离散偶极近似仿真金属调制稀土荧光及应用研究

吕锐婵 王燕兴 杨 凡 陈朝晖 田 捷 林 君

(1. 西安电子科技大学 分子与神经影像教育部工程中心, 智能传感交叉前沿研究中心,生命科学技术学院, 机电工程学院, 陕西 西安 710126；2. 中国科学院长春应用化学研究所 稀土资源利用国家重点实验室, 吉林长春 130022)

1 引 言

分子影像是传统医学影像学、现代分子生物学、光子学、材料化学等多学科交叉的新兴技术,以设计功能性纳米材料为核心构建分子成像探针已经成为肿瘤诊断领域的研究热点[1]。 分子影像探针的特点体现在：探针尺寸足够小,可以透过血管、细胞膜等生理性屏障,在细胞、分子或基因水平对病灶部位进行成像,使得其在癌症的早期诊断领域有非常好的临床应用研究前景[2-4]。 而稀土无机探针光色可调、激发发射光带位移大,具有特色的“上转换可见发光(UCL)”优势,其激发光正好处于近红外区域,满足生物成像“使用毒害小和穿透力强的近红外光(650 -900 nm)作为激发源”的迫切需要[5-8]。

稀土上转换发光纳米晶能够将处于光学窗口的近红外光转化为可见光,具有良好的生物穿透深度,同时可见光几乎完全避免了激发光自体干扰,使得传统上必须同时使用的多种激发源归结为单一的近红外光,避免了诊断光源和治疗光源的分离；而稀土近红外二区(NIR Ⅱ)成像的发射光散射更低、对生物组织的穿透性更强、受生物体自体荧光的影响更小、成像深度更高、空间分辨率更高,也开始受到关注[9-12]。 尤其是上转换稀土发光材料,其“与激发光分离的可见光发射”这种独特优势是传统上最常用的金纳米探针不能替代的。 在新型光动力/光热诊疗领域,UCL 探针可以将较深穿透力的近红外光转化为与光敏剂匹配的可见光,在发光的同时激发光敏剂产生单线态氧(光动力治疗)或产生热量(光热治疗)杀灭癌细胞[13]；在光遗传学领域,通过近红外激发稀土探针产生的可见光控制离子通道可以调节神经元,从而控制神经回路、治疗神经元疾病、实现脑内无创深度脑刺激等[14-15]；在太阳能电池领域,上转换发光材料作为光伏材料可以将近红外光转换为有效利用的可见光,从而增强光电转换效率[16-17]。

尽管稀土发光材料应用广泛且发展迅速,上转换纳米晶的生物应用仍然面临着巨大的挑战[18]。 上转换发光通常有激发态吸收、光子雪崩、交叉弛豫、连续能量转移、协同上转换等5 种双光子或多光子能量传递方式(如图1(a1) ～(a5))。 基于这些能量传递过程,传统上最常用Er3+、Ho3+、Tm3+作为稀土发光材料的激活剂,并通常使用Yb3+敏化,但发光效率会因Yb3+在近红外区域的吸收谱带窄而受限。 目前公认的具有最高上转换效率的六方相NaYF4∶Yb,Er 的上转换效率也仅为10%,而对于具有超小尺寸的UCL纳米晶,上转换效率一般仅为0.1%～1%[19-20]。研究者们运用各种手段尝试提高发光材料的效率与亮度,主要集中在对掺杂浓度和表面缺陷的调控上：(1)调控稀土材料的基质及共掺杂的激活剂、敏化剂浓度；(2)控制稀土材料的形貌、尺寸、结构等[21]。 然而,“稀土上转换纳米晶较低的上转换效率、较小的吸收截面、吸收谱带较窄”这3个突出问题依旧不能从根本上解决。

图1 (a1) ～(a5)上转换发光的5 种传递类型能级图；(b)荧光材料以及金属调制荧光材料的Jablonski能级图。Fig.1 (a1) ～(a5)Energy levels of five types of UCL. (b)Jablonski energy levels of luminescent materials without and with metal modulated.

最近数年,一些新的物理调节手段被应用于提高发光强度,比如表面等离子共振(SPR)效应,有机染料的天线作用,以及光子晶体效应对局域光场的调控等[22-25]。 本文的创新点在于,在使用金属等离子共振增强UCL 荧光这种方式中,先使用离散偶极近似(DDA)对拟构建的稀土-金复合结构进行模拟,通过改变模型的尺寸参数,根据计算出的结果探究共振峰的变化规律,指导对实际样品的结构调整,并对最终的结果进行实验验证。

2 SPR 与LSPR 及金属增强荧光机理

SPR 现象一般发生在平面金属材料的一侧,当入射光沿着一定角度碰撞到金属材料表面时会产生一种消逝波,而这种消逝波与材料内部产生的等离子波相遇就会产生共振。 使用光栅、棱镜和光纤等辅助工具可以激发产生等离子共振,比如全内反射的Kretschmann 棱镜；光波与金属纳米粒子相互作用产生的则是另一种特殊的等离子共振,当光波作用在金属纳米粒子表面时,使得纳米粒子表面的自由电子产生集体振荡,当该振荡的频率与入射光频率一致时,会产生共振现象(图2),此时在纳米粒子表面的电磁场会被增强[24-25],这种现象即为局域表面等离子共振(LSPR)[26]。

