en
Назад
DOI: 10.17586/1023-5086-2024-91-06-5-17
УДК: 535.372, 535.34, 616-073.8
Легированные гадолинием углеродные точки с излучением в длинноволновой области спектра для двухмодальной визуализации
Полный текст на elibrary.ru
Публикация в Journal of Optical Technology
Ефимова А.А., Бадриева З.Ф., Бруй Е.А., Мирущенко М.Д., Алейник И.А., Митрошин А.М., Волина О.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Степаниденко Е.А., Ушакова Е.В. Легированные гадолинием углеродные точки с излучением в длинноволновой области спектра для двухмодальной визуализации // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 5–17. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-5-17
Efimova A.A., Badrieva Z.F., Brui E.A., Miruschenko M.D., Aleinik I.A., Mitroshin A.M., Volina O.V., Koroleva A.V., Zhizhin E.V., Stepanidenko E.A., Ushakova E.V. Gadolinium-doped carbon dots with long-wavelength emission for dual-modal imaging // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 6. P. 5–17. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2024-91-06-5-17
Arina A. Efimova, Zilya F. Badrieva, Ekaterina A. Brui, Mikhail D. Miruschenko, Ivan A. Aleinik, Alexander M. Mitroshin, Olga V. Volina, Aleksandra V. Koroleva, Evgeniy V. Zhizhin, Evgeniia A. Stepanidenko, and Elena V. Ushakova, "Gadolinium-doped carbon dots with long-wavelength emission for dual-modal imaging," Journal of Optical Technology. 91(6), 362-369 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000362
Предмет исследования. Люминесцентные углеродные точки, полученные из о-фенилендиамина и гексагидрата хлорида или нитрата гадолиния. Цели работы. Создание углеродных точек с длинноволновой фотолюминесценцией, легированных гадолинием, обладающих свойствами контрастного вещества для магнитно-резонансной томографии. Исследование влияния типа используемого прекурсора на химический состав и оптические переходы полученных наночастиц. Метод. Образцы углеродных точек синтезировали одностадийным сольвотермальным методом. Для исследования состава и оптических свойств использовали методы спектроскопии. Т1- и Т2-карты измеряли с помощью клинического магнитно-резонансного томографа c полем 1,5 Тл. Основные результаты. В работе синтезированы два типа углеродных точек из о-фенилендиамина и гексагидрата хлорида или нитрата гадолиния сольвотермальным методом. Установлено, что легирование металлом в достаточной для дальнейших исследований концентрации происходит только с использованием хлорида гадолиния. Кроме того, присутствие хлорида гадолиния приводит к формированию в углеродных точках люминесцентных центров с излучением в области 600–720 нм и квантовым выходом фотолюминесценции 6,3%. Использование нитрата гадолиния увеличивает содержание азота в углеродных точках, но легирования металлом не происходит. Люминесцентная полоса с максимумом излучения на 550 нм и квантовым выходом фотолюминесценции 7,4% обусловлена формированием производных из о-фенилендиамина в таких углеродных точках. Показано, что полученные углеродные точки, легированные гадолинием, способны изменять времена релаксации во время магнитно-резонансного сканирования. Были рассчитаны релаксивности r1 и r2, равные 6,4 и 38,6 л х ммоль–1 х с–1, соответственно. Установлено, что синтезированные углеродные точки во время магнитно-резонансного сканирования ведут себя как положительное контрастное вещество. Практическая значимость. Углеродные точки с излучением в длинноволновой области спектра перспективны для использования в качестве нанозондов для люминесцентной визуализации. Легирование гадолинием позволило расширить область применения
люминесцентных углеродных точек: представленные в работе наночастицы могут быть использованы также в качестве контрастного вещества во время магнитно-резонансной томографии. Таким образом, углеродные точки из о-фенилендиамина и гексагидрата хлорида гадолиния в дальнейшем могут быть использованы в качестве двухмодального нанозонда для биовизуализации.
