TWI624269B - 利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法與用途 - Google Patents
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Abstract
本發明係製備一系列石墨烯為主的量子點奈米材料並將其應用於生物醫學上。由於此材料有經雷射照射後會產生活性氧分子並同時進行光動力治療殺死癌細胞與細菌，特別是具抗藥性之分析物。除此之外，此材料本身和在表面包覆上聚合物後，會呈現很好之單光子與雙光子光學特性，特別是雷射照射後有放光性質，藉此當作一顯影劑或探針，來追蹤待測物的動向與座落之位置。
Description
本發明係關於提供一石墨烯為主之量子點材料藉單光子與雙光子雷射激發進行光動力治療，殺死抗藥性細菌與細胞。再藉由量子點本身高放光效率可當作一穩定之影像偵測探針。
1-1. 光動力治療 簡史
光動力治療大多指的是針對癌細胞或腫瘤、微生物與殺微生物之治療。以”光”來作為疾病治療的工具是20世紀晚期開始應用到現代醫學的腫瘤治療方面。在過去的30年間此項技術逐漸受到大家的青睞與重視。於1996年被美國食品與藥物管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准應用於臨床上，並在美國、加拿大、荷蘭、日本、英國、法國、德國與義大利等國用於多種腫瘤治療取得成功。目前光動力治療在臨床上主要應用於膀胱癌、腦瘤、肺癌惡性、皮膚腫瘤、眼部疾病、婦科腫瘤及各種腹腔內惡性腫瘤、直腸癌、口腔癌與頭頸部癌等。
1-2. 光動力治療 原理
在光動力治療法中有兩個主要的途徑啟動光敏劑的活化，第一個為氧化路徑：直接作用光敏劑，藉著轉移氫或電子產生過渡狀態的自由基與氧反應；另一為氧化路徑：被活化的三重態光敏劑產生能量轉移給氧
氣，產生單態氧使物質被氧化。然而，構成光動力治療的三個基本要素為光敏劑、適當波長的照射光與存於細胞組織內的氧氣。其基本原理是組織內外加之光敏劑經特並波長光照射激發後，電子藉由能階躍遷將光能轉移而發生光化學反應，且與細胞組織內的氧氣作用，產生對細胞有毒的活性氧(reactive oxygen species)，已達到選擇性破壞癌症細胞的作用。第一型光氧化反應中，激發態光敏劑藉透過與溶劑或受質作用後產生氫離子，經電子轉移生成超氧陰離子(superoxide anions，．O2 -)與羥自由基(hydroxyl radical，OH．)等，以殺死與破壞癌細胞。第二型光反應為能量的轉移。分子在電子的單重基態時吸收特定波長的光能量而躍升到電子的單重激發態後，因為能量釋放而引發的物理化學變化有關。當分子吸收能量後由電子的單重激發態直接將能量釋放，而回到基態並釋放出可偵測的螢光，這一特性及可應用來發展螢光診斷技術；但若被激發的分子在其電子的單重激發態發生電子旋轉導致進行系統間的跨越(intersystem crossing)而成為三重態時，及容易因為進行能量的轉移而產生光化學反應，在組織細胞中主要是產生單重態氧(singlet oxygen，1O2)，此物質再的分子與鄰近如胺基酸、脂肪酸、核酸與細胞壁等行更進一步的氧化反應，最後使得生物體死亡，是光動力治療最主要的反應過程。光動力螢光診斷與光動力治療，二者即構成所謂的光動力醫學。
1-3. 光敏劑
對光動力治療的療效而言，光敏劑的性質是非常重要的。光動力治療的效果與光敏劑之分子結構、投遞方式、光源、溫度及治療過程均有關係。理想的光敏劑應具有(1)藥品純度高，(2)特定腫瘤的組織容量，(3)投遞藥物後於短時間內在腫瘤組織中光敏劑達最高累積量，(4)半衰期短且可快速的從正常組織清除，(5)激發活化作用的波長對組織有適當的穿透深度，(6)可產生高量的單態氧，(7)黑暗中缺乏毒性反應的特質等。要達到良好的光動力治療效果，需要足夠的藥量存於腫瘤組織，剛開始光敏劑佔據正常與腫瘤組織，但在腫瘤與快速增生的癌細胞停留時間特別長。為了使投遞藥物時間的間隔與在腫瘤組織中有
足夠的光敏劑量以決定最佳光照時間點，不單需考慮病變組織的類型，也需考量不同光敏劑之間特性差異。
1-4. 顯影劑
光動力治療優點為非侵入性、可與傳統化療或放射性治療合併使用，能重複治療、光動力治療作用僅限於光照可及範圍、以及能夠選擇性地使腫瘤細胞壞死且不傷害周圍正常組織、治療後病人能保持良好的外觀、毒性副作用低微、光動力治療對微血管組織的損傷作用強，血管內皮細胞直接接觸，對光敏劑吸收迅速，在光動力治療反應中消耗的光敏劑和氧氣可得到快速補充，血液中產生的活性氧物質也可直接損傷內皮細胞膜，所以光動力治療對微血管組織的選擇性好和作用強，因此光動力治療也適用於微血管疾病治療等。另外，因部份光敏劑會放射出螢光，故當光敏劑選擇性的滯留在腫瘤病變組織裡時，當受到適當波長光照射下便會放射出螢光，此特性可用來協助診斷與偵測病變組織或腫瘤部位。近20年來已有許多針對光敏劑對毒殺目標專一性提高之研究，所採取的策略包括有將光敏劑與腫瘤抗原專一性抗體結合，可將光敏劑直接帶到腫瘤細胞進行毒殺。腫瘤細胞通常會表現低密度脂蛋白受體，將光敏劑與低密度脂蛋白結合後便會被腫瘤細胞所吸收。另外，將光敏劑包覆於微脂體中，外層與抗體鍵結形成免疫微脂體可增加對於細胞的親和力，以增強光動力治療效果。
