二氧化硅包裹金纳米颗粒: 表面化学,性质,优势和应用

By: Kimberly Homan, Ph.D., CTO, Nishi Viswanathan, MBBS, MA., Director, Product DevelopmentNanoHybrids Inc.


 介绍

在过去的几十年中,纳米金颗粒的研究和商业应用已经迅速扩展到了从生物医学工程1 ,到太阳能光电板的各个领域。2 大多数应用都是基于金纳米颗粒良好的光学性质这一优势而开发。金纳米颗粒的光学性质可以通过改变颗粒形状和大小进行精细调控。

然而问题是,表面无包裹的金纳米颗粒易在溶液中形成聚集并且在激光辐射下会融化,两者都会造成光学性质的显著改变。而当颗粒表面通过化学修饰适度钝化后,它们在多数生物、物理和环境条件下就不再容易聚集或发生形变,使得颗粒的光学性质得以保持不变。二氧化硅包裹就是这么一种稳定有效的修饰,可以增强金颗粒的热力学和化学稳定性。1,3,4 二氧化硅包裹能赋予金颗粒良好的稳定性和功能性,使得这一化学修饰成为了先前所说的各种应用的不二选择。

二氧化硅包裹纳米金球和金纳米棒示例请参见图1。

二氧化硅包裹纳米金球和金纳米棒示例请参见图1。

图1.(a)二氧化硅包裹纳米金球和(b)二氧化硅包裹金纳米棒扫描电镜(SEM)图


 表面化学和二氧化硅包裹金合成

二氧化硅包裹纳米金颗粒的制备是通过经典的stober法完成的。该方法使用原硅酸四乙酯(TEOS)在金颗粒表面形成多分支的介孔硅氧烷聚合物。该反应能够被调控;金颗粒表面二氧化硅层的厚度可以通过改变反应时间和溶剂浓度来调整。生成的表面硅氧烷聚合物(也被称为二氧化硅)带有羟基基团(-OH),可以通过化学处理进一步的修饰。另外,异双功能硅烷交联剂还可以与二氧化硅反应。通过这一方式,多种配体(比如聚乙二醇(PEG))就可以与二氧化硅表面相连(图2)。


二氧化硅涂层的金纳米粒子表面化学

图2 二氧化硅金颗粒表面化学性。带有羟基功能基团但未连接配体的二氧化硅表面金颗粒(左图)和聚乙二醇(PEG)覆盖的纳米金颗粒,后者可以被不同的末端基团功能化修饰,包括氨基,硫醇基,马来酰亚胺和N-羟基丁二酰亚胺等。


 二氧化硅包裹金纳米颗粒性质和优势

二氧化硅包裹纳米金颗粒在许多需要纳米金颗粒的应用中都有显著优势,尤其是二氧化硅包裹能够极大地增强涉及脉冲激光的金纳米棒的热力学稳定性。如图3所示,标准包裹的金纳米棒,比如PEG,CTAB或其他小聚合物包裹,会从脉冲激光中吸收足够的能量并且融化。这一形变会相应导致颗粒吸收和散射光谱位移,从近红外区域移动到可见光。稳定的近红外吸收对于某些应用来说至关重要,使用标准包裹的金纳米棒可能产生不可靠的结果。然而,二氧化硅包裹的金纳米棒就可以抵抗形变,在高得多的光强度(能量密度)下保持颗粒的光学性质(见图4)。

的金纳米棒及其光学性质

图3 脉冲激光照射前(左图)和照射后(右图)的金纳米棒及其光学性质。标准无二氧化硅包裹的纳米金棒非常不稳定,会吸收激光并且融化,从而降低了他们在近红外光波段的吸收和散射。

二氧化硅涂层金纳米棒的吸光度谱

图4 300脉冲808nm不同强度(能量密度)光照射后二氧化硅包裹金纳米棒吸收光谱。二氧化硅包裹颗粒的热力学稳定性(抗形变度)能维持到20mJ/cm2能量密度。

除了热力学稳定性(抗融化)和胶体稳定性,二氧化硅包裹的金纳米颗粒还具有一些其他的显著性质和优势。比如,二氧化硅包裹增大了可用于抗体或其他目标分子共轭的颗粒表面。另外,二氧化硅是多孔的,可以通过物理吸收或者共价连接装载药物,染料分子或其他显像剂。二氧化硅包裹还限制了在高浓度溶液中纳米棒互相贴近距离,放大了等离子体耦合效应,使得无论什么浓度都能保证颗粒的光学性质稳定。最后,二氧化硅包裹的金纳米颗粒能够增强成像对比度,比如光声成像,能提高3倍。1

