)溶液pH的變化可以調(diào)控其組裝/解組裝過程。當(dāng)溶液pH增大到11時(shí)，Au(I)與硫醇配體可以形成緊密而堅(jiān)固的結(jié)晶殼層，從而增強(qiáng)了磷光發(fā)射。

溶劑效應(yīng)也能增強(qiáng)金屬納米團(tuán)簇的AIE性能。Wu等[10]發(fā)現(xiàn)乙醇能夠?qū)崿F(xiàn)銅納米團(tuán)簇的自組裝，從而產(chǎn)生聚集誘導(dǎo)發(fā)光增強(qiáng)(AIEE)。乙醇誘導(dǎo)納米團(tuán)簇快速組裝成超薄納米片，并促進(jìn)金屬表面缺陷的形成，隨著Cu(I)/Cu(0)比值增大，電子的輻射弛豫增強(qiáng)，QY從6.3%提高到15%。Wang等[11]在聚乙烯吡啶酮/聚乙烯醇的三維水凝膠中封裝銅納米團(tuán)簇(CuNCs)制備了CuNCs復(fù)合薄膜，脫水步驟誘導(dǎo)AIE性能，其QY高達(dá)30%。Chen等[12]基于一種配體交換方法，成功制備出多種可溶性的Cu-I簇基復(fù)合材料，并將Cu-I簇基復(fù)合材料限制在了小尺寸微液滴中以研究其AIE效應(yīng)。研究者選取0D-Cu4I4(py)4為起始原料,這種材料不僅比其他Cu-I簇?fù)碛懈叩姆€(wěn)定性,而且其吡啶配體與Cu4I4的結(jié)合較弱,因此更容易與其他的配體進(jìn)行交換。另外，與有機(jī)溶液有很強(qiáng)親和性的三(3-甲苯基)磷(P-(m-Tol)3)被用作交換配體以提高復(fù)合材料在有機(jī)溶液中的溶解度。最后使用十二烷基苯磺酸鈉作為表面活性劑包覆在Cu4I4(P-(m-Tol)3)4的表面，制得水溶性好的Cu4I4納米簇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明水相中聚集成簇的Cu4I4(P-(m-Tol)3)4具有很好的AIE性能。

2.1 在體外診斷與傳感中的應(yīng)用

2.1.1 分子傳感

分子傳感器通過檢測特異性物理化學(xué)反應(yīng)來獲取被測量分子的信息，然后按一定規(guī)律變換成為光、電、磁等信號(hào)輸出。其中，熒光檢測具有簡便性、敏感性、成本高效益和較短的響應(yīng)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。某些金屬納米團(tuán)簇與特定分子的反應(yīng)可以促進(jìn)團(tuán)簇聚集，產(chǎn)生AIE效應(yīng)，因此反應(yīng)過程中發(fā)光信號(hào)的變化可以被用于特定分子的定量檢測。

基于硫族化物修飾的銀簇(SCCs)作為一種光功能材料，在光電子及太陽能采集、傳感等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是它們的應(yīng)用因?yàn)檩^低的熒光量子產(chǎn)量及較差的穩(wěn)定性而受到了限制。最近，MOF和PCPs的晶體材料在分離、存儲(chǔ)、催化、化學(xué)感應(yīng)和熒光信號(hào)器件等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛在價(jià)值，這兩種材料是通過配位連接，由有機(jī)配體與金屬離子或簇構(gòu)成的。MOF由于具有基于簇的節(jié)點(diǎn)，使得它有大而多的孔隙和更高的穩(wěn)定性。Huang等[13]為構(gòu)建剛性MOFs將SCCs連接到強(qiáng)適應(yīng)性配體上，從而使簇間相互作用增強(qiáng)。量子產(chǎn)率(12.1%)的增加以及穩(wěn)定性(1年以上)的增強(qiáng)是通過簇間的方向和空間分隔來控制的。他們還制備了一種雙功能熒光開關(guān)(快速響應(yīng)小于1 s)揮發(fā)性有機(jī)物調(diào)控?zé)晒狻皁n”、氧氣調(diào)控?zé)晒狻皁ff”。同時(shí)利用單晶衍射分析對(duì)所制備的MOFs單晶中小分子的空間排布進(jìn)行了精確測定，進(jìn)而對(duì)該“熒光開關(guān)”機(jī)理做了闡釋。該研究充分驗(yàn)證了SCC-MOF的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。SCC-MOF穩(wěn)定性和化學(xué)感應(yīng)性顯著增強(qiáng)，具有理想的光物理特性，適用于催化和光電器件領(lǐng)域。這項(xiàng)工作為功能性金屬(Ag、Au、Cu和Pd)聚簇MOF的研究探索了新的道路。

