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●How to Cite this Article
Hans Journal of Biomedicine
生物医学
, 2012, 2, 6-10
http://dx.doi.org
/10.12677/hjbm.2012.21002
Published Online January 2012 (http://www.hanspub.org/journal/hjbm)
Experimental Research on the Photobleaching Mechanism of
PDT Based QDs-CdSe
*
Jian Wang
1
, Dongxiang Hu
1
, Jieguan Deng
2
, Kangqiang Huang
1
, Jianwen Xiong
1#
1
Laboratory of Quantum Information Technology, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal Universit
y,
Guangzhou
2
Institute of Physics,
Lanzhou University, Lanzhou
Email: wangjiannv.com@163.com,
#
jwxiong@scnu.edu.cn
Received: Sep. 30th, 2011; revised: Nov. 12th, 2011; accepted: Nov. 14th, 2011.
Abstract:
With the development of the basic research of photodynamic therapy (PDT), photosensitizer photobleaching
has become a highly focused area of research within PDT in recent years. In this paper, the photobleaching mechanism
of quantum dots in the FBS solution and HL60 cell solutions with oxygen substrate were investigated by the method of
theoretical derivation. The results demonstrated that the photobleaching in the single solution was corresponded with
the first order kinetics while the photobleaching in the complex solution was corresponded with the second order kinetics.
The curve and rate of CdSe photobleaching were obtained by determining the vis absorption spectrum of the CdSe and
using of the Beer. Additionally, the photobleaching properties of quantum dot (CdSe) whose theoretical derivation can
be confirmed by our experiment were gained.
Keywords:
Photodynamic Therapy (PDT); Quantum Dots (QDs); CdSe; Photobleaching; HL60 cells
基于核壳式量子点
CdSe-PDT
光漂白规律的实验研究
*
王
健
1
,胡冬香
1
,邓解关
2
,黄康强
1
,熊建文
1#
1
广东省高等学校量子信息技术重点实验室,华南师范大学物理与电信工程学院,广州
2
兰州大学物理系,兰州
Email: wangjiannv.com@163.com,
#
jwxiong@scnu.edu.cn
收稿日期:
2011
年
9
月
30
日;修回日期:
2011
年
11
月
12
日;录用日期:
2011
年
11
月
14
日
摘
要:
近年来随着光动力疗法基础研究的不断深入,光敏剂光漂白及其机制研究日渐成为
PDT
研究的热点问
题。本实验利用化学反应动力学原理对量子点
CdSe
在胎牛血清
(FBS)
和
HL60
细胞悬液的复杂溶液体系中的光
漂白速率进行理论推导,得出其光漂白在单一溶液里符合一级动力学过程,在复杂溶液中满足二级反应动力学
过程的结果。并通过测定量子点
CdSe
的紫外可见吸收光谱,利用比尔–朗伯吸收定律得到量子点
CdSe
的光漂
白曲线和光漂白速率,通过拟合比较得出光漂白反应动力学规律,对实验结果进行了理论验证。
关键词:
光动力疗法;量子点;
CdSe
;光漂白;
HL60
细胞
1.
引言
近年来,随着对光动力疗法
(photodynamic therapy
,
PDT)
研究的不断深入,光漂白
(Photobleaching)
机理及
其对光敏剂剂量、光辐照剂量的影响的研究显得愈来
愈重要。研究发现光漂白可以用来监测光动力反应过
程,
PDT
对靶组织的杀伤效应与光敏剂的光漂白不可
分割地联系在一起
[1-4]
。
*
资助信息:国家自然科学基金项目
(61072029)
;广东省自然科学基
金项目
(10151063101000025)
;广州市科技计划项目
(2010Y1-
C111)
。
#
通讯作者。
光漂白是
光动力反应中一个伴随过程,指光敏剂
6 Copyright © 2012 Hanspub
基于核壳式量子点
CdSe-PDT
光漂白规律的实验研究
分子与光敏化反应中生成的
1
O
2
等产物相互作用,发
生自敏光氧化反应
[5]
,目前对于大多数光敏剂的光漂
白过程尚不十分清楚
[2]
,漂白产物也不明确,这些都
妨碍了人们对光漂白的深入研究和认识
[6]
。而量子点
因其尺寸效应,使其吸收光谱能够被调节而可以匹配
不同深浅肿瘤的需要
[7-10]
,且可直接作为光敏剂或用
于能量转移提高传统光敏剂的光动力疗效
[11]
。用巯基
乙酸做包裹的量子点能透过细胞膜,同时又不能进入
细胞核,降低了材料本身的毒性,且具有粒子不易团
聚、光化学稳定性显著增加、光淬灭降到最低限度、
包裹层无毒且生物相容性好、易提供特异性结合的位
点等优点
[12]
。
本实验采用巯基乙酸做外包覆的量子点
CdSe
作
为光漂白研究对象
[13,14]
,其吸收和荧光光谱如图
1
所
示。根据其所在的溶液体系将漂白过程进行简化,利
用化学反应动力学原理对量子点
CdSe
在胎牛血清
(FBS)
和
HL60
细胞悬液的复杂溶液体系中的光漂白
速率进行了理论推导,并实验测定量子点
CdSe
的光
漂白动力学数据对理论推导结果进行验证。根据量子
点
CdSe
的光漂白反应动力学级数,分析其光漂白动
力学过程。
2.