聚乙二醇二氧化硅包裹纳米金颗粒(图2右)即有二氧化硅包裹的优势又具有乙二醇包裹颗粒的各种性质,包括更好的胶体稳定性和更低的免疫原性。


 二氧化硅包裹纳米金结构应用

1. 光声成像

当金纳米棒被用作光声成像(光声影像)造影剂时,会吸收脉冲激光发出的光,产生大量的热量。尽管光声效应需要热量,但热量会达到有害的程度从而导致金纳米棒融化(见图2)。形状会发生改变从而降低横截面的吸收率,因此就会丧失光声成像的造影作用。二氧化硅包裹帮助降低了金颗粒和周围溶质界面间的热阻(图5),使得颗粒能向周围环境释放更多的热量,这样有两个好处:(1)金颗粒能在高能量密度条件下抗融(见图3)(2)由此类颗粒产生的光声信号强度是标准包裹的纳米金颗粒(比如,PEG,CTAB或其他小聚合物)的3倍。1

热力学稳定的二氧化硅包裹金纳米棒和纳米球由于其卓越的热力学稳定性,光学性质,生物兼容性和生物共轭潜能,已经广泛流行于光声造影剂和治疗剂应用领域。1

拟议的热传输过程的示意性总结

图5:热量从纳米颗粒到环境中的传递过程概要,导致的表面温度(T)随时间变化分布图和远离纳米颗粒表面的声光信号振幅(P)随时间变化图。(a)有较高界面热阻的光裸纳米颗粒导致了较宽的温度分布峰值和较小的声光压力信号振幅。(b)引入二氧化硅包裹后,金(Au)和SiO2, SiO2 和水的间界面热阻最小,从而使温度时间分布变窄。并且因为温度分布峰值是在距离颗粒表面更远的距离上发生,光声信号被增强。(c)较厚的包裹导致更宽的温度峰值并且削弱光声信号,但是信号强度还是比光裸的颗粒要高(来源:Nano Letters 2011, 11 (2), pp 348–354.授权转摘,2011 美国化学协会版权所有)

2. 细胞追踪

因为光声成像是无侵入性,可量化并且扫描时间短,它可以与超声成像共用进行免疫细胞追踪8和干细胞移植追踪10(图6)。二氧化硅包裹的金纳米棒可以用作光声成像的造影剂,实时定量移植的细胞,确保合适数量的细胞到达治疗位点。二氧化硅包裹还能协助金纳米棒的细胞摄取。8

第一个面板显示了SiO 2 -AuNR的TEM图像

图6:第一个框图内显示的是 SiO2-AuNRs(二氧化硅包裹金纳米棒)在676nm吸收峰值,20纳米厚二氧化硅层状态下的TEM图。第二个框图确认了活小鼠肌肉组织注射后, SiO2-AuNRs存在于骨髓间质干细胞。第三个框图显示的是无胸腺小鼠后肢肌肉注射的SiO2-AuNRs标记的骨髓间质干细胞的对比增强光声图。(来源: ACS Nano 2012 6 (7), 5920-5930. 授权转摘,2012美国化学协会版权所有)

二氧化硅包裹的纳米金颗粒还被广泛应用于光热疗法因为他们体积小,在红光和近红外光谱有可调谐共振而且界面吸收率高。二氧化硅包裹增强了金纳米棒光热疗法的稳定性,有助于颗粒在较高的持续性的脉冲激光能量密度下保持其卓越的光学性质。1,3,6相比PEG包裹的金纳米棒,二氧化硅包裹的金纳米棒还能显著提高细胞摄取,从而转化成更好的光热消融效应。10 另外,在光热疗法中使用二氧化硅包裹的金纳米棒,还便于同时使用光声成像技术,从而能同时给出光热疗法中产热图,指导治疗剂量和监控治疗效果。