在蛋白質(zhì)消化、細(xì)胞的增值分化凋亡等生理過程和免疫系統(tǒng)的組成中，蛋白水解酶或蛋白酶是十分重要的。胰蛋白酶是肽鏈內(nèi)切酶的一種，它的形成主要是在胰腺腺泡細(xì)胞中，多肽鏈中的精氨酸殘基和賴氨酸中的羧基能夠被其切斷。囊性纖維化和胰腺癌對(duì)胰蛋白酶的異?；钚缘陌l(fā)生有促進(jìn)作用。魚精蛋白作為胰蛋白酶的理想底物，含有豐富的精氨酸和賴氨酸。最近有研究表明，體外循環(huán)心臟手術(shù)中，從魚類精巢提取的魚精蛋白硫酸鹽是唯一對(duì)抗肝素的藥物，可以抵消人工合成抗凝血?jiǎng)┮约案嗡氐目鼓饔茫軌蜃鲞@些臨床上抗凝血?jiǎng)┑慕舛緞?。魚精蛋白跟胰島素結(jié)合，可以阻止或延緩胰島素的釋放，從而延長降血糖作用的時(shí)間。魚精蛋白已經(jīng)在臨床治療上得到了廣泛的使用，然而魚精蛋白也存在著一些不利的影響，比如血壓驟降、肺動(dòng)脈高壓或心動(dòng)過緩等。所以，能夠可靠而靈敏地檢測胰蛋白酶和魚精蛋白是很重要的。Xue等[14]利用GSH-AuNCs(發(fā)射570 nm)和氨基修飾硅納米顆粒(SiNPs，發(fā)射450 nm)構(gòu)建了具有雙發(fā)射特性的納米混合探針(SiNPs@GSH-AuNCs)。當(dāng)魚精蛋白加入到SiNPs@GSH-AuNCs中時(shí)，陽離子魚精蛋白會(huì)與SiNPs競爭并吸附在GSH-AuNCs表面，此時(shí)團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致GSH-AuNCs的熒光猝滅。胰蛋白酶可以催化魚精蛋白的水解，使材料能夠重新開始自組裝，從而使AIE性能恢復(fù)(圖2(a))。該策略設(shè)計(jì)的材料具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性，并被驗(yàn)證能夠應(yīng)用于血清樣品中魚精蛋白和胰蛋白酶的測定。

圖2 (a)利用納米雜交探針測定魚精蛋白和胰蛋白酶比值原理圖[14]。(b)溶液pH值的增加促使半胱氨酸分子滲透進(jìn)入Au(I)-硫醇配合物，猝滅AuNCs的AIE性能。(1→2)pH的增加促使包裹AIE活性AuNCs的Au(I)-硫醇絡(luò)合物網(wǎng)絡(luò)的解體，增強(qiáng)其發(fā)光；(2→3)堿性pH促進(jìn)半胱氨酸滲透進(jìn)入Au(I)-硫醇配合物；(3→4)半胱氨酸分子刻蝕Au(0)核，導(dǎo)致AIE-AuNCs體系的分解和發(fā)光猝滅[15]。(c)硫化物誘導(dǎo)的銅納米團(tuán)簇的AIE示意圖[16]。(d)PSS誘導(dǎo)PA-CuNCs發(fā)生聚集的機(jī)理示意圖[17]。(e)～(f)銀離子誘導(dǎo)AIE-AuNCs發(fā)光增強(qiáng)[18]。(g)TA-CuNCs熒光探針的制備及其檢測磷酸鹽離子示意圖[20]。