图2 金属纳米粒子表面的局域表面等离子共振Fig.2 LSPR on the surface of metal nanoparticles

合理利用SPR 可以有效增强荧光分子的发光强度[27-30]。 而金属增强荧光的机理主要来自3个方面(图3)：局部电磁场增强对激发光的吸收、Purcell 效应提升辐射速率[31]、近距离的荧光共振能量转移(FRET)[25,32]。

首先,在辐射光影响下,贵金属纳米粒子产生的LSPR 能够带来一个局域电场增强(Local field enhancement,LFE)的效果,该电场可以促使荧光分子吸收更多的激发光,从而使其激发强度和转换效率获得有效的提高。

其次,对于Purcell 效应,在公式上体现为将其辐射速率从Γ提升到Γ+Γm(图1(b))。 在无金属粒子参与下,自由态荧光分子的量子产率和荧光寿命计算公式为：

而当有金属的LSPR 作用影响时,多出的Γm会将荧光分子的量子产率和荧光寿命的表达方式改为：

图3 金属增强荧光机理Fig.3 Mechanism of metal enhanced fluorescence

因而,在Purcell 效应的影响下,UCL 的量子产率将会增大,即发光得到增强。

在理论上,Purcell 效应具体是指,如果将辐射偶极子置于共振腔中,则与自由空间相比,发射强度将在共振时放大。 腔体内的光学局部密度(LDOS)是共振腔中入射光产生的局部电场。 在空气中,LDOS 几乎恒定,偶极子会正常辐射所有光子能量。 而在共振腔体中,LDOS 在共振波长处将达到峰值,同时偶极子能够以比在空气中更高的速率发射。 接着,空腔可以重新辐射转移的能量,从而导致偶极子发射的整体增强。

第三,FRET 是指如果金属等离子体和荧光分子相距在约1 ～10 nm 之间,则一个偶极子的非辐射局部场可以激发另一个偶极子,即FRET效应。

FRET 中能量转移的效率(ηFRET)取决于两个因素：一个因素为分离距离R,因为每个偶极子具有1/R3近场,导致R对ηFRET的衰减率为1/R6；另一个因素R0取决于供体激发态发射与受体基态吸收之间的光谱重叠。 在等离子体/荧光团的FRET 中,R0的值通常在3 ～8 nm 的范围内[25]。 由于增强的局部场和LSPR 固有的较大吸收截面,FRET 过程非常有效,在等离子体存在下基本上R＜R0。 在从等离子体到荧光团或从荧光团到等离子体的过程都可以发生FRET,对荧光的影响也不同。

总的来说,等离子体共振峰和荧光发射峰之间的光谱重叠,决定了是否存在FRET 或Purcell效应,以及是否导致荧光团发射的增强或猝灭[33-34]。 因而,通过材料合成设计控制共振峰的理论基础是：(1)对于增强的局域电场,当金属共振峰与稀土激发峰重合时,会起到对激发光吸收的最优增强。 (2)如果金属共振峰与稀土荧光分子的发射峰重叠,则远距离(10 ～50 nm)的Purcell 效应和近距离(10 nm)的FRET 对荧光的增强效果不同(与荧光团的尺寸、距离有关)。 (3)对于以吸收为主的较小纳米粒子(粒径 ＜15 nm),根据FRET 的方向不同,会在一定程度上减弱或增强荧光；对于以散射为主的较大纳米粒子,FRET 和Purcell 效应都会增强稀土发光。 由于超出FRET 的距离处等离子体场相对于自由空间的LDOS 增强,将诱发强烈的Purcell 增强,与自由空间相比,这将导致荧光团的辐射率增加,而使荧光发射增强。

3 金属纳米粒子电磁特性计算

从以上理论部分可以看出,金属纳米粒子的结构、形貌、尺寸不同,或复合材料的整体结构不同,都会导致产生的LSPR 峰不同[35-37]。 因此,调整金属粒子的尺寸、形貌或排布,在一定程度上可以改变LSPR 峰的位置和强度[38-39]。 细节上,通过控制这些变量并对其结果进行研究,可以探寻出改变金属纳米材料LSPR 峰的一些规律,进而可以根据这些规律有效地调变到对荧光效果有意义的波长位置。 而如果有理论方法能对稀土-荧光纳米粒子的电磁特性进行预测,将会对我们通过LSPR 效应来调制荧光非常有帮助。

3.1 金属纳米粒子电磁特性计算方法

1908 年,德国科学家Gustav Mie 对麦克斯韦方程组增加了边界条件,提出了Mie 散射理论[40],这便是金属纳米粒子电磁性质计算的开端。 Mie 散射理论只能计算均匀的球形纳米粒子,对于其他形状或是各向异性的纳米粒子,不能求出解析解。

随着计算机技术的发展,在接下来的百年中,逐渐出现了多种对纳米粒子散射问题的数值计算方法,包括T 矩阵法、时域有限差分法、有限元方法、离散偶极子近似等。

T 矩阵(T-matrix)方法最早是在1965 年由Waterman 处理电磁场散射问题时提出来的[41]。T-矩阵适用于非球形的纳米粒子求解,但求解过程容易振荡而不易收敛。 Yee 在1966 年提出了Mie 散射方程的差分离散形式,并形成了时域有限差分法(FDTD)[42]。 FDTD 的优点是,能够实时模拟场的分布,且精确度较高。 有限元方法(FEM)是Courant[43]在1943 年首先提出的,目前该方法应用广泛且有成效。 然而,FEM 法在对光的散射问题求解时比较困难。 且由于FEM 法是区域性的方法,在实际计算中将会受到计算机存储空间和运算速度的限制。