углеродные точки, длинноволновая фотолюминесценция, люминесцентная визуализация, магнитно-резонансная визуализация, контрастные вещества
Благодарность:работа поддержана Российским научным фондом, проект № 22-73-00090, https://rscf.ru/project/22-73-00090/. Магнитно-резонансные изображения были получены за счёт государственного задания № FSER-2022-0010 в рамках национального проекта «Наука и университеты»
Коды OCIS: 160.2540, 160.4236, 170.3880, 170.4580, 300.6280
Список источников:1. Wang J., Fu Y., Gu Z. et al. Multifunctional carbon dots for biomedical applications: Diagnosis, therapy, and theranostic // Small. 2024. V. 20. № 3. P. 2303773. https://doi.org/10.1002/smll.202303773
2. Hussain M., Khan W., Ahmed F. et al. Recent developments of Red/NIR carbon dots in biosensing, bioimaging, and tumor theranostics // Chemical Engineering Journal. 2023. V. 465. https://doi.org/10.1016/j. cej.2023.143010
3. Khavlyuk P.D., Stepanidenko E.A., Bondarenko D.P. et al. The influence of thermal treatment conditions (solvothermal versus microwave) and solvent polarity on the morphology and emission of phloroglucinolbased nitrogen-doped carbon dots // Nanoscale. Royal Society of Chemistry (RSC). 2021. V. 13. № 5. P. 3070–3078. https://doi.org/10.1039/d0nr07852b
4. Kosolapova K.D., Koroleva A.V., Arefina I.A. et al. Energylevel engineering of carbon dots through a post-synthetic treatment with acids and amines // Nanoscale. 2023. V. 15. № 19. P. 8845–8853. https://doi.org/10.1039/d3nr00377a
5. Arefina I.A., Kurshanov D.A., Vedernikova A.A. et al. Carbon dot emission enhancement in covalent complexes with plasmonic metal nanoparticles // Nanomaterials. MDPI. 2023. V. 13. № 2. P. 223. https://doi.org/10.3390/nano13020223
6. Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Ондар С.О. и др. Углеродные наночастицы, легированные медью,как двух-модальный нанозонд для люминесцентной и магнитно-резонансной визуализации // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131. № 7. С. 978–984. https://doi.org/10.21883/OS.2023.07.56134.4983-23
7. Stepanidenko E.A., Vedernikova A.A., Badrieva Z.F. et al. Manganese-doped carbon dots as a promising nanoprobe for luminescent and magnetic resonance imaging // Photonics. 2023. V. 10. № 7. P. 757. https://doi.org/10.3390/photonics10070757
8. Redondo-Fernandez G., Cigales Canga J., Soldado A. et al. Functionalized heteroatom-doped carbon dots for biomedical applications: A review // Anal Chim Acta. Elsevier, 2023. V. 1284. P. 341874. https://doi.org/10.1016/J.ACA.2023.341874
9. Xiao Y.D. Paudel R., Liu J. et al. MRI contrast agents: Classification and application (Review) // Int J Mol Med. Spandidos Publications. 2016. V. 38. № 5. P. 1319–1326. https://doi.org/10.3892/IJMM.2016.2744/HTML
10. Pintaske J., Martirosian P., Graf H. et al. Relaxivity of Gadopentetate Dimeglumine (Magnevist), Gadobutrol (Gadovist), and Gadobenate Dimeglumine (MultiHance) in human blood plasma at 0.2, 1.5, and 3 Tesla // Invest Radiol. 2006. V. 41. № 3. P. 213–221. https://doi.org/10.1097/01.rli.0000197668.44926.f7
11. Ding H., Wang D., Sadat A. et al. Single-atom gadolinium anchored on graphene quantum dots as a magnetic resonance signal amplifier // ACS Appl Bio Mater. 2021. V. 4. № 3. P. 2798–2809. https://doi.org/10.1021/acsabm.1c00030
12. Liu Y., Zhi X., Hou W. et al. Gd3+-ion-induced carbondots self-assembly aggregates loaded with a photosensitizer for enhanced fluorescence/MRI dual imaging and antitumor therapy // Nanoscale. 2018. V. 10. № 40. P. 19052–19063. https://doi.org/10.1039/C8NR05886E
13. Molaei M.J. Turmeric-derived gadolinium-doped carbon quantum dots for multifunctional fluorescence imaging and MRI contrast agent // J Lumin. 2023. V. 257. P. 119692. https://doi.org/10.1016/j.jlumin. 2023.119692
14. Li X., Fu Y., Zhao S. et al. Metal ions-doped carbon dots: Synthesis, properties, and applications // Chemical Engineering Journal. 2022. V. 430. P. 133101. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133101
15. Du F., Zhang L., Zhang L. et al. Engineered gadolinium-doped carbon dots for magnetic resonance imaging-guided radiotherapy of tumors // Biomaterials. 2017. V. 121. P. 109–120. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2016.07.008