健康成人血漿中的半胱氨酸濃度約為250 μmol/L，有研究表明體液中半胱氨酸水平的異常與某些疾病的發(fā)生有關(guān)，因而被作為一些疾病的標(biāo)志物。Wang等[15]報(bào)道了基于化學(xué)刻蝕硫醇化絡(luò)合物AIE金納米簇(AIE-AuNCs)來快速檢測半胱氨酸。這類AIE-AuNCs是在含有過量Au(I)-硫醇鹽絡(luò)合物的酸性溶液中形成的，溶液pH的升高促使Au(I)-硫醇鹽絡(luò)合物的外殼降解從而釋放具有AIE活性的Au NCs，使得溶液的熒光發(fā)射增強(qiáng)。在堿性環(huán)境下，半胱氨酸能夠輕易地穿過Au(I)-硫醇鹽絡(luò)合物的外殼，而與內(nèi)部的金屬核心接觸，促使AIE-AuNCs分解從而導(dǎo)致溶液的熒光猝滅(圖2(b))。該方法檢測的半胱氨酸濃度的線性范圍達(dá)9個(gè)數(shù)量級(jí)，AIE-AuNCs的相對(duì)熒光發(fā)射強(qiáng)度與半胱氨酸濃度對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，半胱氨酸濃度在10 pmol/L～150 μmol/L時(shí),其相關(guān)系數(shù)為0.998 51，在150 μmol/L～2 mmol/L時(shí),其相關(guān)系數(shù)為0.998 66。該方法的最低檢測限達(dá)6.3 pmol/L，且對(duì)半胱氨酸的選擇性優(yōu)于其他19種天然氨基酸和谷胱甘肽。

硫化氫(H2S)是一種有毒、無色、易燃?xì)怏w，存在于原油、煤礦和天然氣中。過量暴露于H2S會(huì)導(dǎo)致血液中毒甚至死亡。因此，急需開發(fā)一種具有選擇性和靈敏性的分析方法檢測H2S。Li等[16]研究發(fā)現(xiàn)S2-可以誘導(dǎo)半胱氨酸修飾的銅納米團(tuán)簇的聚集并產(chǎn)生AIE效應(yīng)，并基于該發(fā)現(xiàn)開發(fā)了一種高選擇性測定H2S的熒光探針(圖2(c))，在S2-濃度為0.2～50 μmol/L范圍內(nèi)時(shí)，該AIE-CuNCs的相對(duì)熒光強(qiáng)度與S2-濃度成正比，對(duì)S2-的檢出限為42 nmol/L。Chen等[17]制備了一種青霉胺(PA)修飾的銅納米團(tuán)簇(PA-CuNCs)，通過調(diào)節(jié)聚電解質(zhì)聚苯乙烯磺酸鹽(PSS)的濃度來控制PA-CuNCs的聚集程度，合成了不同尺寸的銅納米簇(圖2(d))。該材料在水溶液中具有較好的分散性和較強(qiáng)的AIE性能，對(duì)H2S的檢測具有高靈敏度、高特異性和分析時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)泉水樣品中H2S的檢測限為650 nmol/L，低于世界衛(wèi)生組織規(guī)定的在飲用水中允許的最高水平，可實(shí)現(xiàn)超低樣品量(5 μL)和更短的分析時(shí)間(30 min)。

2.1.2 金屬離子傳感

除了分子傳感之外，某些金屬陽離子也可以特異性地誘導(dǎo)發(fā)光金屬納米團(tuán)簇的AIE效應(yīng)，產(chǎn)生的光學(xué)信號(hào)變化可以用于定量檢測這些金屬離子，并帶來一些生活、工業(yè)等方面的應(yīng)用。

銀在電子、電鍍、感光等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致工業(yè)廢水中殘留大量銀離子，以離子形式存在的銀毒性最大，嚴(yán)重污染環(huán)境且危害人們的身體健康。目前，世界衛(wèi)生組織(WHO)建議飲用水中允許的最大銀離子濃度為0.1 mg/L(927 nmol/L)，美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)建議最大限度為0.05 mg/L(464 nmol/L)。因此，銀離子的檢測對(duì)保護(hù)環(huán)境和維護(hù)人們的身體健康具有重要意義。Li等[18]發(fā)現(xiàn)Ag+可以在不改變原子價(jià)態(tài)的情況下與金納米簇形成聚合物(Ag@AIE-AuNCs，如圖2(e))，使金納米團(tuán)簇的AIE性能增強(qiáng)7.2倍。該響應(yīng)具有快速可逆性，利用這一現(xiàn)象可以高效、快速地檢測痕量Ag+(圖2(f))。