2-1. 奈米粒子於光動力治療之應用
目前，雖然奈米科技發展相當蓬勃，但利用奈米粒子於光動力治療上來治療癌症、腫瘤或殺菌之相關報導並不多。然而，就目前現有之發現來探討。
2-2. 金奈米粒子
以phthalocyanine光敏劑(λmax吸收：695nm)當作金奈米粒子(直徑2-4nm)表面之保護劑。連接完之後，照射適當激發波長之雷射光，光敏劑依舊可產生單態氧且可殺死HeLa子宮頸癌細胞，經分析可知癌細胞死亡途徑是經由caspase 3/7導致細胞凋亡；另外，也是於直徑2-3nm之金奈米粒子表面共價地連接上親水性toluidine blue O光敏
劑(λmax吸收：633nm)，用在殺死抗藥性金黃色葡萄球菌。並發現連接上金奈米粒子之光敏劑與只有光敏劑之條件相比，殺死相同數量細菌所需要之光敏劑濃度，奈米材料為只有光敏劑的1/4而已。表示toluidine blue O接了金奈米粒子後，可提升殺菌效果。
2-3. Silica奈米粒子
大部分常見之光敏劑都是疏水性，使得於生物系統上之應用大大的被限制。水溶性之2-devinyl-2-(1-hexyloxyethyl)pyropheophorbide(HPPH)光敏劑摻入silica奈米粒子中，使用silica奈米粒子有幾個優點，製備方式類似sol-gel法很簡單、製備所得之奈米粒子尺寸小(約30nm)與形狀均一、具孔洞性且穩定性高、孔洞不隨pH值改變而變化。而將光敏劑攙入奈米粒子內也可穩定光敏劑。結果顯示該光敏劑確實也可產生單態氧並殺死癌細胞。
2-4. 石墨烯量子點
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料；石墨烯是一種零帶隙的半導體，沒有能帶間隙，無法產生螢光，因此限制了其在生物成像方面的應用。但是將石墨烯的尺寸縮小到奈米尺度形成石墨烯量子點後，由於量子限域效應和邊界效應，使其具有可調節的能帶間隙，可以受激發出穩定的螢光或冷光，從而彌補石墨烯在生物成像方面的不足。石墨稀量子點在光照下潛在的光敏毒性，石墨稀量子點在光的激發下會產生活性氧自由基當作一光敏劑並進行光動力治療，會降低細胞活性，甚至導致細胞凋亡或殺死細菌。
本發明之石墨烯為主之量子點材料：將石墨(graphite)、硝酸鈉與硫酸混合反應後，再加入過錳酸鉀反應。之後，依序加入去離子水與過氧化氫完成反應，製得氧化石墨烯(graphene oxide)；a. 石墨烯量子點：氧化石墨烯於氬氣存在環境下，高溫加熱並反應後加入硝酸攪拌混合，放入超音波震盪槽振盪後放入烘箱烘
乾，再以去離子水清洗與離心多次後再加入氫氧化鈉調整pH值，再經透析法分離出欲分離之材料尺寸，可製備出石墨烯量子點；b. 氮-石墨烯量子點：氧化石墨烯於氨氣存在環境下，高溫加熱並反應後加入硝酸攪拌混合，放入超音波震盪槽振盪後放入烘箱烘乾，再以去離子水清洗與離心多次後再加入氫氧化鈉調整pH值，再經透析法分離出欲分離之材料尺寸，可製備出不同氮含量之氮-石墨烯量子點；a. 胺基-氮-石墨烯量子點：上述製得之氮-石墨烯量子點再與氨水於高溫加熱並反應後放入烘箱烘乾，可製得胺基-氮-石墨烯量子點。
石墨烯為主之量子點材料，如石墨烯量子點、氮-石墨烯量子點與氮-胺基-石墨烯量子點等，藉單光子與雙光子雷射激發後極有效率地產生活性氧進行光動力治療，殺死抗藥性細菌與細胞。
含氮之石墨烯量子點中，隨著含氮量增加，產生之活性氧量也隨之增加，光動力治療效果也因此增加；氮-胺基-石墨烯量子點中，隨著含氮量與胺基增加，產生之活性氧量也隨之增加，光動力治療效果也因此增加。
石墨烯為主之量子點材料，如石墨烯量子點、氮-石墨烯量子點與氮-胺基-石墨烯量子點等，有極佳之雙光子特性，如螢光或冷光量子產率(quantum yield)、雙光子吸收(two-photon absorption)、雙光子放射冷光(two-photon luminescence)、雙光子穩定性(two-photon stability)、絕對雙光子接觸面積(absolute cross section of two-photon excitation)、放射衰弱速率(radiative decay rate)/非放射衰弱速率(nonradiative decay rate)之比例，與縮短其生存期(lifetime)。
含氮之石墨烯量子點中，隨著含氮量增加，發出螢光或冷光之效率和量子產率也隨之增加；氮-胺基-石墨烯量子點中，隨著含氮量與胺基增加，發出螢光或冷光之效率和量子產率也隨之增加。
由於石墨烯為主之量子點材料受單光子與雙光子雷射激發後會發出穩定與極強的螢光或冷光，故可當作一高效率之單光子與雙光子影像探針，特別是三維度空間中，可藉量子點所放出之螢
光或冷光來偵測與追蹤受測物之所在位置。
包覆聚合物於石墨烯為主之量子點表面時，若不外露羧根於材料表面、聚合物中含有氮或硫元素時，量子點有上述極佳之雙光子特性。
