Nat.Commun：用機械響應性聚合物成像單個納米結構的瞬態熱

【引言】

以高時空分辨率成像納米材料瞬態熱量的能力對于光熱療法（PTT），藥物輸送，光機械學和生物工程等許多領域的應用開發至關重要。特別是，在單納米粒子水平上準確的光熱測溫成為了原位細胞研究有價值的工具。 例如，目前的PTT方法使用光吸收納米材料在腫瘤細胞中產生局部熱源，但不可控制的溫度可能破壞鄰近的健康細胞。 然而，準確的高時空分辨率測溫仍然是一個挑戰。

【成果簡介】

近日，南京大學朱俊杰教授、陳子軒副研究員（共同通訊）團隊開發出了熱敏聚合物修飾的金納米棒（AuNRs@pNIPAAm），由于pNIPAAm分子的亞分子構象變化，其具有溫度依賴性的局部表面等離子體共振散射光譜。通過開發的時空分辨暗場光譜儀（SRPS）測量單個金納米棒上的構象動力學，發現其具有對小至80mK的溫度變化的快速（<4ms），線性和可逆的機械響應。相關成果以題為“Imaging the transient heat generation of individual nanostructures with a mechanoresponsive polymer”發表在了Nature Communications上。

【圖文導讀】

圖1 AuNR@pNIPAAm測溫原理的示意圖

a）AuNR@pNIPAAm的溫度響應機制

b）AuNR@pNIPAAm的高分辨率透射電子顯微鏡圖像

c）pNIPAAm的分子結構

d）在25℃時AuNR@pNIPAAm的寬譜暗場散射光圖像

e）與d相同，但溫度升高到40°C

f）AuNR@pNIPAAm在25℃下的散射光波長分布

g）與f相同，但溫度升高到40°C

h）單個AuNR@pNIPAAm顆粒的散射光譜

i）單個AuNRs@pNIPAAm顆粒的平均散射光譜紅移作為溫度的函數

圖2 時空分辨暗場光譜儀（SRPS）的工作原理

a）SRPS的裝置示意圖

b）730nm（藍色），785nm（紅色）激光器和攝像機（黑色）的觸發信號波形

c）單個金納米棒的雙通道快照，其散射光波長從750.8變化至759.9 nm

d）當相鄰介電函數從1.67變為1.87時，金納米棒的模擬散射光譜

e）在730（藍色）和785nm（紅色）處的金納米棒的散射截面作為散射光波長的函數

圖3 時空分辨等暗場光譜儀（SRPS）的準確性和標定

a-c）730nm通道a），785nm通道b）暗視野快照以及c）從0旋轉到360°的單個金納米棒的散射光波長圖像

d）730nm（正方形）和785nm（圓形）通道快照的旋轉角度依賴散射強度

e）旋轉角依賴散射光波長（正方形）和由同一金納米棒攝譜儀（圓圈）獲得的散射光譜

f，g）說明線性關系的校準曲線

【小結】

該成果展示了單納米粒子溫度計AuNR@pNIPAAm/RGD用于成像癌細胞中的瞬時熱量產生。結合寬譜暗場散射光的光譜記錄穩定性和激光暗場散射光（亞微米級和毫秒級）的時空分辨率，利用SRPS高通量測量AuNR@pNIPAAm/RGD的溫度依賴性散射光波長。通過將光熱劑靶向腫瘤組織中的重要細胞或細胞器，可以準確地加熱和檢測定位區域的溫度。這種精確制導的納米加熱器將破壞目標細胞或組織，同時保持鄰近的健康細胞的安全。

文獻鏈接：Imaging the transient heat generation of individual nanostructures with a mechanoresponsive polymer（Nat.Commun?,2017,DOI:10.1038/s41467-017-01614-0）

本文由材料人生物材料組Allen供稿，材料牛整理編輯。

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