离散偶极近似法(DDA)的理论基础是使用大量的离散偶极子阵列来近似模拟连续物体,通过求解在入射波环境下的偶极子极化度来解得物体的散射、吸收截面[44]。 1964 年,Howard DeVoe在发表的论文中提出了DDA 理论的基本框架。1973 年,Purcell 和Pennypacker 进一步确立 了DDA 方法的基本原理,并通过电磁波公式表达了偶极子电场的影响。 1988 年,Drain 提出了更适合电磁波条件的Clausius-Mossotti 加辐射反应标准的求解。 同一时期,Drain 使用计算机语言编写了DDA 计算机程序,并命名为DDSCAT[45],之后DDA 继续不断发展。 1991 年,Goodman 将快速傅里叶变换方法带到计算中而提高了运算效率[46]。1993 年,Drain 与Goodman 开始使用晶格色散关系更为准确地表达偶极子的极化度[47]。 2008年,Drain 与Flatau 实现了DDA 对二维周期性材料和一维无限长物体散射的计算[48]。 经过快速的发展和不断的迭代更新,DDA 算法现已成为研究纳米粒子光学散射和电磁场问题的一种广为人知的常用有效手段。

3.2 DDA 模拟算法原理

DDA 算法可以计算任意形状纳米粒子在电磁场下的散射、吸收截面,其模型是通过N个偶极子在x、y、z3 个正交方向上排布而成(图4),偶极子阵列的排布方式也遵循一定规则。

图4 由N=31 103 个偶极子阵列构成的球体模型Fig.4 Sphere model composed of dipole arrays(N=31 103)

DDA 要求偶极子之间的距离d要足够小,既要小于目标物体的任何结构部位的长度,又要小于入射光λ的波长。 经过理论研究表明,要满足d＜λ,必须满足这个限制条件。 其中,m表示目标物体的复介电函数,k=2π/λ。

在DDA 计算中,将模型的体积表示为V,则可以得出一个有效半径aeff=(3V/4π)1/3,表示与之同体积的球体半径。 而V和d之间的关系为V=Nd3。 因此,不等式可以等效为

所以,如果实际物体的m值较大,或者kaeff过大,则需要足够多的偶极子数才能准确地代表目标物体。

DDA 的算法步骤为：(1)以三维等距排列的偶极子构成要模拟的实际物体；(2)以实际物体的介电性质确定模型中对应部分的偶极子极化率；(3)求解入射电磁场下所有偶极子的偶极矩；(4)根据上一步得到的偶极矩求解模型的最终消光截面和散射截面。

以下为求解偶极矩的过程：在入射光的影响下,每个位于ri处的偶极子都会产生一个偶极矩Pi,而Pi=αiEi。 其中,αi和Ei分别表示ri处偶极子的极化率和总电场。 总电场由入射光(公式(5))和ri处之外的偶极子(公式(6))两部分构成,分别可表示为：

整合之后,总的电场Ei可表示为

其中Aij是个3N×3N矩阵,表示偶极子间的相互关系。 在i=j处,若定义Aij=α-1,则可以简化为

此时,已将散射问题转化为求解3N维线性方程中偶极矩Pi的问题。 求解方程组之后可得到Pj,再经过以下两个公式可求出模型的消光截面和散射截面：

最后,通过以下两个公式可以最终求得模型在入射电磁场下的消光效率和吸收效率：

散射效率Qsca的计算公式为

3.3 DDSCAT 使用流程

DDSCAT 是最早被开发的DDA 软件工具,由Drain 和Flatau 使用Fortran 语言编写[48-50]。

我们的研究体系使用的是Windows 版本的DDSCAT,其使用步骤为五步：设计模型,设置相关参数,程序运行,分析消光系数,电场图可视化。(1)设计模型：由于DDSCAT 内置的模型形状过于简单,因此需要用户借助类似Matlab 软件自行编程来设计模型。 编程的目的是产生一个包含模型所有偶极子点三维坐标的文件,并将其命名为shape.dat,即可带入DDSCAT 程序中运行。 (2)设置相关参数,主要包括：模型构成部件的介电常数、入射波长的范围、有效半径、是否需要近场计算。 这些都需要在ddscat. par 文件中配置。 (3)程序运行：启动程序包中的ddscat. exe 即可开始运行程序。 (4)分析消光系数：程序正常运行结束后,会得到一个记录了不同波长下模型消光系数的qtable 文件,可以使用文件中的数据进行分析和绘图。 (5)电场图可视化：若在参数配置中选择了计算近场,则此时可运行ddpostprocess 将后缀为E1 的近场文件转换为后缀为vtr 的文件,后者可以经过Vislt 等软件进行可视化,以分析模型的电场分布。

4 金属增强上转换荧光的应用

4.1 DDA 指导纳米金球增强介孔La2O3 ∶Yb/Er 的发光

在药物缓释系统(DDSs)中,中空介孔微球由于其独特的低密度特性、高比表面积和特殊的多孔结构,在药物载体、细胞成像、光动力疗法和基因传递等生物领域有着广泛的应用,并引起了人们极大的兴趣。