第一圖：a. 氮-石墨烯量子點(5.1%)高解析電子顯微鏡圖，晶格面為{1100}且d-spacing為0.213奈米，內嵌圖為低解析電子顯微鏡圖與量子點直徑分佈比例。b. 經X-射線繞射鑑定後得知氮-石墨烯量子點(5.1%)層與層距離為0.360奈米。c. 氮-石墨烯量子點(5.1%)之紫外光-可見光吸收光譜圖。d. 氮-石墨烯量子點(5.1%)之碳(1s)X-射線光電子能譜學光譜。e. 氮-石墨烯量子點(5.1%)之氮(1s)X-射線光電子能譜學光譜。f. 氮-石墨烯量子點(5.1%)之螢光/冷光放射光譜圖。
第二圖-a-b：生物相容性測試。細菌與連接上不同劑量脂多醣(Lipopolysaccharide)抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)混合後，菌落數/毫升之量測，經計算後換算成百分比率(%)
第三圖：a. 不同劑量之氮-石墨烯量子點(5.1%)經由單光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑(singlet oxygen sensor green，SOSG)直接量測所產生之單重態氧；b. 經由單光子雷射照射後再藉1,3-二苯基異苯並呋喃(1,3-diphenylisobenzofuran，DPBF)直接量測所產生之單重態氧；c. 經由單光子雷射照射後再藉3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉(2,3-bis(2-methoxy-4-nitro-5-sulfophenyl)-2H-tetrazolium-5-carboxanilide，XTT)直接量測超氧陰離子。
第四圖：a. 石墨烯量子點低解析電子顯微鏡圖。b. 石墨烯量子點高解析電子顯微鏡圖。d-spacing為0.214奈米，內嵌圖為量子點直徑分佈比例。c.經由X-射線繞射鑑定後得知石墨烯量子點層與層距離為0.358奈米。d.紫外光-可見光吸收光譜圖。e.石墨烯量子點之碳(1s)X-射線光電子能譜學光譜。f.石墨烯量子點之螢光/冷光放射光譜圖。
第五圖：a. 氮-石墨烯量子點(2.9%)低解析電子顯微鏡圖。b. 氮-
石墨烯量子點(2.9%)高解析電子顯微鏡圖。d-spacing為0.213奈米，內嵌圖為量子點直徑分佈比例。c. 經由X-射線繞射鑑定後得知氮-石墨烯量子點(2.9%)層與層距離為0.360奈米。d. 紫外光-可見光吸收光譜圖。e. 氮-石墨烯量子點(2.9%)之碳(1s)X-射線光電子能譜學光譜。f. 氮-石墨烯量子點(2.9%)之氮(1s)X-射線光電子能譜學光譜。
第六圖-a-b：生物相容性測試。細菌分別與連接上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、脂多醣抗體之石墨烯量子點混合後，菌落數/毫升之量測，經計算後換算成百分比率(%)。
第七圖：細菌分別與連接上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、脂多醣抗體之石墨烯量子點混合後，再經由單光子雷射照射，細菌之存活率。
第八圖：a. 細菌分別與連接上表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、表皮生長因子受體抗體之石墨烯量子點混合後，經由單光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧；b. 經由單光子雷射照射後再藉由1,3-二苯基異苯並呋喃直接量測所產生之單重態氧；c. 經由單光子雷射照射後再藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子。
第九圖：a. 生物相容性測試。癌細胞與連接上不同劑量表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor)抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、表皮生長因子受體抗體之石墨烯量子點混合後，生物相容性(%)之量測。b. 細胞分別與連接上表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、表皮生長因子受體抗體之石墨烯量子點混合後，再經由單光子雷射照射，細菌之存活率。c. 癌細胞分別與連接上表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、表皮生長因子受體抗體之石墨烯量子點混合後，經由單光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧；d. 經由單光子雷射
照射後再藉由1,3-二苯基異苯並呋喃直接量測所產生之單重態氧；e. 經由單光子雷射照射後再藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子。
第十圖：電子顯微鏡圖。a. 未包覆氮-石墨烯量子點(5.1%)之大腸桿菌；b. 已包覆脂多醣抗體-量子點奈米材料之細菌；c. 已包覆脂多醣抗體-量子點奈米材料之細菌培養五天後之細菌圖；d. 已包覆脂多醣抗體-量子點奈米材料之細菌經單光子雷射照射後之細菌圖。