重金屬鉛離子在空氣、水、土壤和食物中普遍存在且具有較大的毒性，對(duì)人體的健康有很大的危害。一般飲用水中鉛含量的安全界限是100 μg/L，而最高可接受水平是50 μg/L。Han等[19]利用谷胱甘肽保護(hù)的銅納米團(tuán)簇的特定AIE性能，設(shè)計(jì)了能夠快速測出鉛離子(Pb2+)的熒光分析方法。在Pb2+存在時(shí)，CuNCs@GSH的熒光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地增強(qiáng)，并出現(xiàn)明顯的橙黃色變化。基于該原理建立了檢測Pb2+的熒光方法，檢出限為106 μmol/L，實(shí)現(xiàn)了簡單快速、高選擇性的Pb2+定量檢測。

在人類活動(dòng)的影響下，當(dāng)生物所需的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量進(jìn)入湖泊、河湖、海灣時(shí)，會(huì)引起藻類及其他浮游生物迅速繁殖、水體溶解氧量下降、水質(zhì)惡化、魚類及其他生物大量死亡的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象。因此，開發(fā)一種不受水介質(zhì)中其他常見物種的干擾，可用于快速、簡單地診斷水體富營養(yǎng)化程度的探針是十分必要的。Cao等[20]制備了一種單寧酸(TA)修飾的銅納米團(tuán)簇(TA-CuNCs)熒光探針，能靈敏及特異檢測磷酸鹽離子。銪離子(Eu3+)能誘導(dǎo)TA-CuNCs的聚集使其熒光猝滅，當(dāng)磷酸鹽離子加入后，與Eu3+競爭配位TA-CuNCs，從而使探針的熒光恢復(fù)(圖2(g))。因此，通過TA-CuNCs的熒光變化可以定量檢測磷酸鹽離子的濃度，檢出限為9.6 nmol/L。

2.1.3 溫度傳感

溫度傳感是利用熱敏探測器件將感受到的溫度轉(zhuǎn)換成特定的輸出信號(hào)。Xie等[21]通過添加抗溶劑實(shí)現(xiàn)了銀納米團(tuán)簇(Ag9NCs)的凝膠化，制備了基于納米團(tuán)簇的金屬有機(jī)凝膠(MOGs)。在凝膠化過程中，Ag9NCs的自組裝引起AIE效應(yīng)，以及熒光到磷光(F-P)轉(zhuǎn)變，該特性可以通過加熱-冷卻循環(huán)進(jìn)行可逆調(diào)節(jié)，是一類潛在的發(fā)光比率溫度計(jì)制備材料(圖3)。該溫度傳感器靈敏度高，具有潛在醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值。

圖3 5.0 mmol/L 銀納米團(tuán)簇水溶液(上)和分散在70%乙醇溶液中的5.0 mmol/L 銀納米團(tuán)簇(下)在不同溫度(83～293 K)下的熒光(365 nm激發(fā))[21]。

2.2 在腫瘤診療中的應(yīng)用

2.2.1 生物成像

由于近紅外二區(qū)(NIR-Ⅱ，1 100～1 700 nm)的激光具有強(qiáng)組織穿透能力以及高空間分辨率，基于近紅外二區(qū)激光的熒光成像技術(shù)已成為生物醫(yī)學(xué)光學(xué)成像研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。近年來，人們聚焦于開發(fā)出高生物相容性以及高量子產(chǎn)率的近紅外二區(qū)熒光探針。無機(jī)熒光納米材料，如單壁碳納米管、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、稀土納米顆粒等由于在生理環(huán)境下穩(wěn)定性好，目前已被廣泛用作多功能血管成像和腫瘤成像。然而，由于大的親水半徑，大量的無機(jī)納米顆粒不能通過腎臟快速排泄，這些物質(zhì)在體內(nèi)的持續(xù)積累可能導(dǎo)致潛在的生物毒性。此外，這些材料的熒光量子產(chǎn)率仍然較低，這些因素都阻礙了其在臨床醫(yī)學(xué)中的潛在應(yīng)用。

