一种荧光CT双模态影像探针及其制备方法.pdf

本发明涉及一种荧光-CT双模态影像探针及其制备方法，具体涉及一步水热碳化法制备的荧光-CT双模态碘掺杂碳量子点及其在生物医学影像中应用，属于生物医用材料领域；具体方案是：按一定质量比将碘克沙醇和甘氨酸作为前体物溶于水溶液，置于带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜内，升温至120-200℃反应4小时。将深棕色反应液透析和冷冻干燥除去残余物和水分，获得黑色粉末状纳米颗粒即为碘掺杂碳量子点。本方法制备的碘掺杂型碳量子点具有稳定荧光性能、高效X射线衰减能力以及良好的生物相容性等优异特性，且成功应用于体外活细胞荧光成像与体内CT成像。本方法具有操作简单、绿色环保、易于大规模生产的特点。

权利要求书
1.   一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
（1） 一定质量的含碘化合物和氨基酸溶解在去离子水溶液中，室温条件下磁力搅拌，使其充分分散溶解，获得均匀的透明溶液；
（2） 将步骤（1）中得到的透明溶液放入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，加热处理，室温冷却后经离心去除大颗粒沉淀； 
（3） 收集上清液装入透析袋内进行透析；
（4） 将透析产物冷冻干燥至粉末状，即获得I-doped CDs。

2.   根据权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，其中步骤（1）中含碘化合物和氨基酸的投料质量比范围为1-9:9-1。

3.   根据权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，其中步骤（1）中所述的含碘化合物为碘克沙醇；所述的氨基酸为甘氨酸。

4.   根据权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，其中步骤（2）中加热处理的条件为120-200℃加热处理2～4 小时。

5.   根据权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，其中步骤（3）中透析所用的透析袋分子截留量为500-25000 道尔顿；
所述透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。

6.   根据权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法，其特征在于，其中步骤（4）中所述的冷冻干燥在-50℃条件下进行。