第十一圖：a. 氮-石墨烯量子點(5.1%)之螢光/冷光光譜；b. 經單光子雷射照射後大腸桿菌之冷光影像；c. 細菌連接上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)經雷射照射後之冷光影像；d. 細菌連接上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)經雷射照射3分鐘後之冷光影像。
第十二圖：a. 石墨烯量子點正常化後之雙光子吸收度。b. 大腸桿菌、與c. 抗藥性金黃色葡萄球菌，分別與連接上脂多醣抗體之石墨烯量子點和蛋白質A抗體之石墨烯量子點混合後，經雙光子雷射照射後細菌存活率(%)。
第十三圖：a. 石墨烯量子點經雙光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧；b. 石墨烯量子點經雙光子雷射照射後再藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子；c. 細菌與連接具特異性抗體之石墨烯量子點混合後，經由雙光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧。d. 細菌與連接具特異性抗體之石墨烯量子點混合後，經由雙光子雷射照射後再藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子。
第十四圖：電子顯微鏡圖。a. 未包覆石墨烯量子點之大腸桿菌；c. 連接上脂多醣抗體的量子點奈米材料之大腸桿菌；e. 連接上脂多醣抗體的量子點奈米材料之大腸桿菌培養五天後之細菌圖；g. 連接上脂多醣抗體的量子點奈米材料之大腸桿菌經單光子雷射照射後之細菌圖。
第十四圖：電子顯微鏡圖。b. 未包覆石墨烯量子點之抗藥性金
黃色葡萄球菌；d. 連接上蛋白質A抗體的量子點奈米材料之抗藥性金黃色葡萄球菌；f. 連接上蛋白質A抗體的量子點奈米材料之抗藥性金黃色葡萄球菌培養五天後之細菌圖；h. 連接上蛋白質A抗體的量子點奈米材料之抗藥性金黃色葡萄球菌經雙光子雷射照射後之細菌圖。
第十五圖：a. 石墨烯量子點經不同雙光子雷射強度照射後對應所放射出不同之雙光子冷光強度；b.奈米材料經不同雙光子雷射強度照射後之光譜圖；c.經雙光子雷射照射後材料之冷光影像。
第十六圖：大腸桿菌與接有脂多醣抗體之石墨烯量子點於三維度環境下偵測其雙光子影像a. 深度25微米、b. 深度50微米、c. 深度75微米；d-e. 並於75微米深度下連續照射雙光子雷射，殺死細菌。
第十六圖：抗藥性金黃色葡萄球菌與接有蛋白質A抗體之石墨烯量子點於三維度環境下偵測其雙光子影像f. 深度25微米、g. 深度50微米、h. 深度75微米；i-j. 並於75微米深度下連續照射雙光子雷射，殺死細菌。
第十七圖：a.胺基-氮-石墨烯量子點高解析電子顯微鏡圖；d-spacing為0.213奈米，內嵌圖為量子點直徑分佈比例。b. 經由X-射線繞射鑑定後得知胺基-氮-石墨烯量子點層與層距離為0.360奈米。c.紫外光-可見光吸收光譜圖。d. 胺基-氮-石墨烯量子點之碳(1s)X-射線光電子能譜學光譜。e. 胺基-氮-石墨烯量子點之氮(1s)X-射線光電子能譜學光譜。f. 胺基-氮-石墨烯量子點之螢光/冷光放射光譜圖。
第十八圖-a-b：生物相容性測試。細菌與連接上不同劑量蛋白質A抗體之胺基-氮-石墨烯量子點混合後，菌落數/毫升之量測，經計算後換算成百分比率(%)。
第十九圖：a. 奈米材料正常化後之雙光子吸收度。抗藥性金黃色葡萄球菌分別與b. 連接上蛋白質A抗體之胺基-氮-石墨烯量子點和c. 連接上蛋白質A抗體之氮-石墨烯量子點後，經雙光子雷射照射後細菌存活率(%)。
第二十圖：a. 胺基-氮-石墨烯量子點、與b. 氮-石墨烯量子點經
不同雙光子雷射強度照射後對應所放射出不同之雙光子冷光強度；c. 奈米材料經不同雙光子雷射強度照射後之光譜圖；d. 經雙光子雷射照射後胺基-氮-石墨烯量子點之冷光影像。
第二十一圖：抗藥性金黃色葡萄球菌與接有蛋白質A抗體之胺基-氮-石墨烯量子點於三維度環境下偵測其雙光子影像a. 深度28微米、b. 深度56微米、c. 深度84微米；d. 並於84微米深度下連續照射雙光子雷射，殺死細菌；e. 未與奈米材料反應之細菌(細菌單獨)於84微米深度下之雙光子自體螢光影像。
第二十二圖：生物相容性測試。抗藥性癌細胞與連接上不同劑量表皮生長因子受體抗體之胺基-氮-石墨烯量子點混合後量測細胞存活率(%)。
第二十三圖：於三維度環境且深度84微米下：a. 未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞之雙光子影像；b. 抗藥性癌細胞與接有高特異性細胞核鍵結抗體之胺基-氮-石墨烯量子點於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像；c. 未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞(細菌單獨)之雙光子自體螢光影像。
第二十四圖：電子顯微鏡圖。a.未包覆石墨烯量子點之抗藥性金黃色葡萄球菌；b. 連接上蛋白質A抗體的量子點奈米材料之抗藥性金黃色葡萄球菌；c. 連接上蛋白質A抗體的量子點奈米材料之抗藥性金黃色葡萄球菌經雙光子雷射照射後之細菌圖。