近年来,DDSs 得到了不断的发展。 Yang等[51]成功地制备了一种粒径为130 nm 的LaF3∶Yb3+,Er3+@nSiO2@mSiO2核/壳微球,利用微球的通道可以储存布洛芬,同时,其介孔结构能够限制并控制分子的扩散。 Wang 等[52]开发了一种能有效地将核酸导入肿瘤细胞的上转换纳米粒子/聚合物复合系统,并结合了核磁成像/CT 成像/UCL 三模态成像特性,作为体内外可追踪的探针。 Yan 等[53]合成了一种新型两亲性含氟嵌段共聚物,由甲基丙烯酸低聚乙二醇甲醚、甲基丙烯酸2-(N,N-二甲氨基)乙酯组成,所制备的纳米团簇不仅具有良好的水分散性、生物相容性和生物环境稳定性,而且对DOX 具有良好的pH/氧化还原双响应释放性能。 You 等[54]报道了一种直径40 nm 的高DOX 负载率的双功能空心金纳米球,在近红外光(NIR)介导下,能实现对肿瘤细胞的光热消融和药物释放。 在所介绍的现有DDSs 研究中,这些体系都没有涉及到对金属LSPR 作用的有效利用,或是没有通过数值计算方法进行金属电磁特性的分析。

在最开始的实验设计中,我们使用乙醇气泡作为软模板,以共沉淀的方法形成La(OH)3∶Yb/Er,再经退火包金合成了La2O3∶Yb/Er@Au HMSs(中空微球)[55]。 该体系中,我们对合成的La2O3∶Yb/Er@Au HMSs 样品不止做了一系列的形貌表征、光谱测试,还首次通过DDA 理论对Au 的消光特性进行了计算,并与金纳米粒子(Au nanoparticles,Au NPs)的实验吸光谱进行了对比,亦使用DDA 模拟了两个Au NPs 间不同距离下的电场强度分布。

光谱检测表明,与La2O3∶Yb/Er 相比,La2O3∶Yb/Er@Au 在523,549,661 nm 处的发射峰分别增强了23.9,19.3,16.8 倍。 通常,409 nm 处这种效率较低的三光子或四光子荧光过程是不容易观测到的,然而在该体系中可检测到效率较低的三光子或四光子UCL 过程(由2H9/2→4I15/2产生的发射峰),体现了Au 对样品发射光的增强效果非常明显。 另外,低功率67 mW 下的荧光增强比率高于406 mW 较高功率下的比率。 这表明,在较低激发功率下,UCL 发射得到了更大的提高,这归因于较低功率下有较高的局域场增强效率。

当Au NPs 结合荧光粉时,可能会产生两种影响：(1)由于激发过程中Au NPs 在NIR 激发下发生了等离子共振,因而产生的LFE 增强了La2O3∶Yb/Er 对NIR 的吸收,提高了激发效率；(2)发射过程中由于LSPR 对可见光的吸收发生了从La2O3∶Yb/Er 向Au NPs 的能量转移,从而降低了样品的发射光。 这两种效应都可以改变UCL 的强度和寿命,而UCL 的增强则依靠LFE 的作用。光热实验表明,两种样品在NIR 照射下的温度变化相似。 这说明两者都因Er3+离子的非辐射跃迁导致了相同的温度升高,同时La2O3∶Yb/Er@Au 也没有由于LSPR 效应而发生多余/增加的非辐射跃迁。

图5 (a)单个金纳米球的消光峰对比,其中a1 为实验测得系光谱,a2(真空环境)和a3(环境折射率=1.8)为DDA 模拟的吸收、散射和消光谱；(b)在980 nm波长下,两个金纳米粒子球体之间距离不同时的电场强度(|E|/ |E0|)[55]。Fig.5 (a)Comparison of extinction peaks of single gold nanosphere. Here, a1 is the absorption spectrum measured by experiment, a2(in vacuum) and a3(environmental refractive index of 1.8) are absorption, scattering and extinction spectra simulated by DDA. (b)Change of electric field intensity (|E|/|E0|) with different distance between two Au NPs under 980 nm excitation.

接着,采用DDA 计算方法研究和预测了样品模型的共振峰和电场强度(图5)。 直径10 nm 的Au NPs 的实际吸收光谱和DDA 模拟结果非常相似。 同时,由于制备的La2O3∶Yb/Er@ Au 由Au和La2O3∶Yb/Er 组成,因而分别模拟并计算了Au处于空气环境和La2O3∶Yb/Er 折射率(1.8)环境中的吸收峰,结果发现前后的吸收峰从510 nm 转移到了580 nm。 这种转变阻止了从La2O3∶Yb/Er向Au NPs 的光子转移,因此523 nm 和549 nm 的发光没有减弱,即防止了LSPR 对部分发射光的消光作用。 电场强度可视化图表明,两个球体之间在相距较小的3 nm 处出现强度的最大值。 在实验合成中,当Au 溶液量逐渐增加时,Au NPs 之间的距离将相应减小；当Au 增加到0.5 mL 时,La2O3∶Yb/Er@Au 的强度达到最大值；之后随着溶液量增加,发光强度降低。 DDA 模拟出的电场强度变化与实验Au 的加入量引起光强变化结果有较好的吻合。

4.2 纳米金球增强介孔材料的成像及光致药物释放

在DDSs 的不断发展中,为了克服多重耐药性MDR 现象,研究者对缓释系统的结构和性能进行了不断的提升,比如通过肿瘤微环境pH/GSH 双响应控制药物释放、利用DNA 的循环杂交及利用金纳米框架的光热效应控制DOX 的释放等方法。