7.   一种如权利要求1所述的一种荧光-CT双模态影像探针的制备方法所制备的荧光-CT双模态影像探针。

8.   根据权利要求7所述的一种荧光-CT双模态影像探针，其特征在于，所述荧光-CT双模态影像探针用于体内的CT造影成像。

9.   根据权利要求7所述的一种荧光-CT双模态影像探针，其特征在于，所述荧光-CT双模态影像探针用于体外活细胞的荧光成像与流式细胞仪的定量分析。

说明书一种荧光-CT双模态影像探针及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种荧光-CT双模态影像探针及其制备方法，具体涉及一步水热碳化法制备的荧光-CT双模态碘掺杂碳量子点及其在生物医学影像中应用，属于生物医用材料领域。
背景技术
电子计算机断层扫描（Computer Tomography, CT）是临床上最为广泛使用
的非侵入式影像学检查方法，是目前疾病诊疗和指导外科手术最为成熟，也是最为有效的方法之一（Stewart, R.C., et al., Contrast-enhanced CT with a high-affinity cationic contrast agent for imaging ex  vivo bovine, intact ex vivo rabbit, and in vivo rabbit cartilage. Radiology, 2013. 266(1): p. 141-50.）。CT造影成像的基本原理是根据人体不同组织对X射线衰减能力不同经计算机采集处理形成的图像。虽然，CT成像能为疾病监测提供三维立体的解剖图，但轻微的软组织变化却很难被及时发现。因为软组织的病变，溃疡和肿瘤与周围组织具有相似电子密度。鉴于此，在临床CT诊断过程中往往需要CT增强剂（造影剂）来提高病灶组织生理和解剖组织的成像效果。这些造影剂通常利用高原子序数元素显著削减X射线，改变信号强度，与周围组织形成对比而产生造影作用。目前，临床常用的CT造影剂主要是小分子量的芳香化碘化合物，如碘海醇，碘克沙醇等。这些碘化造影剂经经脉注射之后，随着血液很快扩散到全身，最后经肾脏代谢排出体外（Ding, J., et al., CT/fluorescence dual-modal nanoemulsion platform for investigating atherosclerotic plaques. Biomaterials, 2013. 34(1): p. 209-16.）。然而，这种体内滞留时间短，缺乏组织特异性以及碘化物固有的粘稠度和渗透压所带来的副作用限制其广泛的临床应用。因此，开发新型的具有体内长循环和组织靶向性的碘化造影剂是目前CT分子影像探针的研究热点（Wang, H., et al., Folic acid-modified dendrimer-entrapped gold nanoparticles as nanoprobes for targeted CT imaging of human lung adencarcinoma. Biomaterials, 2013. 34(2): p. 470-80.）。
纳米技术与生物医学相结合为制备功能化医学影像造影剂开辟了新途径。
纳米颗粒本身固有的体内长滞留时间和易于表面功能化等特性使其在医学影像领域备受在备受关注（Du, F.Y., et al., Multicolor Nitrogen-Doped Carbon Dots for Live Cell Imaging. JOURNAL OF BIOMEDICAL NANOTECHNOLOGY, 2015. 11(5): p. 780-788.）。碳量子点（carbon dots，CDs）作为纳米荧光材料家族中的新秀，不仅具备类似于半导体量子点优异的光学性质，而且具有合成方便、原料丰富、良好的生物相容性等特点，具备符合在生物标记和生物医学成像中所需要的优良特性（Du F, et al., Economical and green synthesis of bagasse-derived fluorescent carbon dots for biomedical applications. Nanotechnology, 2014. 25(31): p. 315702.）。因此，本发明以碳量子点为纳米载体荷载碘元素，不仅降低传统碘化造影剂因其粘稠度和渗透压等导致的毒副作用，延长体内滞留时间，而且可以通过纳米颗粒本身小尺寸效应和表面易于功能化的优势，实现体内特异组织的靶向造影。本发明制备的碘掺杂碳量子点作为新型CT造影剂，可为临床早期疾病诊断和筛查尤其是肿瘤的早期检测和预后评估提供更加精确丰富的影像信息。
发明内容
本发明为克服现有技术中存在的缺陷，旨在设计并制备一种体内滞留时间长、组织特异性和较强X射线衰减能力的医学影像探针。
本发明采用水热碳化法，通过水热反应釜处理，碳量子点的成型、碘掺杂与表面钝化可同时完成。
本发明制备的碘掺杂型碳量子点（I-doped CDs）具有光学成像和CT造影的双功能。I-doped CDs不仅具有良好的生物相容性，较强的X射线衰减能力，可用于体内的CT造影成像，同时还具有优异的光学特性，可用于体外活细胞的荧光成像与流式细胞仪的定量分析；
本发明提供的水热碳化法制备的荧光-CT双模态I-doped CDs通过以下技术方案予以实现：
（1） 一定质量的含碘化合物和氨基酸溶解在去离子水溶液中，室温条件下磁力搅拌，使其充分分散溶解，获得均匀的透明溶液。
（2） 将上述透明溶液放入带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中。加热处理，室温冷却后经12000g离心10分钟去除大颗粒沉淀。
（3） 收集上清液装入透析袋（MWCO：500-25000道尔顿）内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。
（4） 将透析产物在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，即获得I-doped CDs。
其中步骤（1）中含碘化合物和氨基酸的投料质量比范围为1-9:9-1；所述的含碘化合物为碘克沙醇；所述的氨基酸为甘氨酸。
其中步骤（2）中加热处理的条件为120-200℃加热处理2～4 小时。
本发明的方法所制备的碘掺杂碳量子点的粒径为1-50 纳米。
本发明的优点在于：
（1）本发明制备I-doped CDs的前驱物均为生物相容性良好的化合物，显著降低后续体内注射造影造成不良反应的风险。
（2）本发明制备过程中对设备要求较低，且操作简便，绿色环保，适合大规模工业生产。
（3）本发明制备的I-doped CDs具有荧光和X射线衰减双功能。碘掺杂型碳量子点不仅具有优异的光学性能，可用于体外活细胞及亚细胞水平的荧光成像与流式细胞仪的定量标记分析，而且具有较强的X射线衰减，可用于体内精准病灶组织的CT三维立体成像。