第二十五圖-a-b：奈米材料的正常化後之雙光子吸收度。
第二十六圖-a-b：奈米材料包覆不同聚合物後其雙光子螢光或冷光放光光譜。
第二十七圖：奈米材料包覆不同聚合物後其鑑定與雙光子性質。
第二十八圖：奈米材料包覆不同聚合物後之：a. 生物相容性測試、b. 藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子；c. 藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧；d. 藉穀胱甘肽(glutathione)直接量測所產生之單重態氧。
第二十九圖：於三維度環境且深度85微米下：a. 癌細胞與接有
高特異性表皮生長因子受體抗體之聚醚胺與聚苯乙烯磺酸包覆石墨烯量子點於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像；b. 癌細胞與聚醚胺與未接抗體之聚苯乙烯磺酸包覆石墨烯量子點反應後於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像；c. 未與奈米材料反應之癌細胞之雙光子自體螢光影像。
第三十圖：a. 奈米材料的正常化後之雙光子吸收度。b. 奈米材料包覆不同聚合物後其雙光子螢光或冷光放光光譜。
第三十一圖：奈米材料包覆不同聚合物後其鑑定與雙光子性質。
第三十二圖：a. 奈米材料之生物相容性測試；b. 奈米材料藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子；c. 奈米材料藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧；d. 奈米材料藉由穀胱甘肽直接量測所產生之單重態氧。
第三十三圖-a-b-c：癌細胞與接有表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點於三維度環境下，以不同雙光子激發強度偵測其不同深度之雙光子影像a. 深度31微米、b. 深度62微米、c. 深度93微米。
第三十三圖-d-e-f：癌細胞與接有表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點-聚合物於三維度環境下，以不同雙光子激發強度偵測其不同深度之雙光子影像d. 深度31微米、e. 深度62微米、f. 深度93微米。
第三十三圖-g-h-i：未與奈米材料反應之癌細胞於三維度環境下，以不同雙光子激發強度偵測其不同深度之雙光子自體螢光影像g. 深度31微米、h. 深度62微米、i. 深度93微米。
由於本發明是要製備出石墨烯為主之量子點，並取之作應用。故要對製備出的各種量子點做鑑定：製得之氮-石墨烯量子點經過低與高解析度電子顯微鏡和尺寸分佈(第一圖a)、X-射線繞射(第一圖b)、紫外光-可見光吸收光譜(第一圖c)、X-射線光電子能譜學光譜(第一圖d與e)、與螢光/冷光放射光譜(第一圖f)等鑑定後，可知此
氮-石墨烯量子點製備成功，且含氮量為5.1%。
生物應用前須做此材料之生物相容性試驗：第二圖a與b顯示氮-石墨烯量子點(5.1%)對大腸桿菌有非常好之生物相容性。要確定此量子點能扮演光敏劑角色能產生活性氧，故藉由單光子雷射照射後再藉由單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧(第三圖a)、藉由1,3-二苯基異苯並呋喃直接量測所產生之單重態氧(第三圖b)、藉由3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子(第三圖c)。由此可知氮-石墨烯量子點(5.1%)經雷射照射後確實可產生活性氧，並隨照射時間增長，產生活性氧之量也隨之增加。
由於本發明是要製備出石墨烯為主之量子點，並取之作應用。故要對製備出的各種量子點做鑑定：製得之石墨烯量子點經過低與高解析度電子顯微鏡和尺寸分佈(第四圖a與b)、X-射線繞射(第四圖c)、紫外光-可見光吸收光譜(第四圖d)、X-射線光電子能譜學光譜(第四圖e與f))等鑑定後，可知奈米材料製備成功。另外，製得之氮-石墨烯量子點經過低與高解析度電子顯微鏡和尺寸分佈(第五圖a)、X-射線繞射(第五圖b)、紫外光-可見光吸收光譜(第五圖c)、X-射線光電子能譜學光譜(第五圖d與e)等鑑定後，可知奈米材料製備成功，且含氮量為2.9%。
生物應用前須做此材料之生物相容性試驗：第六圖a與b顯示石墨烯量子點與氮-石墨烯量子點(2.9%)對大腸桿菌有非常好之生物相容性。要確定此量子點能扮演光敏劑角色能產生活性氧並進行光動力治療，故細菌先分別與連接上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)、脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(2.9%)、脂多醣抗體之石墨烯量子點混合後，再經由單光子雷射照射，因為量子點產生之活性氧有效率的殺死細菌，使存活率隨之下降。其中氮-石墨烯量子點(5.1%)有最好之殺菌效率(第七圖)。要再次確認此量子點能扮演光敏劑角色能產生活性氧，故此三種奈米材料連接上脂多醣抗體與細菌反應後並施以雷射，再以：單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧(第