Yao 等[56]报道了一种新型脂质体DDSs,并命名为UCNP@ Azo-Lipo。 该体系开发了一种简便的方法,在溶酶体捕获囊泡之前,通过近红外控制DOX 释放到特定的时空点来克服MDR,避免了MRP1 效应引起脂质体的分解和DOX 的流出。Lei 等[57]合成了一种基于MnO2纳米片的双敏感药物释放系统UCNPs@mSiO2-MnO2。 在低pH 和高GSH 条件下,随着MnO2的分解和DOX 的释放,发光强度和磁共振信号都会增强。 Zhang等[58]设计了一种上转换发光的DNA 偶氮苯(Azo)纳米泵,在NIR 下,UCNPs 发出紫外和可见光两种光子,可推动Azo 的连续光异构化,使其像一个叶轮泵,触发DNA 的循环杂交,实现DOX 的可控释放。 Tang 等[59]采用空间约束的电偶置换方法,制备了独特的Au@mSiO2微球。 金纳米框架的光热效应能显著促进DOX 的快速释放。 体外研究表明,光热疗法和化学疗法在Au@mSiO2微球中对Hela 细胞有明显的协同杀伤效果。

在利用金属的光热来控制药物释放这一体系中,我们采用简易的大规模共沉淀法合成了Na5Lu9F32∶Yb/Er 中空介孔微球[60]。 经过PEI 对氟化镧HMSs 进行了改性,然后将平均粒径约10 nm 的Au NPs 包覆在了微球表面。 接着,依次对包金Na5Lu9F32∶Yb/Er @ Au HMSs 和不包金Na5Lu9F32∶Yb/Er HMSs 的不同激发功率、寿命、非辐射特性下的发光强度、DDA 模拟、MTT 分析、DOX 释放、UCL 发光成像特性等方面进行测试与探索,证实了该复合材料在生物成像和药物释放方面的可行性。 同时,使用DDA 对Au NPs 进行了消光计算和电场强度分析。 温度对比表明,光照下包金HMSs 温度会迅速升高,升温速度和效果明显高于不包金HMSs,这证明了包金HMSs 由于LSPR 效应发生了更多的非辐射跃迁(即FRET的产生)；另外,Na5Lu9F32∶Yb/Er@Au 的UCL 发光强度会随光照时间的增加而减小,这也说明了非辐射跃迁的发生。 接着采用交替时间曝光对包金HMSs 在近红外激光作用下8 h 内的释放效率进行监测,在相同时间间隔(1 h)内,开启NIR 时的释放效率是关闭NIR 时的3 倍。 这正是由于LSPR 效应降低了UCL 局部发光强度和寿命,且Au NPs 的吸光增强而使样品温度升高,导致在NIR 照射下DOX 的释放速率明显加快。 因此,可以根据具体情况来控制激光照射与否来调节药物的释放剂量,从而实现通过Au NPs 的热效应“开/关”模式控制DDSs 的释放过程,更利于实现DOX 分子最初的快速释放和后期的缓慢释放。

4. 3 DDA 指导稀土-金壳UCNPs@SiO2-Au发光

从前面两个体系,我们发现金纳米粒子对稀土发光材料的发光性能或光热控释药物有作用,而且我们使用DDA 对单个纳米粒子及不同距离纳米粒子的消光和电磁性能进行了模拟。 近几年来,对于利用金属的等离子共振作用调制上转换荧光的研究一直有所发展,不论是调整光色还是增强荧光[61-62]。

Li 等[63]提出构建了NaYF4∶Yb,Er@ SiO2@Au 复合纳米结构。 通过改变Au NPs 的数量,可调节发射光从绿到红的变化。 Saboktakin 等[64]合成了一种在NaYF4∶Yb,Er UCNPs 激发波长处共振峰可调谐的等离子体纳米孔阵列。 制备中,利用了可重复光刻技术制作阵列,并用刮板法填充粒子。 通过稳态和时间分辨的光致荧光光谱测量,进一步研究了位于阵列中的UCNPs 的等离子体发射增强。 Kang 等[65]设计并制作了一种由GNR@SiO2与NaGdF4∶Yb3+,Nd3+@NaGdF4∶Yb3+,Er3+@NaGdF4复合的核/壳/壳结构,该结构具有很高的UCL 增强效果(高达20 倍)和灵活可调的UCL 光色。 实验结果表明,控制SiO2间隔层的厚度可以很容易地控制Er3+红绿蓝发射光的强度比,从而在808 nm 激发下实现由浅黄色到绿色的发射颜色调谐。