Liu等[22]制備了一種由25個(gè)Au原子和18個(gè)谷胱甘肽配體組成的籠狀近紅外二區(qū)熒光分子。由于谷胱甘肽和Au原子之間的電荷轉(zhuǎn)移，該團(tuán)簇可發(fā)出700～1 350 nm范圍的熒光。此外，其通過結(jié)構(gòu)調(diào)控，可改變發(fā)光性質(zhì)，進(jìn)而提高Au25團(tuán)簇的熒光量子產(chǎn)率。由于Au25團(tuán)簇在近紅外二區(qū)優(yōu)良的熒光特性，其可以用于體內(nèi)腦血管成像和腫瘤轉(zhuǎn)移檢測。由圖4(a)可見，Au25團(tuán)簇作為探針應(yīng)用于時(shí)間分辨的腦血流成像，清晰地反映出正常小鼠和腦損傷小鼠的大腦血管之間存在的顯著差異，證明其在腦疾病的病理生理學(xué)方面有著廣闊的應(yīng)用前景。由圖4(b)可見，Au25團(tuán)簇可以用于腫瘤向淋巴轉(zhuǎn)移的高分辨率成像。最后，研究證明，Au25團(tuán)簇能夠被腎小球?yàn)V過進(jìn)而經(jīng)尿液快速排泄，并且在超高劑量(100 mg/kg)注射下仍未見急性和長期毒性。因此，Au25團(tuán)簇作為NIR-Ⅱ熒光探針，具有極高的量子產(chǎn)率與生物相容性，其在生物醫(yī)學(xué)熒光成像中具有重要的應(yīng)用前景。

圖4 (a)腦損傷模型小鼠的腦部血管NIR Ⅱ高分辨率成像[22]；(b)腫瘤向淋巴轉(zhuǎn)移的NIR Ⅱ高分辨率成像[22]。

NIR-Ⅱ光致發(fā)光成像已用于對(duì)體內(nèi)的深部組織進(jìn)行成像，然而，如何設(shè)計(jì)NIR-Ⅱ發(fā)光納米材料在不影響蛋白質(zhì)體內(nèi)生理特性的情況下有效地標(biāo)記蛋白質(zhì)仍然是一個(gè)很大的難題。Song等[23]開發(fā)了一種高效的策略來合成具有良好生物相容性、環(huán)糊精(CD)保護(hù)的、具有明亮的NIR-Ⅱ區(qū)發(fā)光的金納米團(tuán)簇(CD-Au NCs)。依據(jù)該策略所合成的CD-Au NCs可以很容易地標(biāo)記蛋白或抗體。此外，被CD-Au NCs標(biāo)記后蛋白或抗體也能夠在血液循環(huán)過程中被高效地示蹤，而不影響其生物分布和腫瘤靶向能力，進(jìn)而也可對(duì)腫瘤進(jìn)行靶向的NIR-Ⅱ成像。此外，CD-Au NCs在復(fù)雜的生物環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定，具有良好的生物相容性和較高的腎臟清除效率。因此，這一研究開發(fā)的NIR-Ⅱ生物標(biāo)記也為監(jiān)測生物分子的生理行為提供了一個(gè)新型高效的平臺(tái)。

2.2.2 放療增敏

在臨床上，放射治療的高能射線會(huì)對(duì)人體正常組織造成傷害，這是難以完全避免的。有效的應(yīng)對(duì)策略是使用高效的放療增敏劑，它能夠通過增強(qiáng)腫瘤部位的有效輻射劑量，以此減少對(duì)正常組織的影響。小分子放射增敏劑作為傳統(tǒng)的增敏劑具有較多優(yōu)點(diǎn)，比如低毒性、快速排泄的特性等。但是腫瘤組織中對(duì)于傳統(tǒng)放射增敏劑的攝取較低，對(duì)于增強(qiáng)放射治療效果并不明顯。為了有效提高放射治療效果，研究人員研究了新型的納米金屬材料，較高的原子序數(shù)使得它能夠增強(qiáng)二次電子的產(chǎn)率和光電吸收。除此之外，表面修飾后的納米金屬材料可以利用它體內(nèi)血液滯留性的增強(qiáng)，從而提高腫瘤的攝取，實(shí)現(xiàn)有效的放射增敏。但是，人體內(nèi)的內(nèi)皮網(wǎng)狀細(xì)胞容易吸收大尺寸的納米顆粒，經(jīng)過肝臟的代謝，會(huì)引起部位納米材料的長期積累，導(dǎo)致肝毒性的產(chǎn)生。綜上所述，放療增敏應(yīng)用于臨床的前提是找到一種能夠快速排泄、靶向腫瘤的放射增敏劑。