八圖a)、1,3-二苯基異苯並呋喃直接量測所產生之單重態氧(第八圖b)、3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子(第八圖c)。其中氮-石墨烯量子點(5.1%)產生活性氧之效果最好。
我們另取癌細胞來做光動力治療測試：這三種奈米材料分別接上表皮生長因子受體抗體並與癌細胞作用後有很好的生物相容性(第九圖a)；再經由單光子雷射照射，因產生之活性氧有效率的殺死細胞，使存活率隨之下降(第九圖b)；再以：單重態氧偵測試劑直接量測所產生之單重態氧(第九圖c)、1,3-二苯基異苯並呋喃直接量測所產生之單重態氧(第九圖d)、3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉直接量測超氧陰離子(第九圖e)。其中氮-石墨烯量子點(5.1%)產生活性氧之效果與殺死癌細胞之效果最好。
然而，照射雷射後的細菌同時也以電子顯微鏡來觀察：第十圖a為大腸桿菌本來的型態，第十圖b為已包覆脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)之細菌，第十圖c已包覆抗體-量子點奈米材料之細菌培養五天後之細菌圖，第十圖d已包覆抗體-量子點奈米材料之細菌經單光子雷射照射後之細菌圖。結果顯示細菌確實死亡。由於這些石墨烯量子點材料受雷射激發後會發出穩定的螢光或冷光(第十一圖a)；細菌本身不會放出明顯之螢光或冷光(第十一圖b)；當包覆上脂多醣抗體之氮-石墨烯量子點(5.1%)之細菌後會開始放出螢光或冷光(第十一圖c)，可藉量子點所放出之螢光或冷光來偵測與追蹤受測物之所在位置；長時間雷射照射後，細菌開始變形(第十圖d)，材料會開始脫落，故螢光或冷光會漸變弱(第十一圖d)。
除了使用單光子雷射來激發之外，雙光子雷射也使用在此發明中。結果顯示雙光子雷射激發下，石墨烯量子點於紅外光區有不錯之雙光子吸收(第十二圖a)；再使用雙光子雷射短時間照射包覆上脂多醣抗體之石墨烯量子點之大腸桿菌(第十二圖b)、與照射包覆上蛋白質A抗體之石墨烯量子點之抗藥性金黃色葡萄球菌(第十二圖c)，結果顯示隨照射時間增加，細菌死亡數也隨之增加。第十三圖a-d
顯示以單重態氧偵測試劑與3,3'-[1-(苯氨酰基)-3,4-四氮唑]-二(4-甲氧基-6-硝基)苯磺酸鈉偵測雙光子雷射照射所產生之單重態氧與超氧陰離子，有極佳產生活性氧之效率。照射雙光子雷射後的細菌以電子顯微鏡來觀察：第十四圖a與b為大腸桿菌與抗藥性金黃色葡萄球菌本來的型態；第十四圖b與d為已包覆脂多醣抗體之石墨烯量子點之大腸桿菌與為已包覆蛋白質A抗體之石墨烯量子點之抗藥性金黃色葡萄球菌；第十四圖e與f為已包覆抗體-量子點奈米材料之細菌培養五天後之細菌圖；第十四圖g與h為已包覆抗體-量子點奈米材料之細菌經雙光子雷射照射後之細菌圖。結果顯示細菌確實死亡。由此可知於雙光子雷射激發下，石墨烯量子點依舊有好的吸收度、穩定度、產生活性氧能力進而殺死格蘭氏陽性菌與陰性菌、抗藥性細菌。
由於石墨烯量子點有極佳之雙光子性質，在此量測其放射之雙光子螢光或冷光：石墨烯量子點經不同雙光子雷射強度照射後對應所放射出不同之雙光子螢光或冷光強度，確定為雙光子激發機制(第十五圖a)、與其雙光子光譜(第十五圖b)、和雙光子螢光或冷光影像(第十五圖c)。由於石墨烯量子點能放出極強之雙光子螢光或冷光，故測試其當作雙光子顯影劑或探針之能力：格蘭氏陰性菌大腸桿菌與格蘭氏陽性菌抗藥性金黃色葡萄球菌和接有特異性抗體之石墨烯量子點於三維度環境下偵測其雙光子影像(第十六圖a-c與f-h)，其深度分別為25微米、深度50微米、深度75微米。並於75微米深度下連續照射雙光子雷射，殺死細菌(第十六圖d-e與i-j)。由此可知石墨烯量子點即使於三維度深處下具有雙光子顯影劑或探針之能力，並能在該深度進行光動力治療殺死細菌。
由於本發明是要製備出石墨烯為主之量子點，並取之作應用。故要對製備出的各種量子點做鑑定：製得之胺基-氮-石墨烯量子點高解析度電子顯微鏡和尺寸分佈(第十七圖a)、X-射線繞射(第十七圖b)、紫外光-可見光吸收光譜(第十七圖c)、X-射線光電子能譜學光譜(第十七圖d與e)與其螢光/冷光放射光譜圖(第十七圖f)等鑑定後，可知奈米材料製備成功。
生物應用前須做此材料之生物相容性試驗：第十八圖a與b顯示胺基-氮-石墨烯量子點對抗藥性金黃色葡萄球菌有非常好之生物相容性。
除了使用單光子雷射來激發之外，雙光子雷射也使用在此發明中。結果顯示雙光子雷射激發下，胺基-氮-石墨烯量子點於紅外光區有不錯之雙光子吸收(第十九圖a)；再使用雙光子雷射照射包覆上蛋白質A抗體之胺基-氮-石墨烯量子點(第十九圖b)或氮-石墨烯量子點(第十九圖c)之抗藥性金黃色葡萄球菌(第十九圖b)，結果顯示隨照射時間增加，細菌死亡數也隨之增加。
