第二十二卷 第五期 - 2012年六月八日 PDF
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金奈米棒-金銀合金殼奈米結構的高效率近紅外光加熱效應用於癌細胞治療及非線性光學顯影
胡國威1、莊貴貽1、劉子銘2葉晨聖1,*
1 國立成功大學理學院化學系
2 國立台灣大學工學院暨醫學院醫學工程學研究所
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重金屬如金與銀的奈米粒子可與適當頻率的入射光產生作用形成表面電漿共振(SPR)吸收,其SPR吸收峰位於可見光與近紅外光(NIR)區。在NIR區具有強SPR的金奈米棒已經被證實其作為光熱治療試劑的潛力,由於它具有高穩定性,可進行更多表面修飾,是應用相當廣泛的材料。金奈米的SPR吸收也被證實可作為非線性顯微造影技術的顯影劑,由於金奈米棒的SPR行為可有效地提升粒子周遭的場增強效應,因此提升了非線性光學訊號的產率。Wang等人1報導過以近紅外光源激發單一金奈米棒所得到的雙光子螢光強度是單一rhodamine 6G染料分子的58倍。Durr等人2也利用金奈米棒作為顯影劑得到深度達75 μm的三維雙光子螢光影像。為了發展具有更強SPR行為的材料,我們利用金奈米棒作為基材合成金奈米棒-金銀合金殼奈米結構,此種奈米結構每單位中同時含有金奈米棒與金銀合金中空殼層兩種奈米結構,耦合效應使其產生相當強的SPR。

金奈米棒-金銀合金殼奈米結構的製備首先是以金奈米棒作為基材,如圖1a。金奈米棒與硝酸銀、維他命C反應後在其表面成長銀奈米殼,得到金銀核殼奈米棒,如圖1b。將金銀核殼奈米棒進一步與氯金酸反應,形成金奈米棒-金銀合金殼奈米結構。由圖1c可見一完整的金奈米棒被包覆在厚度約4.8 nm的金銀合金奈米殼中。圖1c插入圖顯示其(111)晶面。殼層結構經過能量散佈分析儀進一步鑑定為金銀合金。金奈米棒-金銀合金殼奈米結構具有相當好的水溶性。圖1d為相同粒子數之金奈米棒與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構之吸收光譜。從吸收光譜可觀察到金奈米棒具有一520 nm橫向吸收峰與一800 nm縱向吸收峰;金奈米棒-金銀合金殼奈米結構則顯現一寬且強的吸收峰,有一最大值位於900 nm附近。在相同粒子濃度下,金奈米棒-金銀合金殼奈米結構吸收強度比金奈米棒更大。
圖1 a)長寬比為3.9之金奈米棒;b)金銀核殼奈米棒;c)金奈米棒-金銀合金殼奈米結構之電子顯微鏡影像以及殼層之高倍率電子顯微鏡影像;d)金奈米棒-金銀合金殼奈米結構之吸收光譜。

本研究探討了金奈米棒-金銀合金殼奈米結構的光熱轉換性質與非線性光學效率,並以平行實驗同時與金奈米棒的結果作比較。我們選擇過度表現上皮細胞生長因子接受體(epidermal growth factor receptor,EGFR)之A549肺癌細胞進行實驗。A549細胞與表面修飾anti-EGFR之金奈米棒與金奈米棒-金銀合金殼奈米材料結合後,暴露於808 nm雷射照射,然後以螢光顯微鏡辨識細胞狀況。如圖2所示,我們發現與金奈米棒結合之A549細胞產生凋亡現象起始於雷射輸出功率18 W/cm2時,低於18 W/cm2的條件時細胞不受影響;與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構結合之A549細胞在雷射照射後,只需要9 W/cm2的雷射功率即可造成A549細胞的凋亡。此外,我們發現金奈米棒-金銀合金殼奈米結構在27 W/cm2的輸出功率時,除了雷射光束照射範圍造成細胞凋亡外,在未被雷射照射的區域也產生細胞凋亡現象,熱能似乎由照射區域向外擴散產生細胞毒殺現象。我們懷疑可能在雷射照射後其結構不穩定而釋出銀離子造成毒殺,因此我們以ICP-AES鑑定在雷射照射後銀離子濃度變化,發現濃度與未照射雷射時相當,顯示毒殺並不是因為銀離子。我們認為未照射範圍的細胞凋亡可能是由於銀的高導熱特性。在所有金屬中,銀具有最高的導電與導熱性,其導熱係數為429 Wm-1K-1,而金為318 Wm-1K-13 因此,金奈米棒-金銀合金殼奈米結構具有較高的熱傳導性。
圖2 表面接合修飾anti-EGFR之金奈米棒與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構的A549細胞經過9、18、27 Wcm -2 雷射照射8分鐘後,以螢光染劑Calcine-AM(綠色,表示存活之細胞)染色後以螢光顯微鏡觀察之結果。白色虛線表示實際雷射光束的照射範圍。Scale bar為500微米。