3. 靶向药物递送

二氧化硅包裹的纳米金颗粒具有生物兼容性,可以针对特定癌组织目标进行化学修饰。因为表面积大、大小可调节、有高可用空隙体积、良好的载药性,外加对表面性质了解清楚、可进行各种化学修饰,介孔二氧化硅包裹金颗粒已经被用作抗癌药物比如阿霉素,DNA和蛋白质的纳米载体(见图4)。二氧化硅包裹金纳米颗粒药物递送将化学和光热疗法相结合,相比单独使用光热或者化学疗法,具有更好的抗癌效果。11

4. 多重成像

目标二氧化硅包裹金纳米棒可作为多重成像的造影剂,通过将纳米颗粒锁定表达不同细胞受体的细胞,来区分体外细胞内含物12(图7)。用不同峰值波长的二氧化硅包裹金纳米棒标记每种独特的细胞类型,从而可以确定特定细胞类型所在位置,并且根据分子表达生成图像。

光声的信号处理和统计分析

图7 :细胞模型光声(PA)成像信号处理和统计结果展示细胞内含物特异性鉴定。a)内含物通过超声成像可以看到b)PA图,在830nm获得,显示了那些内含物有二氧化硅包裹金纳米棒(SiO2-AuNRs)。c)PA信号强度(点)和UV-VIS光谱(实线)比较显示 SiO2-AuNRs管血吸收光谱决定了PA信号的强度。内含物被分割在三个区域,PA信号强度被均分。d)细胞的分子地图和US重叠展示;830nm二氧化硅包裹金纳米棒显示为红色,780nmSiO2-AuNRs显示为黄色(来源: Biomed Opt Express. Jul 1, 2011; 2(7): 1828–1835授权转摘,2011美国光学协会版权所有)

5. 双模/多模态成像

尽管光学成像技术具有高敏感度,能够以高精度显示患病的组织,这些技术被组织的低光透性所局限。使用多模成像互补信息组合能优化成像的敏感度和特异性。比如,一种能同时增强CT对比度和近红外光学成像的造影剂能够提供关于不同程度的造影剂累积的可量化信息。载有有机NIE染料,比如吲哚青绿 (ICG)的介孔二氧化硅包裹金纳米棒,可以作为X射线CT和NIR荧光成像的双模成像探针。13

 

体内平面X射线图像

图8:小鼠体内平面X射线图(曝光时间30s)a)肌肉注射吲哚青绿标记二氧化硅包裹金纳米棒 (200 μL, 1.5 mg/mL)前和注射12小时后。b)体内平面X射线图,60s曝光(左)摄于肌肉注射双模成像造影剂12h后。X射线图和同源近红外荧光图(10s曝光)(右)重叠。插入:高亮区域和近红外荧光成像对应叠加。绿色箭头指示为肿瘤。夹在金纳米棒和吲哚青绿发色团中间的二氧化硅薄层保护染料不发生荧光淬灭。(来源:Optics Express, Vol. 19, Issue 18, pp. 17030-17039, 2011授权转摘)

6. 表面增强拉曼光谱(SERS)

嵌有染料分子的二氧化硅包裹纳米金颗粒在表面拉曼增强中极为高效,能够作为多重检测和光谱的光谱标记物。14 颗粒包含一个金属内核可增强光学信号,报告分子作为光谱特征和包裹的二氧化硅壳起保护和共轭作用。


核 - 壳纳米颗粒结构的示意图

图9:内核-外壳纳米颗粒结构示意图和制备二氧化硅包裹SRES活性金胶质物过程。(a)胶质金颗粒的大小范围在55-65nm,最适合表面拉曼增强在632-647nm处激发(b)具有拉曼吸收报告分子的金颗粒 (c)具有报告分子和巯丙基三甲氧基硅烷(一种常见偶联剂)的金颗粒以及(d)核壳边界嵌有拉曼光谱报告分子的二氧化硅包裹金颗粒(来源: Anal. Chem., 2003, 75 (22), pp 6171–6176授权转摘。2003 美国化学协会版权所有)