Zhang等[24]發(fā)現(xiàn)了一種新型金納米團(tuán)簇放射增敏劑，它由18個(gè)谷胱甘肽配體保護(hù)的25個(gè)金原子組成。它能夠被腫瘤高效地?cái)z取，達(dá)到提高放射治療效果的目的。另外，由于它具有2 nm的小尺寸，可以被腎臟有效地清除，并且它也沒有表現(xiàn)出明顯短期乃至長期的毒性。Zhang在此基礎(chǔ)上，研究了一種新的分子結(jié)構(gòu)，它是由被10～12個(gè)谷胱甘肽配體保護(hù)的10～12個(gè)金原子組成的。首先，該納米金屬團(tuán)簇分子在血液中的血液滯留性增強(qiáng)，表現(xiàn)出典型的兩相清除。其次，在腫瘤中的攝取上，該納米分子可以達(dá)到50% ID/g以上。而且能夠在腫瘤攝取中沒有明顯衰減的同時(shí)，保持50 h，從而達(dá)到高效放射增敏的目的。最后，這種新型金屬團(tuán)簇還可以在體內(nèi)被腎臟有效地清除，并且這種納米分子在28 d后幾乎沒有任何殘留在體內(nèi)其他的臟器中。因此，這種具有低毒、高效、腫瘤靶向特性的金納米團(tuán)簇，作為新型放射增敏劑有較大的研究潛力。

2.2.3 腫瘤治療

光動(dòng)力治療是臨床腫瘤治療新興的治療技術(shù)，通過利用體外光源激活光敏劑的動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生活性氧殺傷腫瘤細(xì)胞。為促進(jìn)這一治療手段在深部腫瘤治療中的應(yīng)用，近幾年發(fā)展了X射線激發(fā)的光動(dòng)力學(xué)療法(X-PDT)，利用X射線深層穿透力，同時(shí)聯(lián)合了X射線的放療效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)深部耐輻照腫瘤的聯(lián)合消融。目前報(bào)道的X-PDT策略大多是基于納米閃爍體將X射線轉(zhuǎn)化為光能，進(jìn)一步激發(fā)相應(yīng)光敏劑的光動(dòng)力反應(yīng)。近期有研究利用了金納米團(tuán)簇在X射線激發(fā)下的AIE效應(yīng)，誘導(dǎo)對(duì)耐輻照腫瘤的X-PDT殺傷效果；同時(shí)，金原子作為放射增敏劑，提高了放療殺傷效力，大大減少了對(duì)正常組織的輻照損傷。Sun等[25]以陽離子聚合物PEI與GSH-AuNCs通過交聯(lián)聚集作用，合成了具有AIE性能的金納米簇聚集體(AIE-GCs)，其X射線激發(fā)發(fā)光(XEOL)強(qiáng)度提高了5.2倍(圖5(a))，XEOL光譜與孟加拉玫瑰紅光敏劑的吸收光譜可以較好匹配，因此偶聯(lián)了大量孟加拉玫瑰紅光敏劑后(圖5(b))，制備的AIE-Au在低劑量X射線激發(fā)下可以實(shí)現(xiàn)高效的低劑量X射線誘導(dǎo)光動(dòng)力治療(X-PDT)；另外，在低劑量X射線照射下，AIE-Au能強(qiáng)吸收X射線并有效產(chǎn)生羥基自由基，增強(qiáng)放療效果。細(xì)胞和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，AIE-Au有效地觸發(fā)了耐輻照腫瘤細(xì)胞內(nèi)活性氧的生成，從而介導(dǎo)了低劑量X射線激發(fā)的高效癌癥治療(圖5(c))。

圖5 金納米簇聚集體AIE-GCs(a)和R-AIE-Au(b)的制備；(c)R-AIE-Au用于耐輻照腫瘤的熒光/CT成像指導(dǎo)的X射線激發(fā)聯(lián)合治療[25]。

3 非硫醇鹽類修飾的銥(Ⅲ)納米團(tuán)簇

除了硫醇修飾的金、銀、銅納米團(tuán)簇外，一些吡啶基和苯環(huán)類修飾的銥納米團(tuán)簇也具有較高的磷光發(fā)光效率、良好的光熱穩(wěn)定性以及較短的激發(fā)態(tài)壽命等優(yōu)點(diǎn)[26-27]，強(qiáng)烈的自旋偶合作用使得金屬銥配合物既有金屬到配體、又有配體到配體的電荷轉(zhuǎn)移過程。其中金屬到配體的激發(fā)態(tài)很大程度影響了金屬銥配合物的發(fā)光，因此可以通過改變配體結(jié)構(gòu)從而獲得不同發(fā)射波長的光[28]。以下描述的銥(Ⅲ)納米團(tuán)簇例子均為以銥配合物和其他分子或者配體結(jié)合形成的復(fù)合物。