由於金奈米棒-金銀合金殼奈米結構具有很高的吸收效率,我們進一步評估其多光子過程的效率。激發光源為生物體高穿透率範圍的波長1230 nm,~100 fs的摻鉻鎂橄欖石飛秒雷射(Cr:forsterite laser)。我們發現金奈米棒與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構均能產生各種多光子訊號:二倍頻(second harmonic generation,SHG)峰、三倍頻(third harmonic generation,THG)峰、雙光子螢光(2-photon fluorescence,2PF)放射峰、三光子螢光(3-photon fluorescence,3PF)、四光子螢光(4-photon fluorescence,4PF)訊號;幾乎所有的多光子機制效率均有提升效果,且放射強度與金奈米棒相比要強許多,統計後發現金奈米棒-金銀合金殼奈米結構平均比金奈米棒所得到的強度大了55倍,且只有金奈米棒-金銀合金殼奈米結構能夠觀測到四光子機制產生的螢光。進一步測試實際應用於A549肺癌細胞體外試驗的非線性光學顯影。將相同粒子數的金奈米棒與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構與細胞培養玻片中的A549細胞混合後以多光子顯微系統測量。未與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構結合時的A549細胞除了本身在THG影像會有貢獻足夠強度之訊號外,其它如SHG、2PF以及3PF波段也有訊號產生,但強度比THG微弱許多。當A549細胞與修飾anti-EGFR之金奈米棒結合時,可清楚觀察到金奈米棒所在位置產生很強的SHG、2PF以及3PF訊號,如圖3a,合併影像中所觀測到之亮點即為金奈米棒的位置。,SHG、2PF以及3PF訊號比細胞本身固有的多光子訊號強許多,使得影像對比明顯提高;然而THG的訊號在接上金奈米棒後強度雖有增加但與細胞本身固有的THG訊號相比差異並不大。圖3b為接合金奈米棒-金銀合金殼奈米結構後之A549細胞多光子顯微影像,可以觀察到材料在SHG、2PF以及3PF波段產生相當強的訊號,代表這些多光子機制因為金奈米棒-金銀合金殼奈米結構的寬波段高吸收率提升了產率,因此影像的對比與金奈米棒的影像相比明顯提高許多。THG的訊號在接上金奈米棒-金銀合金殼奈米結構後強度也有增加,強度約為細胞的1.5~2倍。當金奈米棒劑量提高三倍時,才能觀察到與金奈米棒-金銀合金殼奈米結構相當的SHG、2PF、3PF強度以及影像對比。
圖3 非線性光學系統測量接有a)金奈米棒與b)接有金奈米棒-金銀合金殼奈米結構之A549肺癌細胞之多光子訊號影像。黃色、綠色、紅色以及紫色分別代表三倍頻螢光、二倍頻、二倍頻螢光和三倍頻訊號;最下方為合併所有訊號的影像圖。影像影響觀測範圍為16 × 16 微米。

本研究利用金銀核殼奈米棒結構與HauCl4的取代反應成功合成出具有高vis-NIR波段吸收率之金奈米棒-金銀合金殼奈米結構並測試其應用於癌細胞光熱治療以及非線性光學顯影的效率。結果顯示,與金奈米棒之結果相比,金奈米棒-金銀合金殼奈米結構具有高SPR效應,相當適合應用於光熱治療,在非線性光學顯微技術上的應用可提升SHG、2PF以及3PF的訊號強度,平均為金奈米棒的55倍。

參考文獻

  1. Wang, H. F.; Huff, T. B.; Zweifel, D. A.; He, W.; Low, P. S.; Wei, A.; Cheng, J. X. P Natl Acad Sci USA 2005, 102, 15752.
  2. Durr, N. J.; Larson, T.; Smith, D. K.; Korgel, B. A.; Sokolov, K.; Ben-Yakar, A. Nano Lett 2007, 7, 941.
  3. R. Lide, (Ed.) in Chemical Rubber Company handbook of chemistry and physics, CRC Press, Boca Raton, Florida, USA, 79th edition, 1998, 12-191.
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