光敏剂光漂白数学模型的理论推导
量子点
CdSe
在
HL60
细胞悬液中的光漂白以单
态氧介导为主。假定氧充足,其光动力反应过程中的
主要反应有
[15,16]
:
1
k
*
0
IS S
(1)
2
k
*
T
S
S
(2)
500 550 600 650 700
Abs / PL (a.u)
Wavelength(nm)
PL
Abs
Figure 1. Absorption and PL spectra of thiol-capped CdSe QDs
图
1.
巯基乙酸包覆的
CdSe
量子点的吸收、荧光光谱
3
k
31
T2 2
SO O
0
S
(3)
4
k
1
02
SO SO
2
(4)
5
k
1
22
OBiophotoproducts O
(5)
假定体系中单态氧的产生和消耗达到平衡,没有
剩余,则:
1
2
31
3T242 0
1
52
dO
kSOkO S
dt
kOBio0
(1-1)
同样假定三线态光敏剂没有剩余,则:
T
3
12 03 T2
dS
kkSIk SO0
dt
(1-2)
三线态光敏剂的含量为:
12 0
T
3
32
kk SI
S
kO
(1-3)
单态氧的含量为:
12 0
1
2
40 5
kk SI
O
kS kBio
(1-4)
综上,可以得出光敏剂的光漂白速率方程为
:
2
01240
40 5
dSkkkSI
dtk Sk Bio
(1-5)
根据量子点所在的溶液体系的底物情况,将其光
漂白过程简化分解为两种情况:
在不含底物的单一溶液体系中,如水溶液、硼酸缓
冲液等,光敏剂的漂白速率方程为:
0
0
dS
kS
dt
(1-6)
在含氧化底物的复杂体系中的漂白,如细胞悬液、
胎牛血清溶液等。本实验选用
FBS
溶液和
HL60
细胞溶液,光敏剂的漂白速率方程为:
2
0
0
dS
kS
dt
(1-7)
由式
(1-6)
可知,在不含底物的单一溶液体系中光
敏剂的漂白速率符合
1
级反应动力学过程。由式
(1-7)
可见,在含有可氧化底物且底物充分的溶液中光敏剂
的漂白速率符合
2
级反应动力学过程。
但由于生物体中成分更为复杂,在氧气充足条件
Cop
yright © 2012 Hanspub 7
基于核壳式量子点
CdSe-PDT
光漂白规律的实验研究
下,生物体中单态氧介导的光漂白动力学方程为
:
n
m
m
dC
kC
dt
(1-8)
其中,
n
表示反应动力学级数, 为光敏剂在某
时刻的浓度,
k
是反应速率常数。
m
C
由比尔–朗伯吸收定律:
A CL
(1-9)
其中
A
第一激子吸收峰处对应的吸收度,
C
是纳
米颗粒的浓度
,
单位为
Mol/L
;
L
是光程长,单位为
cm
,
ε
为消光系数。
本实验所用的量子点
CdSe
的第一激子吸收峰位
于
605 nm
处,量子点
CdSe
的粒径大约为
4.8 nm
。而
本实验测量吸收光谱用的比色皿的光程长为
1 cm
,所
以上式可以简化为:
5
3.74 10
A
C
(1-10)
其第一激子吸收峰对应的吸光度值便可以算出量子
点
CdSe
在该溶液中的浓度。
3.
量子点
CdSe
光漂白规律的实验研究
3.1.
