本文要点：NIR-II成像在医学诊断和手术导航方面显示出巨大潜力，但开发安全、光稳定、高亮度的分子探针仍然是一个巨大挑战。由于其超小的尺寸，肾脏可以高效地将其清除，金纳米团簇显示出巨大的临床潜力。这项工作系统地探讨了不同配体对金纳米团簇的发光和生物活性的影响。结果显示由硫代乙酸（TGA）和己二酸（MHA）保护的金纳米团簇具有最强的荧光，而由巯基丙酸（MPA）和硫化钠（Na₂S）保护的金纳米团簇显示出最弱的NIR-II信号。金纳米团簇可以可靠地为大脑血管、后肢血管和脊柱进行体内成像，并监测到高肾脏清除率。稳定的纳米团簇使得后肢成像的时间窗口达到125分钟，脊柱成像达到270分钟，在全身成像的信噪比高达11，并且在注射剂量为50毫克/公斤时显示出高效的肾脏清除和低毒性。

图1显示了制备不同金属掺杂的Au纳米团簇，并通过紫外-可见吸收分析观察到其特征吸收峰为700nm；使用透射电子显微镜和动态光散射测定了这些纳米团簇的尺寸，结果显示它们具有小于2nm的核心尺寸和良好的分散性。电喷雾离子化质谱也提供了有关这些纳米团簇的信息，这些研究结果对于了解纳米团簇的性质和应用具有重要意义。

图1. 金纳米团簇的物理特性表征

图2描述了傅立叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱对掺杂了Ag和Cd的Au纳米团簇进行了表征。FT-IR显示了CO基团的拉伸振动以及−OH和C−H的振动峰，但未观察到−SH振动峰，表明硫配体与Au核结合紧密。拉曼光谱分析了单一和双重配体保护的Au纳米团簇，发现引入MHA会导致特定的峰值变化。此外，通过X射线光电子能谱（XPS）研究了纳米团簇的表面元素价态和含量，发现了Au−Cd键的形成以及Cd到Au的电子转移。 Cd 3d_5/2的结合能位于零价和二价价态的中间位置，表明除了Au−Cd键之外还存在Cd−S键，这有助于促进生物催化作用。

图2. 纳米团簇的结构特性表征

图3介绍了使用密度泛函理论（DFT）进行了理论计算，以解释金纳米团簇的发光和催化机制，采用了带有配体的三维几何结构的金纳米团簇来模拟实验结果。通过计算掺杂形成能评估了结构的稳定性，结果表明Cd掺杂的结构在能量上都是稳定的。计算了Au₈和Au₇Cd₁纳米团簇的能级，发现Au₈纳米团簇呈现出一种键间跃迁，发射峰位于约1000nm处。电子结构分析揭示了在纳米团簇中的电荷分布情况，特别是Cd与周围原子的相互作用。最后，通过电子局域函数（ELF）分析了活性位点周围的电子分布，显示了Cd作为电子供体的特性，促进了电子转移反应。

图3. Au纳米团簇的密度泛函理论计算

图4讨论了金纳米团簇在近红外（NIR-II）荧光方面的特性。金纳米团簇的荧光来源于金核内部的量子效应以及核心与表面配体之间的相互作用，通过改变表面配体和金属原子掺杂来调节金纳米团簇的荧光性质。实验结果表明，单原子掺杂和配体结合显著影响了金纳米团簇的荧光强度，Cd掺杂在特定配体下表现出最高的荧光强度。另外，双配体结合也提高了金纳米团簇的亮度。这些效应与表面配体的电子供应能力有关，而单原子掺杂也影响了纳米团簇的亮度，由于其具有强烈的量子尺寸效应和分子般的电子状态。Cd和Ag单原子掺杂增强了金纳米团簇的发光强度。

图4. 不同配体下金纳米团簇的荧光特性

图5讨论了对金纳米团簇的光稳定性进行的测试以及其在生物成像中的应用。研究发现，金纳米团簇在复杂的生理环境下保持了良好的活性和稳定性。形成离散的电子能级和在导带内的弛豫过程使得金纳米团簇具有长时间稳定的光致发光特性。实验结果表明，在不同溶剂和温度条件下培养一周后，其近红外荧光强度几乎没有下降。此外，金纳米团簇在808 nm激光照射下表现出良好的光稳定性，也在PBS溶液中连续激发60分钟后仍保持可接受的衰减。

图5. 金纳米团簇的稳定性

图6讨论了对金纳米团簇在活体内的成像研究。它指出了血管结构和功能异常可能导致的疾病，并强调了对血管疾病的准确诊断和实时监测的重要性。通过使用NIR-II成像技术，可以提供高分辨率、深层组织穿透的病理信息，对于疾病的诊断和监测具有潜在价值。研究发现，特定类型的金纳米团簇在脑血管和四肢血管成像方面表现出色，同时在全身血管成像方面也有优异表现。这些结果展示了该纳米团簇在NIR-II成像领域的潜在应用前景。

总结一下，本文研究了含硫醇和硫化物配体的结构与功能关系以及金纳米团簇的荧光性质。配体的不同碳链显示了对荧光强度的影响，具有较长链的配体会使金纳米团簇具有更高的光稳定性，并进一步影响了过氧化物酶模拟活性（POD）、超氧化物歧化酶模拟活性（SOD）和催化活性（CAT）的选择性。因此，Au₈纳米团簇是通过采用配体工程来研究配体效应的良好平台，表明了调控荧光选择性和催化选择性，阐明了配体和掺杂对光学性质和酶模拟活性的联合影响。掺杂的双配体纳米团簇实现了对脑血管、四肢血管和脊柱的高空间分辨率和高信噪比的NIR-II成像，以及对肾脏清除的监测。此外，具有良好酶模拟活性、抗氧化活性和良好生物相容性的Au₈纳米团簇在干预与氧化应激相关的疾病方面显示出前景。

参考文献

Guo, M.; Zhang, G.; Zhao, R.; Ma, H.; Yan, Y.; Yang, S.; Meng, J.; Huang, Y.; Zhang, X.-D.; Wang, H.; Zhang, R., Ligand Engineering of Gold Nanoclusters for NIR-II Imaging. ACS Applied Nano Materials 2023, 6 (17), 15945-15958.