聚集誘導(dǎo)磷光發(fā)射(Aggregation-induced phosphorescent emission，AIPE)的銥配合物在自然聚集的過程中能夠發(fā)射磷光，同時(shí)保留銥的高發(fā)光效率、良好的光熱穩(wěn)定性以及較短的激發(fā)態(tài)壽命的特點(diǎn)。此外，銥(Ⅲ)配合物還具有良好的細(xì)胞安全性和細(xì)胞膜滲透性，有利于活細(xì)胞成像[29-30]。設(shè)計(jì)和合成這類配合物在有機(jī)發(fā)光材料、細(xì)胞成像、光催化、刺激響應(yīng)、檢測等領(lǐng)域可能會(huì)有更多發(fā)展。

線粒體能夠產(chǎn)生人體所需的ATP，被稱為細(xì)胞的動(dòng)力源泉。并且線粒體參與脂質(zhì)的修飾、氧化還原平衡、鈣平衡、細(xì)胞分化、細(xì)胞周期、細(xì)胞生長甚至控制了細(xì)胞死亡，其形狀、形體是高度動(dòng)態(tài)的。因此，示蹤與多種細(xì)胞功能有關(guān)的線粒體形狀的改變至關(guān)重要。Chen等[31]報(bào)道了一種利用2-(2-吡啶基)苯并噻吩和10-苯并噻唑做配體、具有AIPE效應(yīng)的[Ir(btp)2(PhenSe)]+，用于活細(xì)胞內(nèi)特定線粒體成像(圖6(a))。與市售的線粒體染料MitoTracker Green FM(MTG)相比，這種銥(Ⅲ)的復(fù)合物具有多種優(yōu)勢，例如無需更換培養(yǎng)基、在固定的細(xì)胞中保持特定的線粒體染色、優(yōu)異的光穩(wěn)定性以及對(duì)線粒體膜電位喪失的高抵抗力。這項(xiàng)研究有助于在活細(xì)胞細(xì)胞器的研究中引入開發(fā)成像劑的新策略。

線粒體自噬(Mitophagy)是細(xì)胞自噬裝置對(duì)線粒體的靶向吞噬和破壞，通常被認(rèn)為是線粒體質(zhì)量和數(shù)量控制的主要機(jī)制。Jin等[32]采用了一種策略，通過將金屬銥(Ⅲ)配合物上的三苯氨基與不同的2-苯基咪唑[4,5-f][1,10]菲啰啉衍生物組裝，合成了一系列具有AIE性質(zhì)的環(huán)金屬化銥(Ⅲ)配合物(Ir1-Ir5)(圖6(b))。作為AIE磷光劑，這些配合物不僅能耐受線粒體內(nèi)部苛刻的酸性環(huán)境，而且比商品化的線粒體染料MTG具有更好的光穩(wěn)定性。此外，這些配合物和溶酶體綠色熒光探針聯(lián)合使用還能實(shí)時(shí)檢測線粒體自噬過程。使用500 nmol/L濃度的材料與HeLa細(xì)胞在37 ℃的條件下共孵育后，能夠通過共聚焦成像技術(shù)清晰地定位細(xì)胞內(nèi)線粒體的位置(圖6(c))。結(jié)合共聚焦成像和電感耦合等離子體質(zhì)譜ICP-MS的檢測數(shù)據(jù)能夠得出細(xì)胞對(duì)Ir(Ⅲ)配合物的攝取在8 min內(nèi)達(dá)到飽和，因此僅需要將材料與細(xì)胞進(jìn)行5～10 min的孵育即能得到最佳的成像效果。細(xì)胞攝取實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些Ir配合物是通過非內(nèi)吞的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)方法穿過細(xì)胞膜的。這些線粒體特異性探針擴(kuò)展了AIE環(huán)金屬化銥(Ⅲ)配合物探針的種類，有助于深入了解與疾病有關(guān)的線粒體過程，對(duì)未來生物成像領(lǐng)域有著極其重要的意義。