与之前不同的是,我们不仅对单独金颗粒的消光谱进行模拟,而且首次利用DDA 对整体稀土-金属模型结构的消光计算,来探究材料结构改变而产生的共振峰变化规律,以此来预测LSPR并指导材料合成。 由于应用LSPR 效应增强荧光需要金属和荧光团之间保持一定的距离,因此我们选择了介孔二氧化硅壳层作为UCNP 和Au NPs 的间隔层。 在该设计理念的驱使下,合成了UCNPs@ mSiO2-Au 复合材料[66]。 其中,UCNPs是通过高温热解法合成的,并使用TEOS 包覆上硅层,最后借助APTES 修饰硅层,利用静电吸附上金纳米粒子。 其中,硅层和金层的厚度都可以通过实验反应物加入量控制,按照设计预期控制合成。 DDA 模拟方面,设计了UCNPs@mSiO2-Au的核/壳/壳结构,并计算了模型在300 ～900 nm的入射光范围下的消光值。 计算结果表明,共振峰会随金层厚度的增加而蓝移,随着硅层厚度的增加而红移。 这说明金的厚度选择最薄的5 nm最宜,而硅层可以尽量调厚。 根据DDA 消光峰的变化情况,认定金层和硅层的厚度分别为5 nm 和30 nm 更有利于UCL 增强。 另外,还对模型在共振峰位置λexc=λLSPR和激发光位置λexc=808 nm处的电场强度分布进行了可视化,同样,当硅层的厚度为30 nm 时,这两个位置处的电场强度都比其他结构的模型要强。 最后,对模拟结果进行实验验证,UCNPs@SiO2-Au 样品的发光强度相比单纯的UCNP 增强了2 倍多。 至此,首次在LSPR 调制UCL 的过程中,实现了DDA 对稀土-金属复合材料结构构建的指导作用。

4.4 DDA 精确指导不同金球分布UCNP@SiO2@Au 的荧光增强

在探究金属LSPR 作用增强荧光的过程中,研究者除了采用不同的金属纳米粒子种类和单体结构,整体的稀土-金复合结构的设计与合成也逐步多样化。

Ge 等[62]报道了Au/SiO2/Y2O3∶Yb3+,Er3+纳米粒子在980 nm 激发下的LSPR 增强UCL。通过调整硅间隔层的厚度,可以使绿光发射最大增强9.59 倍,通过数值模拟和实验,研究了间隔距离对Au-Y2O3∶Yb3+,Er3+绿色上转换的影响。Yin 等[67]成功制备了一种用于金属增强上转换发光的新型纳米复合材料Ag@SiO2@Lu2O3∶Gd/Yb/Er,并对其形貌、晶相、组成、光学性质和细胞成像应用进行了研究。 结果表明,与未加银核的对照组相比,该纳米复合材料的上转换发光强度最高可达30 倍,并且HeLa 细胞吞噬后表现出明亮的上转发光。 Hinamoto 等[68]使用液相合成和气相沉积相结合的方法,开发了一种由金属核、上转换壳和金属帽组成的上转换复合纳米粒子。 对比金属核/介电壳结构和金属核/介电壳/金属帽结构的上转换强度,发现金属帽的形成使上转换强度增加了数倍。

为了对UCNP@ mSiO2-Au 做更精确的DDA模拟,我们对模型的创建进行了优化,将之前的实体金壳替换成了随机分布的金球(不同尺寸、不同分布数量)。 在样品合成方面,使用水热法制备了不同粒径和形状的UCNPs 前驱体,并使用TEOS 在其表面包覆了SiO2壳,与之前一次性加入金纳米粒子所不同的地方在于,通过采用层层包覆法(Layer by layer,LBL)可以有效地控制金纳米球的数量,使合成的样品更符合计算机模拟的模型(图6)[69]。

图6 不同分布、不同尺寸稀土-金属的设计示意图[69]。Fig.6 Design diagram of rare earth-metal with different distributions and sizes[69]

DDA 模拟方面,根据TEM 图中样品粒径的实际测量值,设计了两种NYF@ SiO2@ Au 的核/壳/壳模型,其中NYF 粒径为60 nm,SiO2层厚度为24 nm,并使用了5 nm 和20 nm 两种粒径的Au NPs。 同时,计算出模型的两种有效半径为89 nm和94 nm。 细节上,金层又分为3 种,分别为在数量上金纳米球占有完整壳层30%、60%和90%,这样的设计对应于实际样品中包覆不同次数Au NPs(不同数量)的NYF@ SiO2@ AuX(1 ～3,X=小S/大L)。 DDA 计算方面,在入射光为300 ～1 000 nm 的范围内,得出消光变化规律为：不论模型外层是大/小Au NPs,产生的消光峰(LSPR峰)都会发生随Au NPs 数量的增加而在NIR 区域不断增强的变化,同时会有红移趋势。

实验验证方面,对于3 种小金颗粒包覆的NYF@SiO2@AuS,光谱结果显示的规律是,随着LBL 次数从1 增加到3,样品在360 nm(分别为2.1 倍、6.13 倍、10.1 倍)和475 nm(分别为1.8倍、3.7 倍、7.4 倍)的荧光会不断增强,与DDA 计算出的消光规律非常一致。 对于3 种大颗粒包覆的UCNP@SiO2@AuL 的光谱,在475 nm 处其荧光强度分别是单独UCNP 的4. 3 倍、1. 8 倍和0.26倍。 大金颗粒带来的LSPR 变化规律没有与DDA 一致,分析原因有两点：(1)大Au NPs 的包覆不够均匀,且发生了聚集,影响NYF 对NIR 的吸收；(2)样品随LBL 包覆次数的增加在可见光区域的消光值也发生了增强,对NYF 的发光不利。 这两种原因导致了实验结果上的大Au NPs对UCL 调制的不足。 但整体上,经过对DDA 模型精确度的提升,可以体现出DDA 对LSPR 增强UCL 的有效性和稳定性。

4.5 DDA 指导Au/Ag@UCNPs 纳米笼的荧光增强及光热/光动力治疗

金纳米笼(Au nanocages,Au NCs)经过不断的发展,在合成方法上越来越成熟,在应用方面,作为金纳米粒子的一种,金纳米笼的吸收峰是可调的,可以调整到对NIR 有更高吸收,从而具有很好的光热效应,同时,金纳米笼在光催化方面的性能也一直被探索。