实验材料
巯基乙酸做外包覆的量子点
[17]
(CdSe/HS-CH2-
COOH
,核半径为
4.8 nm
,包覆后约为
13nm)
,人前
髓细胞
(
早幼细胞
)
株
HL60
,紫外可见光分光光度计
(SHIMADZU UV-2550
,
日本
)
,倒置显微镜
(XDS-1
型,
中国
)
,二氧化碳培养箱
(
一恒
BPM-80W
,中 国
)
,
PDT
光反应室
(
实验室设计
)
等。
3.2.
实验方法
配制
FBS
加量子点
CdSe
和
HL60
细胞加量子点
CdSe
成五种混合溶液。其中:
FBS
组
FBS
终值浓度
为
10%
,量 子 点
CdSe
的浓度分别为:
0.5
μ
mol/L
、
1.0
μ
mol/L
、
2.0
μ
mol/L
。
HL60
细胞悬液组每组中
HL60
细胞的最终含量为
1 × 10
5
个
/ml
,量子点
CdSe
的浓度
分别为
0.5
μ
mol/L
、
1.0
μ
mol/L
、
2.0
μ
mol/L
。孵育
12
h
后光照,光照波长为
410 nm
,光密度为
5 mW/cm
2
,
光照前和光照后每隔
10 min
用紫外可见吸收光度计
测量各组中混合溶液的吸收光谱
[18]
。用紫外可见吸收
光度计测不同浓度的
CdSe
量子点在
FBS
溶液及
HL60
细胞溶液中的吸收光谱随光照时间的变化,得到
CdSe
第一激子吸收峰的吸光度值及浓度为
1.0
μ
mol/L
时
CdSe
的吸收光谱随时间变化图像。
4.
实验结果及分析
相同浓度的
CdSe
量子点在
FBS
溶液及
HL60
细
胞溶液中第一激子吸收峰的吸光度值、浓度为
1.0
μ
mol/L
时
CdSe
的吸收光谱随时间变化情况如图
2
、
3
所示。
不同浓度
CdSe
量子点在
FBS
溶液和
HL60
细胞
溶液中的浓度变化情况如图
4
、图
5
所示。
结合图
4
、图
5
可得,不同浓度
CdSe
量子点在
FBS
溶液和
HL60
细胞溶液中随着光照的进行其第一
激子吸收峰
的吸光度值均逐渐减少;
在光照
60 min
后,
500 550 600 650
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Abs
Wavelength(nm)
0min
10min
20min
30min
40min
50min
60min
70min
Figure 2. The absorption spectrum of 1.0
μ
mol/L CdSe QDs of
different illuminaton time in FBS soultions 1.0
μ
mol/L
图
2. FBS
溶液中浓度为
1.0
μ
mol/L
的
CdSe
量子点在不同光照时
间下的吸收光谱
500 550 600 650
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Abs
W avelength(nm)
0min
10min
20min
30min
40min
50min
60min
70min
Figure 3. The absorption spectrum of 1.0
μ
mol/L CdSe QDs of
differentillumination time in HL60 cells
图
3. HL60
细胞溶液中浓度为
1.0
μ
mol/L
的
CdSe
量子点在不同
光照时间下的吸收谱
8
Copyright © 2012 Hanspub
基于核壳式量子点
CdSe-PDT
光漂白规律的实验研究
0 10203040506070
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Abs
Time(min)
0.5
mol/L
1.0
mol/L
2.0
mol/L
Figure 4. The absorbance of CdSe QDs changed with illumination
time in FBS solutions
图
4. FBS
溶液中
CdSe
量子点的吸收峰吸光度值随着光照时间的
变化
0 10203040506070
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Abs
Time( min)
0.5
mo l/L
1.0
mo l/L
2.0
mo l/L
Figure 5. The absorbance of CdSe QDs changed with illumination
time in HL60 cell
图
5. HL60
细胞溶液中
CdSe
量子点的吸收峰吸光度值随光照时
间的变化
其吸光度值逐渐趋向平稳。不同浓度的
CdSe
量子点
吸光度值减少的快慢不同,即浓度越大减少得越多,
但由于其初始浓度不同,可将其初始浓度归一化。
CdSe
量子点在
FBS
溶液和
HL60
细胞溶液中光
漂白的二次拟合曲线如图
6
、图
7
所示。
由图
6
、图
7
可知,
CdSe
量子点在
FBS
