基于过渡金属掺杂无镉量子点双模态分子影像探针的构建及性质研究

Synergistical integration of optical/magnetic resonance imaging (OI/MRI) for dual-modality molecular imaging techniques sparks significant prospects in biomedical imaging, and in parallel with imaging technology the development of dual-modality imaging probes as pre-requisite signal entity has also intrigued considerable attentions. Designing novel paramagnetic transition metal ions doped non-cadmium host quantum dots for OI/MRI dual-modality probes, not only offers the ability to maintain the excellent optical properties and nanoparticle size-dependent in vivo behavior of quantum dots, but also integrates the function of T1 MR contrast agent based on paramagnetic ion doping. In this proposal, paramagnetic transition metal ions doped non-cadmium quantum dots based on I-III-VI nanocrystals as the photoluminescent center will be designed and synthesized. Key parameters in terms of doping levels, doping structure, crystal composition, size and surface physicochemical properties will be intensively investigated to tailor both optical and magnetic properties, towards high-quality dual-modality probes. The resultant paramagnetically doped quantum dots will be endowed with reactive functional groups as well as both chemical and colloidal stability in physiological medium via surface ligand exchange approach. The effect of doping level, doping structure and surface chemical modification on relaxation properties will be systematically investigated. The water-soluble paramagnetically doped quantum dots will be covalently conjugated with targeting biomolecules, which will enable the anticipated construction of OI/MRI dual-modality molecular imaging probes.

融合光学/磁共振信号的双模态成像技术是生物医学影像研究的重要发展方向之一，而作为信号载体的双模态分子影像探针的构建更是引起了科学家的高度关注。基于新型的顺磁性过渡金属离子掺杂无镉量子点的光学/磁共振双模态分子影像探针，不仅具有量子点独特的光学特性以及依赖其纳米颗粒尺寸的特殊体内行为，还可整合磁共振T1造影增强剂的功能。本项目拟开展顺磁性过渡金属离子掺杂以I-III-VI族纳米晶体为发光中心的无镉量子点可控制备及性质研究工作，揭示掺杂量和掺杂结构、晶体组成和尺寸以及表面理化性质对量子点光学及磁学性质的影响规律。通过表面配体置换获得具有反应活性功能基团且在生理介质中具有化学及胶体稳定性的水溶性顺磁无镉量子点，并探究其弛豫性能与掺杂量、掺杂结构以及表面化学修饰结构之间的关系规律。进一步将水溶性顺磁量子点与靶向抗体分子进行共价耦联以构建可生物靶向的光学/磁共振双模态分子影像探针。

本项目的研究目标是发展顺磁性过渡金属离子掺杂无镉量子点的可控制备技术，并构建基于顺磁性无镉量子点的光学/磁共振双模态分子影像探针。基于核壳异质结构的晶体结构设计思路，系统研究了顺磁性过渡金属离子掺杂量子点的可控掺杂制备，表面生物相容性修饰、活体肿瘤分子影像探针构建及成像应用方法，对推动顺磁性量子点在肿瘤分子影像诊断中的应用具有重要的科学意义。项目所取得的创新性研究成果包括：1）发展了高荧光效率的半导体/半导体核壳结构型荧光量子点的合成方法，并利用有效质量近似理论模型首次定量揭示了核壳结构中普遍存在的晶格应力对量子点电子结构及光学性质的影响本质，对于设计特殊光学行为的核壳结构，以及掺杂型量子点材料提供了重要的实验和理论基础；2）提出了基于核壳结构的表面壳层晶格中顺磁Mn2+离子掺杂思路，在有效避免掺杂对量子点光学性质影响的同时，实现了光学/磁性双功能量子点纳米晶体的可控制备；3）系统揭示掺杂量和掺杂结构、晶体组成和尺寸以及表面理化性质对量子点光学及磁学性质的相关性规律；4）采用所获得的具有极低毒性的生物相容性顺磁量子点构建了光学/磁共振双模态分子影像探针，结合小鼠结直肠癌皮下肿瘤模型及腹腔肿瘤转移模型，成功实现了肿瘤在体光学/磁共振双模态成像。在项目执行期间，共发表学术论文8篇，授权专利1项，圆满完成项目计划任务。