高稳定性、高荧光效率近红外纳米簇/聚合物复合材料的制备及其在细胞内成像的应用研究

The purpose of this project is to prepare near infrared (NIR) Au and Au/Cu nanoclusters/ploymer nanocomposites with strong fluorescence and high stability using polymer as capping agents, and study their bioapplications. Through the simple organic reactions, the thiol (-SH) groups are grafted to the polymer chain which would work as capping agents. The NIR Au and Au/Cu nanoclusters/ploymer nanocomposites are synthesized by hydrazine hydrate (N2H4.2H2O) reducing method. The various experimental conditions would be investigated, including the capping agents, precursors or reaction time which play an important role in influencing the NIR fluorescence of products. We will study the second NIR fluorescence of Au/Cu nanoclusters and try to explain their fluorescence mechanism. The PEI stabilized NIR Au and Au/Cu nanocomposites are positively charged, so they have the ability to capture pDNA, suggesting that the resultant NIR PEI-Au and PEI-Au/Cu nanocomposites could be also utilized as efficient gene delivery agents in bioimaging. This project would provide a new route to prepare novel NIR nanocomposites with various functions and to design NIR nanomaterials to meet different bioapplications.

本项目拟通过聚合物作为配体，制备高稳定性、高荧光效率的近红外Au及Au/Cu纳米簇/聚合物纳米复合材料，并研究它们在细胞内成像的应用。项目拟通过简单的有机反应合成含巯基聚合物，将其作为纳米簇的配体。采用水合肼还原法，制备聚合物稳定的近红外Au及Au/Cu纳米簇复合材料。系统地考察合成参数(配体/金属的比例、前驱体比例、配体的分子量和种类、水合肼的量、反应时间)对复合材料荧光性质的影响。研究Cu掺杂对Au纳米簇荧光的影响，解释Au/Cu纳米簇近红外二区发光机理。项目拟选择具有带有正电荷聚合物（聚乙烯亚胺）稳定的近红外Au及Au/Cu复合材料作为模型，研究正电荷稳定的近红外复合材料在细胞成像及细胞内DNA表达中的应用。通过本项目的实施，为合成不同功能的近红外纳米复合材料提供新思路，并能够根据生物应用的需要来设计和合成各种功能的近红外纳米材料。

近红外光在生物体内具有深的穿透性和弱的光散射等优点，因此具有近红外荧光功能的纳米材料作为一种优良的生物成像试剂。传统的近红外材料主要基于Pb，Cd，Hg，S或者Se等元素，其缺点在于合成困难且生物毒性大，不利于它们的生物应用。因此，性质优越(低毒性，高稳定性和荧光效率)的新型近红外纳米材料的开发和应用成为纳米生物技术领域的研究热点之一。项目利用含有巯基的聚合物PEI(SH­PEI)作为配体，水合肼作为还原剂，成功制备高稳定、高荧光效率的近红外纳米簇/聚合物复合材料。项目主要成果是：1)项目利用SH­PEI作为配体，水合肼还原法，制备出SH­PEI稳定的Au纳米簇，通过控制配体与前驱体的比例，能够有效的控制SH-PEI-Au纳米簇的荧光从可见光区609 nm到近红外光区811 nm；SH­PEI能够提高Au纳米簇的稳定性，同时Au纳米簇具有正电性，可与负电性DNA通过静作用相互结合后形成复物进而被细胞摄取，相关成果发表在Nano Res, 2018, 11(5): 2392–2404；2）进一步利用SH­PEI作为配体，水合肼还原法，制备出SH­PEI稳定的Au/Cu合金纳米簇，通过控制Au/Cu的比例，成功调节合金纳米簇的荧光从近红外一区811 nm到近红外二区的1130 nm，Au/Cu合金纳米点量子效率为2%，是Hipco碳纳米管效率的5倍，这一结果为Au/Cu合金纳米点作为一种荧光探针应用于生物体NIR-II荧光成像奠定了坚实基础；3)项目进行中，也尝试了微波、超声等新颖方法制备多种荧光纳米材料，包括小分子稳定的近红外荧光Au纳米簇，多种荧光发射的碳量子点等。项目实施过程中，总共在Nano Res, ACS Appl. Mater. Interfaces, Sensors & Actuators: B. Chemical, Part. Part. Syst. Charact等杂志发表SCI论文17篇，申请专利2项；项目为新颖NIR材料的合成、纳米材料可控合成方法的探索及纳米材料在生物靶向成像、生物传感等领域的应用，提供理论支持和技术探索。