由於石墨烯為主之量子點有極佳之雙光子性質，在此量測其放射之雙光子螢光或冷光：石墨烯量子點經不同雙光子雷射強度照射後對應所放射出不同之雙光子螢光或冷光強度，確定胺基-氮-石墨烯量子點(第二十圖a)與氮-石墨烯量子點(第二十圖a)為雙光子激發機制、和其雙光子光譜(第二十圖c)、和胺基-氮-石墨烯量子點之雙光子螢光或冷光影像(第二十圖d)。
由於胺基-氮-石墨烯量子點能放出極強之雙光子螢光或冷光，故測試其當作雙光子顯影劑或探針之能力：格蘭氏陽性菌抗藥性金黃色葡萄球菌和接有特異性抗體之胺基-氮-石墨烯量子點於三維度環境下偵測其雙光子影像(第二十一圖a-c)，其深度分別為28微米、深度56微米、深度84微米。並於84微米深度下連續照射雙光子雷射，殺死細菌(第二十一圖d)。由此可知石墨烯量子點即使於三維度深處下具有雙光子顯影劑或探針之能力，並能在該深度進行光動力治療殺死細菌。於同深度下，偵測只有細菌存在時利用雙光子激發後所產生之細菌雙光子自體螢光影像(第二十一圖e)。由此可知胺基-氮-石墨烯量子點即使於三維度深處下具有雙光子顯影劑或探針之能力，並能在該深度進行光動力治療殺死細菌。
生物應用前須做此材料之生物相容性試驗：第二十二圖顯示胺基-氮-石墨烯量子點對抗藥性之癌細胞有非常好之生物相容性。由於胺基-氮-石墨烯量子點能放出極強之雙光子螢光或冷光，故
測試其當作雙光子顯影劑或探針之能力：三維度環境且深度84微米下，未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞之雙光子影像(第二十三圖a)，抗藥性癌細胞與接有高特異性細胞核鍵結抗體之胺基-氮-石墨烯量子點於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像(第二十三圖b)，未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞之雙光子自體螢光影像(第二十三圖c)。可知胺基-氮-石墨烯量子點於三維度深處下具有雙光子顯影劑之能力，並能在該深度進行光動力治療殺死抗藥性癌細胞。
另外，照射雙光子雷射後的細菌以電子顯微鏡來觀察：第二十四圖a為抗藥性金黃色葡萄球菌本來的型態；第二十四圖b為已包覆蛋白質A抗體之石墨烯量子點之抗藥性金黃色葡萄球菌；第二十四圖c為已包覆抗體-量子點奈米材料之細菌經雙光子雷射照射後之細菌圖。結果顯示細菌確實死亡。
由於要探討石墨烯量子點包覆聚合物後是否會增加其放光與雙光子性質，此表格顯示包覆上各種不同聚合物後量子點之相關性質。結果發現除了各類奈米材料於紅外光區有良好之吸收度(第二十五圖a與b)，也有極強之雙光子螢光或冷光放光能力(第二十六圖a與b)，並發現不外露羧根於量子點材料表面、且同時若聚合物中含有氮或硫元素時，可增加其螢光或冷光量子產率、雙光子吸收、雙光子放射冷光、雙光子穩定性、絕對雙光子接觸面積、放射衰弱速率/非放射衰弱速率之比例，與縮短其生存期(第二十七圖)。
做細胞影像前，先確定選用的聚醚胺與聚苯乙烯磺酸包覆石墨烯量子點對癌細胞具有很好的生物相容性(第二十八圖a-d)；於三維度環境且深度85微米下：癌細胞與接有高特異性表皮生長因子受體抗體之聚醚胺與聚苯乙烯磺酸包覆石墨烯量子點於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像(第二十九圖a)；癌細胞與聚醚胺與未接抗體之聚苯乙烯磺酸包覆石墨烯量子點反應後於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其雙光子影像(第二十九圖b)；未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞之雙光子自體螢光影像(第二十九圖c)。結果顯示此材料有非常好之雙光子性質、並產生極佳的雙
光子影像。
我們另選了氮-石墨烯量子點包覆其他聚合物，檢視其雙光子性質，要探討石墨烯量子點包覆聚合物後是否會增加其放光與雙光子性質，此表格顯示包覆上各種不同聚合物後量子點之相關性質。結果發現除了各類奈米材料於紅外光區有良好之吸收度(第三十圖a)，也有極強之雙光子螢光或冷光放光能力(第三十圖b)，其餘解果與第二十七圖相似，但所有數據呈現更佳之特性(第三十一圖)。
結果顯示，選用的聚乙烯亞胺與聚苯乙烯磺酸包覆氮-石墨烯量子點對癌細胞具有很好的生物相容性(第三十二圖)；於三維度環境不同深度之雙光子影像(第三十三圖)：癌細胞與接有高特異性表皮生長因子受體抗體之氮-石墨烯量子點、聚醚胺包與聚苯乙烯磺酸包覆氮-石墨烯量子點於三維度環境下偵測經雙光子雷射照射後，其不同深度的雙光子影像(第三十三圖a-c與d-f)；未與奈米材料反應之抗藥性癌細胞之雙光子自體螢光影像(第三十三圖g-i)。結果顯示此材料有非常好之雙光子性質、並產生極佳的雙光子影像。
Claims (10)