Alam等[33]報(bào)道了一鍋法合成的多種單環(huán)金屬化銥(Ⅲ)配合物，通過改變配體結(jié)構(gòu)，可以在整個(gè)可見光范圍內(nèi)完成配合物發(fā)射波長的調(diào)節(jié)。其中，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)金屬化配體的變化，觀察到顏色的急劇變化，而對(duì)于膦配體的變化則反映出較小的影響(圖6(d))。利用PEG-PLA對(duì)銥配合物包裹成納米顆粒后(圖6(e))，這些親水的納米顆粒具有很強(qiáng)的熒光發(fā)射能力，具有作為細(xì)胞成像熒光探針的潛力(圖6(f))。

圖6 (a)銥(Ⅲ)配合物[Ir(btp)2(PhenSe)]+染色HeLa細(xì)胞的實(shí)時(shí)成像[31]；(b)Ir1～I(xiàn)r5的化學(xué)結(jié)構(gòu)[32]；(c)與Ir1～I(xiàn)r5共孵育后HeLa細(xì)胞的共聚焦磷光成像(Lane 1：Ir1～I(xiàn)r5的共聚焦成像；Lane 2：MTR的共聚焦成像；Lane 3：明場；Lane 4：1和2疊加圖像)[32]；(d)在可見光范圍內(nèi)，隨著環(huán)氧基配體和膦配體的變化，固態(tài)銥配合物發(fā)射顏色的變化[33]；(e)PEG-PLA包覆發(fā)光銥配合物納米顆粒的合成示意圖[33]；(f)PEG-PLA包覆銥配合物6納米顆粒與HeLa細(xì)胞共孵育4 h后的細(xì)胞熒光成像[33]。

4 結(jié)論與展望

具有AIE性能的金屬納米簇用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有以下優(yōu)點(diǎn)：一、在診斷方面可以提高靈敏度。生物醫(yī)學(xué)檢測常面臨可用檢測物量少而靈敏度低的難題，高效AIE性能的金屬納米團(tuán)簇為痕量檢測物的診斷提供了更大的可能性。二、擴(kuò)大了檢測范圍和檢測物的靈活可調(diào)性。AIE特性可隨檢測物增加而產(chǎn)生聚集后的光強(qiáng)度增強(qiáng)或者解聚集后的光強(qiáng)度減弱的響應(yīng)，從而通過靈活連接不同靶標(biāo)檢測物進(jìn)行檢測。三、制備簡單高效，不易猝滅。因此，具有AIE性能的金屬納米團(tuán)簇在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。

研究者們已經(jīng)成功設(shè)計(jì)合成了AIE性能增強(qiáng)的硫醇修飾的金屬納米團(tuán)簇，其具有較高的發(fā)光量子產(chǎn)率，伴隨較大的斯托克斯位移和較長的發(fā)光壽命。常規(guī)的制備策略是選擇合適的主配體結(jié)合后，用表面活性劑修飾，形成大小均勻、分散性好的納米團(tuán)簇。這類金納米團(tuán)簇表面配體性質(zhì)以及含量的改變可以調(diào)節(jié)其AIE性能的表現(xiàn)，其機(jī)理已經(jīng)有初步的研究。提高發(fā)光性能的策略是：通過有效限制表面基元的分子內(nèi)/分子間運(yùn)動(dòng)(即振動(dòng)和旋轉(zhuǎn))來增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度，最大限度減少非輻射衰變。相應(yīng)地也發(fā)展了銀、銅等AIE納米團(tuán)簇的改良合成及其生物應(yīng)用。

在未來的研究中，我們需要確定好金屬納米團(tuán)簇中心金屬與配體結(jié)構(gòu)對(duì)其AIE性能的影響，提高對(duì)金屬納米團(tuán)簇發(fā)光性能的可預(yù)測性和可定制性；開發(fā)具有近紅外區(qū)吸收或發(fā)射的水溶性好、尺寸小的高發(fā)光性能的AIE型金屬納米團(tuán)簇，挖掘其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的潛在優(yōu)勢；細(xì)化明確AIE型金屬納米團(tuán)簇等工作仍需更進(jìn)一步的探索。相信隨著研究的深入，將會(huì)有更多高品質(zhì)的AIE金屬納米團(tuán)簇逐漸被發(fā)掘，并對(duì)人類發(fā)展起到更多更重要的作用。