溶液和
HL60
细胞溶液中均存在光漂白现象,且
CdSe
的浓度
越大其光漂白速率越小。但相同浓度
CdSe
量子点在
HL60
细胞溶液中光漂白量大于在
FBS
溶液中,其原
因可能是由于巯基乙酸包覆的
CdSe
在进入细胞过程
中或在细胞内的复杂环境下,使得做外包覆的巯基乙
酸更加容易脱落,使得单态氧对量子点
CdSe
的氧化
更容易。
0 10203040506070
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0.5
mol/L
1.0
mol/L
2.0
mol/L
Concentration(
mol/L
)
Time(nm)
Figure 6. The secondary polynomial fitted photobleaching curve of
CdSe QDs in FBS solutions
图
6. FBS
溶液中不同浓度
CdSe
光漂白曲线的二次拟合
0 10203040506070
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
0.5
mol/L
1.0
mol/L
2.0
mol/L
Concentration(
mol/L)
Time(min)
Figure 7. The secondary polynomial fitted photobleaching curve of
CdSe QDs in HL60 cells
图
7. HL60
细胞溶液中
CdSe
光漂白曲线的二次拟合
由表
1
得知,量子点
CdSe
在
FBS
溶液中光漂白
曲线二级拟合的效果比一级效果好。因此,实验结果
与理论推导结果相符,量子点
CdSe
在
FBS
溶液中的
光漂白过程符合二级反应动力学过程。在胎牛血清溶
液中,单态氧一部分与量子点反应引起漂白,一部分
与
FBS
中氨基酸残基等反应,使得量子点
CdSe
在
FBS
溶液中光漂白过程是一系列复杂的氧化反应。
同样,量子点
CdSe
在
HL60
细胞溶液中光漂白
曲线二级拟合的效果也比一级好。因此,量子点
CdSe
在
FBS
溶液中的光漂白过程属于二级反应动力学过
程。在
HL60
细胞溶液中,单态氧一部分与量子点反
应引起漂白,一部分与
HL60
细胞中的大分子物质及
细胞内各种结构和成分等反应,使得量子点
CdSe
在
Cop
yright © 2012 Hanspub 9
基于核壳式量子点
CdSe-PDT
光漂白规律的实验研究
10 Copyright © 2012 Hanspub
Table 1. The comparation of standard deviation with two di
fferent fitted equation in FBS solutions and in HL60 cells
表
1.
量子点
CdSe
在
FBS
溶液及在
HL60
细胞液中光漂白曲线一级二级拟合标准差比较
FBS
溶液
0.5
μ
mol/L 1.0
μ
mol/L 2.0
μ
mol/L
HL60
溶液
0.5
μ
mol/L 1.0
μ
mol/L 2.0
μ
mol/L
一级
0.1773 0.0709 0.0729
一级
0.1031 0.0606 0.0599
二级
0.0113 3.693 × 10
-4
1.045 × 10
-4
二级
0.0013 5.179 × 10
-4
1.446 × 10
-4
FBS
溶液中光漂白过程亦是一系列复杂的氧化反应。
因此,实验结果与理论相符,量子点
CdSe
在
HL60
细胞溶液中的光漂白过程亦符合二级反应动力学过程。
5.
讨论
基于核壳式量子点
CdSe
光动力疗法中光漂白实
验研究表明,不同浓度
CdSe
量子点在
FBS
和
HL60
细胞溶液中随着光照的进行,其第一激子吸收峰的吸
光度值均逐渐减少,在光照
60 min
后,其吸光度值逐
渐趋向平稳,且量子点浓度越小光漂白速率越大。但
是相同浓度
CdSe
量子点在
HL60
细胞溶液中被漂白
的量大于
FBS
溶液。在
FBS
溶液和
HL60
细胞溶液中
均含有氧化底物,根据单态氧介导的光漂白反应机
理,单态氧一部分与量子点反应引起漂白,一部分氧
化底物等反应,使得量子点
CdSe
在
FBS
溶液和
HL60
溶液中的光漂白过程是一系列复杂的氧化反应。由实
验数据可知:不同浓度
CdSe
量子点分别在
FBS
和
HL60
细胞溶液中的光漂白曲线二级拟合的效果均比
一级好,光漂白过程均属于二级反应动力学过程。而
由理论推导知,光敏剂在单一溶液里面的光漂白属于
一级动力学过程,在含复杂底物的溶液中产生的光漂
白属于二级动力学过程,实验数据得到了理论验证。
6.
致谢
本文受到国家自然科学基金项 目
(610 72029)
;广
东省自然科学基金项目
(10151063101000025)
;广州市
科技计划项目
(2010Y1-C111)
联合资助,作者在此一并
表示感谢。
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