二氧化硅包裹的金纳米棒已被用作针对癌症细胞的双模成像探针。荧光和表面增强拉曼散射信号可以使用不同激发波长的纳米颗粒独立显像。17

7. 双光子成像

介孔二氧化硅金纳米棒掺入比如像Pd-meso-tetra(4-羧基苯基)卟啉(PdTPPs)类的光敏剂后,可用作双光子激活光动力疗法(图10)。光敏剂被掺入介孔二氧化硅外壳的纳米通道中。包裹的双光子激活金纳米颗粒,为颗粒内等离子共振提供能量,共振能量则能激活光敏剂,光敏剂产生具有细胞毒性的单态氧,杀死癌症细胞。通过为抵抗热变形提供机械支持,二氧化硅基质能够显著提高金纳米棒内核的双光子发光稳定性。

体内研究说明双光子激活

图10:体内研究显示肿瘤内注射孔介二氧化硅包裹金纳米棒-PdTPPs后双光子激活光动力疗法。使用苏木精和伊红(第一行),TUNEL法(第二行,绿色),caspase-3免疫组织图(第三行,红色)和DAPI(蓝色)染色对接受放射后24h获得的肿瘤切片进行组织分析。用凋亡标记物TUNEL和Caspase-3染色后显示,将孔介二氧化硅包裹金纳米棒-PdTPPs治疗和激光放射(1.2倍,图6i)相结合能抑制肿瘤生长。(来源:Theranostics. 2014; 4(8): 798–807授权转摘)

8.生物分子探针

二氧化硅包裹金纳米颗粒可以用作DNA杂交分析标记物,与柠檬酸盐包裹或标准金纳米颗粒相比,能用来检测低浓度的目标DNA,这是由于二氧化硅在中红外范围有高发射率。二氧化硅包裹金纳米颗粒不发生降解,淬灭或者是光漂白,是稳定的标记物,能改善基于荧光的DNA杂交和蛋白质结合分析。17这一纳米颗粒平台还可用来检测极低浓度的蛋白质,细菌,杀虫剂和小分子比如水银。

9.催化剂

作为有效催化剂的金纳米颗粒必须具备以下性质:在环境介质和热量中具有高稳定性,具有回收使用潜能并且能保持催化活性。一般来说,金纳米棒外包裹一层溴化十六烷基三甲铵(CTAB)表面活性剂。在有机溶液中,CTAB解吸附进入介质,引起金纳米棒聚集,颗粒失去催化活性。另外,CTAB包裹金纳米棒会发生热力学不稳定,引起形变,成为球状颗粒。介孔二氧化硅包裹金纳米棒是非常有效的催化剂,因为二氧化硅外壳能在多种不利条件下,例如热环境,溶质交换和离心时提供较高稳定性。18因为介孔二氧化硅外壳有很大的空隙体积,反应物分子能够扩散进空隙中和金表面进行催化反应。

10.光子学

等离子金纳米颗粒被广泛应用于光子学应用,包括单分子检测,光子晶体构造和光学设备设计(比如波导)。然而,相邻光裸金纳米颗粒金属间的物理接触会阻止光子带隙的形成。用一种光学透明,化学惰性,光化学性质稳定的材料,比如二氧化硅,包裹在纳米金颗粒外,在等离子纳米颗粒排列于周期性结构中时,就能形成完整的光子带隙。19另外,二氧化硅包裹防止了荧光团在和金属表面直接相连时会发生的淬灭,有助于等离子荧光增强。因此,相比标准纳米金颗粒,二氧化硅包裹纳米金颗粒具有多种优势。

总之,二氧化硅包裹纳米金颗粒具有以下优势性质:

  • 能加强声光成像和其他多模成像中(包括使用脉冲激光的)中的信号强度
  • 优良的热力学和胶质稳定性
  • 为广泛的应用包括多模成像提供稳定的光学性质
  • 可作为杂交药物载体和成像剂,可用于治疗诊断
  • 灵活的硅烷化学性,可用于共价功能化修饰和共轭反应

对于此次科技焦点所提到的众多应用来说,具有这些独特优势的二氧化硅包裹纳米金颗粒是非常理想的材料。


 参考文献

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