Gao 等[70]对金纳米笼作为无机光敏剂在NIR单光子/双光子照射下介导等离子体光化学产生ROS 进行了基本分析,并揭示了NIR 激发下热电子转化为ROS 或热能。 Dong 等[71]成功地制备了具有增强机械强度的Au NCs 和DOX 负载的溶解HA MNs 阵列,所制备的MNs 体系能有效地穿透皮肤屏障,溶解并释放药物到皮肤中。 MNs 中具有光热效应的Au NCs 将光能转化为热能,除DOX 对肿瘤细胞的直接损伤外,还可以通过NIR照射杀死肿瘤细胞。 Wu 等[72]采用了一种完全由计算机引导的策略(密度泛函理论),发现了一种高效的pH 值可切换的有机光催化剂(OPC),可在pH=5 时变成无色,并能在pH=7 时恢复强烈的可见光吸收和光活性。

光动力疗法(Photodynamic therapy,PDT)作为一种新兴的癌症治疗方式,其原理是在合适的激发光照射下,光敏剂能产生能量转换,将溶液中的氧和水分子置换出活性氧(ROS),以杀伤癌细胞[73-76]。 光热疗法(Photothermal therapy,PTT)同样是新兴的抗癌手段[77-80],能够吸收入射光并将其转化为热量。 金属材料是光热治疗的不错选择[81-84]。 金纳米笼也具备产生LSPR 的能力,产生的电子云可以电离水溶液产生ROS,且LSPR能够帮助金笼增强对入射光的吸收[85-87]。

在上一节DDA 指导LSPR 调节增强上转换荧光初步成功之后,我们将目标转向了金纳米笼,通过合成改变其尺寸和厚度从而调节共振峰,实现了包覆超小UCNPs 的Au/Ag@ UCNPs 复合样品发光强度的提高,并验证了Au/Ag@UCNPs 的光动力/光热治疗能力[88]。

研究依然包括实验合成、DDA 模拟、光谱验证三方面。 实验合成方面,将CTAB 修饰的超小UCNP 与以银立方为模板电偶置换反应制出的金纳米笼混合搅拌,合成出Au/Ag@UCNPs 复合材料。 DDA 模拟方面,设计了3 组9 种不同尺寸和厚度的金纳米笼,经过在300 ～900 nm 波长范围内的计算后,得出3 条规律：(1)随模型尺寸的增大,其吸光度会减小,而散射增大；(2)在金笼整体尺寸大小不变的情况下,消光峰会随笼体厚度的增加而蓝移；(3)当金笼厚度相同时,共振峰位会随其整体大小的增大而红移。 因此,尺寸大、笼体厚的金笼是较好的选择,但不宜太大,因为会使吸收强度降低。 实验验证方面,光谱对比表明Au/Ag@ UCNPs 的发光强度是单独UCNPs 的两倍。

在这个体系中,对于复合材料的抗肿瘤治疗性能也进行了测试。 光动力方面,使用DPBF 与样品混合,观察到在NIR 的不断照射下,溶液中DPBF 的特征吸收峰不断下降,证明了样品产生ROS 的能力；光热性能方面,经808 nm 激光的持续照射,PBS 温度只升高0.6 ℃,说明激光不会杀伤正常细胞,而样品的温度在5 min 内能够持续上升9.7 ℃,非常有利于光热治疗。 同时,细胞实验也证实了Au/Ag@ UCNPs 具有良好的生物相容性。 通过该体系的探究,将DDA 指导LSPR 增强UCL 的应用扩展到了PDT/PTT 领域。

4.6 DDA 指导具有增强红光的光动力/免疫协同治疗

在抗肿瘤治疗领域,除了传统的手术、化疗、放疗,还有新兴的光热/光动力治疗、靶向治疗、免疫治疗。 免疫治疗通过激活人体免疫系统而非直接杀灭肿瘤,成为一种极具前景的肿瘤治疗模式。在协同治疗方面,研究者发现光动力疗法具有激发抗肿瘤免疫反应的能力。 光动力疗法能在短时间内诱导癌细胞凋亡和坏死,同时进一步激活免疫细胞,激发抗肿瘤免疫效应,将其与免疫治疗相结合将是一种非常好的选择。

Xu 等[89]设计了一种基于UCNPs 的多任务纳米颗粒UCNP-Ce6-R837,以触发NIR 诱导的PDT 肿瘤免疫治疗。 该纳米颗粒可经NIR 诱导的PDT 直接破坏肿瘤细胞,并通过诱导树突状细胞成熟和细胞因子分泌来刺激免疫反应。 该研究证实了UCNP-PDT 与肿瘤免疫治疗相结合的治疗效果。 Ding 等[90]制备的UCMSs-MC540-OVA 在980 nm 近红外辐射下显示出了最佳的协同免疫增强作用,其结果被最强的Th1 和Th2 免疫反应、最高比值的CD4 + /CD8 +和效应/记忆T 细胞所证实。 Shao 等[91]合理地设计了核壳上转换纳米颗粒@卟啉MOFs(UCSs)用于缺氧性肿瘤的联合治疗。 该纳米平台与抗程序性死亡因子1(α-PDL1)治疗的结合促进了通过产生细胞毒性T 细胞的特异性肿瘤渗透来完全抑制未治疗的远处肿瘤的生长,实现了PDT 和缺氧激活化疗与免疫治疗的相结合。 人体免疫系统具有抗肿瘤作用,但癌细胞可通过改变其表面结构而逃避免疫识别,而免疫治疗的目的是使免疫系统能够成功识别(如免疫检查点阻断剂)并杀死免疫细胞。