16. Molaei M.J. Gadolinium-doped fluorescent carbon quantum dots as MRI contrast agents and fluorescent probes // Sci Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 17681. https://doi.org/10.1038/s41598-022-22518-0
17. Huang Y., Li L., Zhang D. et al. Gadolinium-doped carbon quantum dots loaded magnetite nanoparticles as a bimodal nanoprobe for both fluorescence and magnetic resonance imaging // Magn Reson Imaging. 2020. V. 68. P. 113–120. https://doi.org/10.1016/j.mri.2020.02.003
18. Li Y., Li B., Wang X. et al. Safe and efficient magnetic resonance imaging of acute myocardial infarction with gadolinium-doped carbon dots // Nanomedicine. 2020. V. 15. № 24. P. 2385–2398. https://doi.org/10.2217/nnm-2020-0160
19. Mauro N., Cillari R., Gagliardo C. et al. Gadoliniumdoped carbon nanodots as potential anticancer tools for multimodal image-guided photothermal therapy and tumor monitoring // ACS Appl Nano Mater. 2023. V. 6. № 18. P. 17206–17217. https://doi.org/10.1021/acsanm.3c03583
20. Wang H., Xing H., Liu W. et al. Gadolinium-doped carbon dots as a ratiometric fluorometry and colorimetry dual-mode nano-sensor based on specific chelation for morin detection // Sens Actuators B Chem. 2022. V. 352. P. 130991. https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.130991
21. Liu L., Qian M., Yang Z. et al. Ratiometric visualization of folic acid with a smartphone-assisted fluorescence paper device based on gadolinium and nitrogen co-doped CDs // Dyes and Pigments. 2023. V. 209. P. 110877. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2022.110877
22. Chen H., Qiu Y., Ding D. et al. Gadolinium-encapsulated graphene carbon nanotheranostics for imagingguided photodynamic therapy // Advanced Materials. 2018. V. 30. № 36. P. 1802748. https://doi.org/10.1002/adma.201802748
23. Musaeva D.U., Kopylov A.N., Syuy A.V. et al. Gadolinium-doped carbon nanoparticles with red fluorescence and enhanced proton relaxivity as bimodal nanoprobes for bioimaging applications // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 16. P. 9322. https://doi.org/10.3390/app13169322
24. Fang Y., Zhou L., Zhao J. et al. Facile synthesis of pH-responsive gadolinium(III)-doped carbon nanodots with red fluorescence and magnetic resonance properties for dual-readout logic gate operations // Carbon N Y. 2020. V. 166. P. 265–272. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.05.060
25. Мамардашвили Н.Ж., Голубчиков О.А. Спектральные свойства порфиринов и их предшественников и производных // Успехи химии. 2001. T. 70. № 7. С. 656–686.
26. Zhang Q., Wang R., Feng B. et al. Photoluminescence mechanism of carbon dots: triggering high-color-purity red fluorescence emission through edge amino protonation // Nat Commun. Nature Publishing Group. 2021. V. 12. № 1. P. 6856. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27071-4
27. Uttamlal M., Sheila Holmes-Smith A. The excitation wavelength dependent fluorescence of porphyrins // Chem Phys Lett. North-Holland. 2008. V. 454. № 4–6. P. 223–228. https://doi.org/10.1016/J.CPLETT. 2008.02.012
28. Вишератина А.К., Мартыненко И.В., Орлова А.О. и др. Исследование биосовместимых комплексов квантовых точек ZnS, допированных ионами Mn2+, с хлорином е6 // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 8. С. 31–37.
29. Venkatesh Y., Venkatesan M., Ramakrishna B. et al. Ultrafast time-resolved emission and absorption spectra of meso-pyridyl porphyrins upon soret band excitation studied by fluorescence up-conversion and transient absorption spectroscopy // J Phys Chem B. 2016. V. 120. № 35. P. 9410–9421. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.6b05767
30. Муравьева Т.Д., Дадеко А.В., Киселев В.М. и др. Сравнительное изучение фотофизических свойств низкотоксичных фотосенсибилизаторов на основе эндогенных порфиринов // Оптический журнал. 2018. Т. 85. № 11. С. 65–80. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2018-85-11-65-80
31. Caspani S. Magalhães R., Araújo J.P. et al. Magnetic nanomaterials as contrast agents for MRI // Materials. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. 2020. V. 13. № 11. P. 2586. https://doi.org/10.3390/ma13112586