基于核壳式量子点CdSe-PDT光漂白规律的实验研究 Experimental Research on the Photobleaching Mechanism of PDT Based QDs-CdSe

doi:10.12677/hjbm.2012.21002

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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 Wang1, Dongxiang Hu1, Jieguan Deng2, Kangqiang Huang1, Jianwen Xiong1#

1Laboratory of Quantum Information Technology, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University,

Guangzhou

2Institute 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

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1O2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]:

IS S (1)

SS (2)

500 550 600 650 700

Abs / PL (a.u)

Wavelength(nm)

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

T2 2

SO O0



 (3)

SO SO

2



 (4)

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：



231

3T242 0

dO kSOkO S

kOBio0



  



 







(1-1)

同样假定三线态光敏剂没有剩余，则：







 

12 03 T2

dS kkSIk SO0

dt 





 (1-2)

三线态光敏剂的含量为：











12 0

kk SI

SkO





(1-3)

单态氧的含量为：











12 0

40 5

kk SI

OkS kBio





  (1-4)

综上，可以得出光敏剂的光漂白速率方程为:















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：







dS kS





(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：







dS kS

 (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

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:

dC kC

 (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。

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：

3.74 10

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 μmol/L、1.0

μmol/L、2.0 μmol/L。HL60 细胞悬液组每组中 HL60

细胞的最终含量为 1 × 105个/ml，量子点CdSe 的浓度

分别为 0.5 μmol/L、1.0 μmol/L、2.0 μmol/L。孵育 12

h后光照，光照波长为 410 nm，光密度为 5 mW/cm2，

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 μmol/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

μmol/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 μmol/L CdSe QDs of

different illuminaton time in FBS soultions 1.0 μmol/L

图2. FBS 溶液中浓度为 1.0 μmol/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 μmol/L CdSe QDs of

differentillumination time in HL60 cells

图3. HL60 细胞溶液中浓度为 1.0 μmol/L 的CdSe 量子点在不同

光照时间下的吸收谱

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

基于核壳式量子点 CdSe-PDT 光漂白规律的实验研究

Table 1. The comparation of standard deviation with two different 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 μmol/L 1.0 μmol/L 2.0 μmol/L HL60 溶液 0.5μmol/L 1.0 μmol/L 2.0 μmol/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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