（4）本发明制备的I-doped CDs具有良好的生物相容性和组织特异性。以碳量子点作为载体荷载碘原子，极大地避免由于碘原子固有特性造成的副作用，从而显著提高其安全性。另一方面，纳米颗粒形态赋予I-doped CDs较长体内滞留时间，有利于特定疾病的实时监测，尤其对于肿瘤较高的ERP效应，具有较好的被动靶向造影成像的效果。
附图说明
图1. I-doped CDs物理形貌特征的表征。（A）I-doped CDs在低倍镜和高倍镜下（插图）的扫描电镜图。（B）I-doped CDs的粒径分布图。
图2. I-doped CDs光学性质的表征。A. I-doped CDs的紫外吸收光谱。右上插图为I-doped CDs水溶液在365nm紫外灯照射下的荧光图片；B. I-doped CDs的荧光光谱图（从330nm到400nm）。
图3. I-doped CDs的化学结构的表征。A. I-doped CDs的红外光谱图。B. I-doped CDs的XPS全长光谱图。C. 碳元素XPS光谱图。D. 碘元素XPS光谱图。
图4. 不同浓度I-doped CDs对X射线衰减图（A）及其定量图（B）。I-doped CDs体内成像图（C）。
具体实施方式
本发明是采用甘氨酸和碘克沙醇为前驱物，通过水热碳化合成方法，实现快速大量地制备钆掺杂型碳量子点。
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术路线。
实施例 1：
将0.1 g甘氨酸和0.9g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中， 180℃加热4h，待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为1.2%。
实施例 2：
将0.3 g甘氨酸和0.7g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中， 180℃加热4h，待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为2.6%。
实施例 3：
将0.5 g甘氨酸和0.5g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中， 180℃加热3h， 待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为4.3%。
实施例 4：
将0.7 g甘氨酸和0.3g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中， 180℃加热4h， 待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为2.2%。
实施例 5：
将0.9 g甘氨酸和0.1g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中， 180℃加热4h， 待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为0.6%。
实施例 6：
将0.5 g甘氨酸和0.5 g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中，120℃加热2h，待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为1.3%。
实施例 7：
将0.5 g甘氨酸和0.5 g碘克沙醇定容到20 mL双蒸水中，室温（15～25℃）条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到带有聚四氟乙烯的水热反应釜中，200℃加热4h，待溶液自然冷却后，用中速滤纸过滤去除不溶性黑色沉淀，15000 g离心30分钟除去大颗粒，收集上清液注入到分子截留量为2000 Da的透析袋内进行透析，透析时间为72 h，每间隔12 h 换一次水。将透析产物进行旋转蒸发，得到浓缩溶液。将浓缩溶液在-50℃条件下进行冷冻干燥至粉末状，获得钆掺杂型碳量子点。产量为4.2%。
实施例8：
本发明的技术方案所制备的荧光-CT双模态影像探针通过以下表征予以验证：
（1）I-doped CDs的制备与形貌表征。
采用碘克沙醇和甘氨酸为前驱物，通过水热碳化反应成功制备I-doped CDs。利用TEM表征I-doped CDs的物理形貌(如图1)，表明制备的I-doped CDs颗粒具有较好分散性，均一的粒径分布。通过高分辨率透射电镜进一步表征，粒径大小约为2.7nm。
（2）I-doped CDs的光学性能的表征。
利用荧光分光光度计和紫外吸收光度计表征I-doped CDs的光学特征 (如图2)。图2A表明，I-doped CDs水溶液在可见光-紫外区域没有有明显的吸收峰；图2A右上插图表明，I-doped CDs水溶液在自然光下呈浅黑色，在紫外灯照射下（365nm）发出蓝色荧光。图2B显示I-doped CDs表现出明显的激发光依赖的发射光谱。荧光发射光谱的半峰宽度为100nm，且发射光谱窄而对称。这部分结果说明I-doped CDs具有较好的水分散性和荧光特性。
（3）I-doped CDs的化学结构的表征。
利用XPS和FITR表征I-doped CDs的化学结构。如图3A所示，在I-doped CDs的红外光谱图上，3420 cm-1处有很强的伸缩振动峰表明I-doped CDs富含O-H和N-H基团。1660 cm-1出现尖锐的振动峰表明存在大量C=C键。1410 cm-1为C-N键的振动吸收峰，初步说明有氮元素掺杂到碳量子点颗粒当中。如图3B所示，I-doped CDs主要由有碳，氮，氧和碘四种元素组成，表明碘元素已成功掺杂入碳量子点颗粒。图3D显示掺杂的碘元素在631.1和619.6eV有2个吸收峰，表明碘元素以I-成键方式存在碳量子点颗粒中。
（4）I-doped CDs的X射线衰弱能力的表征。
利用CT机表征I-doped CDs的X射线衰减能力。以临床常用CT造影剂碘克沙醇为对照组，分别检测不同浓度下I-doped CDs纳米颗粒衰减X射线强度。如图4A所示，I-doped CDs试验组衰减信号强度与浓度之间存在明显正相关。这与目前临床常用造影剂碘克沙醇类似（见图4B下排）。经定量分析如图4，当浓度为0.15 mg/mL或以上时，I-doped CDs实验组对X射线的衰减能力明显高于碘克沙醇对照组。经尾静脉注射后，可在膀胱内检测到明显的信号(如图4C)。这部分结果初步表明，I-doped CDs具有较好的X射线衰减能力，适合于作为高灵敏度的造影剂应用于CT体内造影。