除了单个金纳米颗粒的模拟、不同分布的类似金壳型结构的模拟、金笼子的模拟之外,我们仍然在探究新型的稀土-金属复合结构,以期在生物安全的条件下具有更优异的发光和诊疗效果。 在此,通过采用共沉淀法制备了不同长径比的上转换纳米颗粒(梭形),并包覆SiO2和Au 合成了UCNP@SiO2@AuNPs 复合结构(SPS@Au)[92],最后包覆ZnPc 合成了SPS@Au/ZnPc (SPSZ),并通过抗CTLA-4 抗体的加入实现了对体内免疫性能的提升进而提高疗效。

DDA 模拟方面,我们同样设计了包覆不同金颗粒的SPS@Au。 即SPS 表面由10%、50%、90%和100% 的金粒子构成的金层。 其中,SPS@Au100%表示理论上的完整金壳。 消光结果表明,随着Au NPs 的增加,模型的消光值也随之变大,特别是在波长大于700 nm 的区域。 消光峰若和激发光重叠,则SPR 作用能够最好地增强荧光粉的发光,因而,金颗粒越多,对SPS@Au 的发光越有利。

光谱检测结果如下,第一,SiO2壳厚度的增加(20 nm、40 nm 到60 nm)会导致荧光强度降低；第二,当SiO2壳厚度一定时,如果包覆不同数量的金颗粒(LBL1、LBL2、到LBL3),SPS@ Au(LBL1)和SPS@ Au(LBL2)有相同的增强规律,而SPS@Au(LBL3)的发光都没有明显增强。 这种先增后减的现象可能同样是由于反应过程中过量添加了Au NPs 而导致其在样品表面过度积累,造成了UCNP 吸收的激发光降低。

在光协同免疫治疗方面,通过设置对照组、PDT+免疫治疗组、PDT 组、免疫治疗组来进行体内抗肿瘤效果评价。 治疗14 d 后,PDT +免疫治疗组和PDT 组的肿瘤较对照组都产生了明显的抑制效果。 单独的PDT 治疗效率也非常高,这是由于复合材料即使在安全的低功率激光照射下也能产生高的抑瘤作用,说明稀土-金属增强的强烈可见光发射在复合光敏剂后能产生高效的光动力效果。 虽然PDT 组与PDT +免疫治疗组的抑瘤效果差异不明显(由于PDT 效果太明显),但抗CTLA-4 本身也具有刺激机体免疫记忆的作用。当使用发光不强的稀土-光敏剂体系时,免疫联合PDT 治疗相较于单纯PDT 治疗的优势非常明显。

5 结 论

本文主要综述了DDA 作为一种金属电磁场、光学性质模拟方法对稀土发光进行调制的理论、实验和应用。 文章首先提出上转换稀土发光的优点及其作为生物诊疗探针存在“上转换效率过低、荧光强度不够”的缺点这样的研究背景,提出了利用金属纳米粒子局域表面等离子共振效应增强荧光的方法。 在这个基础上,我们又借助DDA数值计算的方法,通过对模型的光学散射特性和电磁特性计算,来预测材料可能具有的性质,指导对稀土-金复合材料的设计。 本文从Na5Lu9F32∶Yb/Er@Au HMSs 和La2O3∶Yb/Er@Au HMSs 两种具有中空介孔结构复合金纳米球开始,通过Au NPs结合UCNPs,实现了金属对UCL 发光的增强,并利用热效应对其药物释放进行控制。 在这里,使用DDA 对Au NPs 做了消光和电场强度的计算,并通过实验结果对比模拟结果进行分析,起到了一定辅助分析的作用。 而对于之后复合金壳的UCNP@mSiO2-Au、复合不同尺寸及分布纳米球的NYF@SiO2@AuX、复合金属笼子的Au/Ag@UCNPs 和梭形SPS@Au,利用DDA 对整个复合结构整体的消光和场强的模拟,将DDA 指导金属增强上转换发光,并使得模拟指导实验设计得以利用。 由于发光增强,对稀土-金属应用于抗肿瘤协同治疗(光热/光动力/免疫)产生了良好的增强作用。

当然,直到现在我们还是没有得到荧光增强几个数量级(LSPR 对金属单分子的增强效果)的体系,未来我们将着重在以下几个方面进行研究：(1)设计新型的、稳定的UCNP-金体系,比如金棒/金星/金壳等。 (2)采用其他模拟方法(如时域有限差分法FDTD)对稀土-金属、光子晶体等体系进行模拟,比较不同模拟方法的优劣,开拓其在发光、照明、传感等领域的应用。(3)在生物安全条件下,稀土-金属复合体系能够产生最强多少倍的发光增强效果? 溶液和单纳米粒子的发光性能为何差异较大? 如何改进溶液以期用于医药? (4)在生物诊疗领域,如果稀土-金属复合,是增强的发光导致了增强的光动力效果,还是金属本身的无辐射跃迁(光热)或者其他效能(金属毒性)产生了增强的抗癌治疗效果? 总之,稀土在各个领域的应用都会随着发光理论及实践的发展更新换代,日新月异,焕发新的光彩。