一种碳点在制备光声断层与双光子荧光双模态成像造影剂中的应用

本发明属于纳米材料与生物医学影像交叉，具体涉及一种用于光声断层与双光子荧光双模态成像的碳量子点造影剂，及其制备方法与在生物多尺度诊疗中的应用。

背景技术：

1、癌症等重大疾病的早期精准诊断依赖于高灵敏度、高分辨率的生物影像技术。在众多的影像技术中，光学成像和光声成像因具有无辐射、时空分辨率高以及实时可视化等优点而备受关注。其中，双光子荧光（two-photon fluorescence, tpf）显微成像利用近红外非线性光学效应，能够提供微米级甚至亚微米级的超高空间分辨率，在细胞和微血管等微观结构的精细成像中表现出卓越优势；然而，受限于组织对光的强散射与吸收，双光子成像的穿透深度通常较浅（<1 mm），难以获得深层肿瘤的宏观三维结构信息。

2、与之相对地，三维光声断层成像（three-dimensional photoacoustictomography, 3d pat）结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透深度优势，能够实现厘米级深度的深层组织成像，非常适合获取宏观肿瘤的三维解剖结构与血供分布；但其空间分辨率相较于双光子显微成像仍有不足，无法满足微观细胞级病理结构的精细观察需求。因此，将三维光声断层成像与双光子荧光成像有机结合，构建“厘米级深度-微米级分辨率”互补的双模态成像体系，是实现疾病多尺度精准诊断的有效途径。

3、然而，实现这种双模态成像的核心瓶颈在于缺乏理想的单组分双模态造影剂。传统的复合造影剂多采用物理混合或化学偶联的方式将光声对比剂与双光子荧光分子结合，这不仅制约了材料的化学纯度与批次稳定性，还容易引发体内代谢动力学不一致、潜在毒性增加等严重问题。

4、碳点（carbon quantum dots, cqds）作为一种新型的零维碳基纳米材料，因具有良好的生物相容性、抗光漂白性好以及易于表面修饰等特点，在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。但是，现有技术中合成的碳点通常存在“荧光量子产率与光热转换效率相互竞争”的底层物理矛盾：光致发光需要高效的辐射跃迁，而光声信号的产生则依赖于高效的非辐射热弛豫过程。这种内在机制的冲突导致现有碳点往往只能偏向单一成像功能，极难在单一碳点纳米平台上同时实现高亮度的近红外双光子荧光与强发光声信号，从而严重制约了碳点在深层高分辨率双模态成像中的实际应用。

5、在此，发明人通过构建具有同心多层石墨化结构的碳点，巧妙利用其表面与内部电子态的差异化分布，实现了激发态辐射跃迁与非辐射跃迁途径的空间解耦；在单一碳点纳米平台上同时获得了高达 37.8% 的近红外二区荧光量子产率与 50.3% 的高光热转换效率，打破了传统碳点发光与光声性能不可兼得的瓶颈，并进一步基于内源性蛋白冠调控机制实现了优异的肿瘤靶向富集与高效肾代谢清除。

6、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的首要目的在于提供一种用于光声断层与双光子荧光双模态成像的碳点造影剂及其制备方法与应用，旨在解决现有技术中缺乏单组分双模态造影剂、以及传统碳点中荧光量子产率与光热转换效率相互竞争而无法兼顾深层穿透与微观高分辨率成像的技术难题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种碳点造影剂在制备多模态生物成像试剂中的应用，所述多模态生物成像为光声断层成像与双光子荧光成像的组合；所述造影剂以碳点作为单一核心显影组分。

4、本发明还提供了一种双模态生物成像造影剂，其包括碳点；所述碳点在近红外区同时具备光声信号发生能力与双光子荧光发射能力，用于同步或异步实施三维光声断层成像和双光子荧光显微成像。

5、作为优选，所述碳点的近红外二区荧光量子产率为 30%～45%（例如 37.8%），光热转换效率为 40%～60%（例如 50.3%）。

6、作为优选，所述碳点具有同心多层石墨化结构；所述多层石墨化结构将其表面荧光活性态与内部/边缘非辐射热弛豫通道在空间上有效分隔，从而使激发态的辐射跃迁途径与非辐射跃迁途径实现空间解耦。

