ACS Omega | 调控金纳米簇的光学性质实现多样化生物应用

金纳米团簇(AuNCs)是一类具有独特光学特性的新型金属纳米结构。其超小的尺寸和精确的化学组成，使AuNCs 呈现离散的能级结构，类分子的光物理和光化学性质，例如荧光发射、双光子吸收、光热转换和光动力转换等。这些性质使AuNCs在生物检测、生物成像以及光控治疗等领域具有良好的应用前景。然而生理环境中的高离子浓度、变化的酸碱性和多样的生物分子会导致AuNCs的聚集甚至解构，降低其光学性能，阻碍光功能的有效发挥。因此基于对AuNCs结构和性能的理解，并通过合理的材料结构设计，调控AuNCs的物理和化学性能，特别是光学性能，对于推动其生物和医学应用具有重要意义。

图1. 调控AuNCs光学特性的方法。

AuNCs由数十至数百个金原子和表面有机配体组成，配体分子在光学特性中扮演了至关重要的角色。如图1所示，选择不同的配体分子可以控制金核的异向生长，改变其几何结构，还可与金核产生电子或能量转移，用以调控AuNCs的本征光学特性。同样基于对配体分子的调控，通过化学修饰方法实现AuNCs的表面改性，改善其在生理环境中的表观光学性能。例如在AuNCs中引入两亲性离子配体可以有效提升其在酸性溶液中的胶体稳定性，减弱因配体质子化导致的聚集和荧光淬灭现象(图2)。此外，构建复合材料也能够减弱AuNCs之间的聚集或限制非辐射跃迁，从而有效提升其荧光强度和光动力转换活性等性能。

图2. 两亲性离子配体修饰提升AuNCs胶体稳定性。

得益于以上结构设计方案，AuNCs优异的光学特性在生物和医疗领域得到充分发挥。研究人员通过配体修饰将AuNCs在细胞膜表面进行组装，综合利用AuNCs荧光发射强、双光子吸收截面大和荧光寿命长等特点，实现了包括荧光成像、双光子成像和荧光寿命成像在内的多模式细胞成像(图3)。AuNCs作为光敏剂和光热转换单元在光动力治疗和光热疗法等领域的应用也得到了广泛的研究。此外科研人员还将AuNCs用于构建多功能复合平台，进行癌症诊疗一体化的应用研究。但大多数AuNCs的吸收峰和发射峰位于紫外和可见光区，该波段的激发光源和检测信号在生物组织中穿透深度较小，限制了AuNCs在体内诊断和治疗等方面的应用。研究表明，改变配体对称性可使AuNCs荧光发射光谱红移；利用双光子吸收特性可以使用近红外光激发AuNCs。因此可围绕AuNCs的短波近红外区(780 nm至1700 nm)光响应特性等方面开展后续研究工作，这将有利于拓展AuNCs在生物和医学领域的进一步应用。

图3. 基于AuNCs在细胞膜上的组装，实现多模式细胞成像。

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ACS Omega 2020, 5, 36, 22702-22707 Publication Date: August 31, 2020
       https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03218