- 一種利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法，是採以：本發明之石墨烯為主之量子點材料，將石墨、硝酸鹽與硫酸混合反應後，再加入過錳酸鉀反應。之後，依序加入去離子水與過氧化氫完成反應，製得氧化石墨烯；a. 石墨烯量子點：氧化石墨烯於氬氣存在環境下，高溫加熱並反應後加入硝酸攪拌混合，放入超音波震盪槽振盪後放入烘箱烘乾，再以去離子水清洗與離心多次後再加入氫氧化鈉調整pH值，再經透析法分離出欲分離之材料尺寸，可製備出石墨烯量子點；b. 氮-石墨烯量子點：氧化石墨烯於氨氣存在環境下，高溫加熱並反應後加入硝酸攪拌混合，放入超音波震盪槽振盪後放入烘箱烘乾，再以去離子水清洗與離心多次後再加入氫氧化鈉調整pH值，再經透析法分離出欲分離之材料尺寸，可製備出不同氮含量之氮-石墨烯量子點；c. 胺基-氮-石墨烯量子點：上述製得之氮-石墨烯量子點再與氨水於高溫加熱並反應後放入烘箱烘乾，可製得胺基-氮-石墨烯量子點。
- 如申請專利範圍第1項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法，是採以：其中含氮之石墨烯量子點中，隨著含氮量增加，產生之活性氧量也隨之增加，光動力治療效果也因此增加；氮-胺基-石墨烯量子點中，隨著含氮量與胺基增加、羧根減少，產生之活性氧量也隨之增加，光動力治療效率也因此增加。
- 如申請專利範圍第1項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法，是採以：其中石墨烯為主之量子點材料，如石墨烯量子點、氮-石墨烯量子點與氮-胺基-石墨烯量子點等，除了有極佳之單光子光學特性外，也有極佳之雙光子光學特性，如螢光或冷光量子產率(quantum yield)、雙光子吸收(two-photon absorption)、雙光子放射螢光或冷光(two-photon luminescence)、雙光子穩定性(two-photon stability)、絕對雙光子接觸面積(absolute cross section of two-photon excitation)、放射衰弱速率(radiative decay rate)/非放射衰弱速率(nonradiative decay rate)之比例，與縮短其生存期(lifetime)。
- 如申請專利範圍第1項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法，是採以：其中含氮之石墨烯量子點中，隨著含氮量增加，發出螢光或冷光之效率和量子產率也隨之增加；氮-胺基-石墨烯量子點中，隨著含氮量與胺基增加、羧根減少，發出螢光或冷光之效率和量子產率也隨之增加。
- 如申請專利範圍第1項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的方法，是採以：其中包覆聚合物於石墨烯為主之量子點表面時，若不外露或減少羧根於材料表面、聚合物中含有氮或硫元素時，量子點有上述極佳之雙光子特性。
- 一種利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的用途，是採以：其中其中石墨烯為主之量子點材料，如石墨烯量子點、氮-石墨烯量子點與氮-胺基-石墨烯量子點、於石墨烯為主之量子點包覆聚合物等，皆具有非常好之生物相容性。
- 如申請專利範圍第6項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的用途，是採以：其中石墨烯為主之量子點材料，如石墨烯量子點、氮-石墨烯量子點與氮-胺基-石墨烯量子點等，藉單光子與雙光子雷射激發後極有效率地產生活性氧物質進行光動力治療，殺死細菌與細胞。
- 如申請專利範圍第6項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的用途，是採以：石墨烯為主之量子點材料，藉單光子與雙光子雷射激發後極有效率地產生活性氧物質進行光動力治療，可殺死癌細胞、抗藥性癌細胞、革蘭氏陰與陽性菌、抗藥性細菌等。
- 如申請專利範圍第6項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的用途，是採以：其中 由於石墨烯為主之量子點材料受單光子與雙光子雷射激發後會發出穩定與極強的螢光或冷光，故可當作一高效率之單光子與雙光子影像探針，特別是三維度空間中，可藉量子點所放出之螢光或冷光來有效地偵測與追蹤受測物之所在位置。
- 如申請專利範圍第7或第9項所述利用石墨烯為主之量子點藉單光子與雙光子雷射激發產生光動力治療與顯影劑之間的用途，是採以：只需極低之能量與極短之激發時間，即可到達治療與顯影的效果。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN104188910A (zh) * | 2014-06-20 | 2014-12-10 | 华东理工大学 | 靶向性光控释放一氧化氮纳米复合材料药物体系及其制备方法 |
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| Chin.J.Org.Chem.2014,34,1382-1390 * |
| Chin.J.Org.Chem.2014,34,1382-1390。 |
| 中國科學家首次發現納米級石墨烯的殺菌作用—國際日報,2016年3月2日 * |
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