7、作为优选，所述碳点的水动力学粒径或透射电镜下测得的平均粒径为 1 nm～10nm。

8、作为优选，所述造影剂在静脉注射入活体后，能够通过选择性吸附内源性血浆蛋白形成特异性蛋白冠，从而介导造影剂在肿瘤组织的选择性富集与长期滞留。

9、本发明还提供了上述双模态生物成像造影剂的制备方法，包括以下步骤：

10、(1) 将包含碳源（如柠檬酸或其盐类）和氮源（如甲酰胺、尿素、二亚乙基三胺、乙二胺中的至少一种）的前体物质溶于溶剂（甲酸或者其他羧酸）中，形成均匀反应溶液；

11、(2) 将所述反应溶液进行溶剂热反应，反应温度为 160 ℃～240 ℃，反应时间为4 h～24 h；

12、(3) 反应产物经透析、离心或超滤等净化处理，即得所述碳点造影剂。

13、本发明还提供了一种双模态生物成像方法，包括以下步骤：

14、(1) 向待测生物体或离体组织中施加所述的双模态生物成像造影剂；

15、(2) 采用激发光源（如近红外二区激光）照射目标区域，同步或异步采集所述目标区域发出的光声信号与双光子荧光信号；

16、(3) 根据所述光声信号重建得到三维光声断层图像，根据所述双光子荧光信号重建得到双光子荧光显微图像。

17、作为优选，所述三维光声断层成像用于获取组织深度大于5厘米的宏观三维结构信息，所述双光子荧光显微成像用于获取小于10微米分辨率的细胞或微血管结构信息。

18、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）打破物理竞争机制，实现单组分高双模态性能：本发明通过独特的同心多层石墨化结构设计，首次在单组分碳点纳米平台上实现了激发态辐射跃迁与非辐射跃迁的解耦。在保持高达 50.3 % 的光热转换效率（提供强光声信号）的同时，赋予了材料高达 37.8% 的近红外二区荧光量子产率，打破了传统造影剂性能不可兼得的瓶颈。（2）兼具深层穿透与微观高分辨率，实现多尺度精准诊断：本发明首次将三维光声断层成像（3d pat）与双光子荧光成像（tpf）结合于单一造影剂中。利用 pat 实现了厘米级深度的宏观三维肿瘤及其血管网络全景成像，利用 tpf 实现了微米级高分辨率的细胞级精细观察，为肿瘤的早期诊断与界限精准划定提供了“宏观+微观”互补的信息。（3）内源性蛋白冠靶向与优异的体内生物安全性：本发明的碳点在静脉注射后可诱导形成特定的内源性蛋白冠，实现无配体修饰的高效肿瘤主动/被动蓄积，并在 16 小时左右达到极高的肿瘤与正常组织信号比（it/in = 3.2）。此外，该碳点粒径均一，代谢通路明确，主要经肾脏排出体外，对心、肝、脾、肺、肾等主要器官均无明显毒副作用，具备极高的临床转化潜力。

1.一种碳点造影剂在制备双模态生物成像试剂中的应用，其特征在于，所述双模态生物成像为光声断层成像与双光子荧光成像的组合；所述造影剂以碳点作为单一核心显影组分。

2.一种双模态生物成像造影剂，其特征在于，包括碳点；所述碳点在近红外区同时具备光声信号发生能力与双光子荧光发射能力，用于同步实施三维光声断层成像和双光子荧光显微成像。

3. 根据权利要求 2 所述的双模态生物成像造影剂，其特征在于：所述碳点的近红外二区荧光量子产率为 30%～45%，光热转换效率为 40%～60%。

4. 根据权利要求 2 所述的双模态生物成像造影剂，其特征在于：所述碳点具有同心多层石墨化结构；所述多层石墨化结构使其激发态的辐射跃迁途径与非辐射跃迁途径实现空间解耦。

5. 根据权利要求 2所述的双模态生物成像造影剂，其特征在于：所述碳点的平均粒径为 1 nm～10 nm。

6. 一种如权利要求 2-5 任一所述双模态生物成像造影剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7. 根据权利要求 6 所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的碳源包括柠檬酸或其盐类；所述氮源包括甲酰胺、尿素、二亚乙基三胺、乙二胺中的至少一种；所述溶剂包括甲酸或者其他羧酸。

8.一种双模态生物成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

9. 根据权利要求 8 所述的双模态生物成像方法，其特征在于：所述三维光声断层图像用于获取组织深度在厘米级的宏观三维结构信息，所述双光子荧光显微图像用于获取微米级分辨率的细胞或血管微观结构信息。