笼内金属富勒烯的Gd@C82合成

内嵌金属富勒烯的研究进展引言富勒烯的碳笼内能够包入各种不同的金属或金属原子簇，形成一类具有特殊结构和性质的化合物，通常被称为内嵌金属富勒烯[1]。

内嵌金属富勒烯有许多优异的物理和化学性质，这使得它们有可能发展成为超导、有机铁磁体、非线性光学材料、功能分子器件、核磁造影剂、生物示踪剂等新型材料，它的研究成果对于电子学、电磁学、光学和药学将产生重大影响[2]。

1996年诺贝尔化学奖得主，内嵌金属富勒烯的主要发现者之一，Smalley教授（已故）建议使用M@C2n形式来表示内嵌金属富勒烯的结构，目前这一建议已得到各国科学家的公认[1]。

实际上，早在1988年Smally等就以石墨和镧系金属混合物制成的棒作靶，从激光超声速喷方法中获得的烟灰中发现了La@C60、La@C62等内包配合物的存在。

1991年以后，随着第一个宏观量的La@C82被合成出来，进而得到了富勒烯内包金属配合物的详尽波谱表征，掀起了富勒烯内包金属配合物的研究热潮[3]，内嵌金属富勒烯也成为国际上化学研究的热点课题之一。

1 内嵌金属富勒烯的结构及其性质目前，富勒烯金属内包配合物的通用表达式为M@C2n，这一表达形式一方面代表英文单词“at”，另一方面形象地说明金属原子包含在富勒烯碳笼里[4]。

富勒烯内包金属配合物既具有金属原子的性质，又具有富勒烯的性质[5]，并且内嵌金属富勒烯内部的金属（团簇）和富勒烯碳笼之间的电子转移导致它的化学反应性比空心富勒烯更加活波[6]，其性质的特殊性为其发展提供了动力。

迄今为止报道的富勒烯内包金属配合物的金属主要集中在第二和第三族，如：Ca、Sr、Ba、Sc、Y和La以及镧系金属（Ce~Lu)和部分锕系金属(Th~Am)，包含金属的富勒烯不仅仅限于C60,而更多的是高碳富勒烯，如C82、C80等。

用13C NMR、同步加速X射线衍射、超高真空的扫描隧道显微镜研究发现，金属原子的确被包在了富勒烯的中空碳笼里，同时理论计算也证实了这一点，但是碳笼中的金属并不是位于笼的中心，而是位于靠近笼内壁的一侧，碳笼的结构出现一定程度的变形，从这一点可以看出金属原子和富勒烯碳笼之间存在着较强的作用力[7]。

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1加权像中增强信号强度)和阴性对比剂(T 2加权像中降低信号强度)㊂弛豫效率(r i ,单位为(mmol/L )-1s -1)用于评价造影剂的效果,用式(1)表示:(1/T i )obsd =(1/T i )d +r i [M], i =1,2(1)其中,[M]为造影剂的浓度(mmol/L ),(1/T i )obsd 为顺磁性物质存在时的弛豫率,(1/T i )d 为无顺磁性物质存在时的弛豫率㊂目前,临床使用MRI 造影剂主要是小分子量的Gd 螯合物阳性对比剂[9,10],如Gd -DTPA -BMA (商品名Omniscan )和Gd -DTPA (商品名Magnevist )等㊂这些造影剂仅限于细胞外液造影,且弛豫效率较低㊁没有组织靶向性㊂除了Primovist [11]和Multihance [12]具有部分肝脏特异性外,其它的细胞外造影剂只能在体内被动累积并且快速通过肾脏代谢排出体外,很难应用于细胞及亚细胞水平的检测,有时还会因造影剂的大量使用导致肾功能不健全者肾源纤维化[13]㊂因此,开发新型的具有高效性和组织特异性的磁共振成像造影剂(磁性分子影像探针)是目前MRI 分子影像探针的研究热点㊂一系列以磁性纳米粒子[14~18]㊁脂质体[19]㊁胶束[20]等为载体的分子影像探针被广泛报道㊂钆基富勒烯是指碳笼(C 60,C 80和C 82等)内嵌金属钆原子或团簇的一类内嵌金属富勒烯,这些富勒烯不仅保持了内嵌钆的顺磁特性,还保持了碳笼的特性,如比表面积大㊁稳定㊁易被多功能化等㊂这类富勒第40卷2012年10月 分析化学(FENXI HUAXUE ) 评述与进展Chinese Journal of Analytical Chemistry 第10期1607~1615烯作为新型的MRI 分子影像探针,其弛豫水分子的机理不同于传统的钆基螯合物,是一种间接相互作用,即内嵌的钆原子或钆团簇通过外包碳笼来间接弛豫水分子,作用面积大,效率高;分子间的偶极-偶极相互作用进一步提高了其弛豫效能㊂更重要的是,与传统钆基螯合物相比,碳笼的稳定性保护了内嵌团簇,使之免受体内代谢物质的进攻和防止了外泄,从而大大提高了其生物安全性[21]㊂此外,内嵌钆原子或团簇的碳笼还提供了可进一步多功能化的纳米平台,为疾病早期精准检测和诊疗一体化提供了可能㊂因此,钆基富勒烯作为新型高效㊁多模态MRI 分子影像探针的研究被广泛关注[22~24]㊂2 钆基富勒烯分子影像探针内嵌金属富勒烯因兼具内嵌金属原子的金属特性和碳笼的特性,使其在材料科学和生物医学领域具有巨大的应用前景㊂富勒烯金属包合物的高产率合成和高效提取极大地加快了其应用研究的进程㊂近年来,基于钆内嵌金属富勒烯(钆基富勒烯)水溶性衍生物的磁共振(MRI )造影剂被广泛报道㊂由于钆基富勒烯的高效性㊁低毒性和多功能化特性,使其成为新一代MRI 分子影像探针的有力竞争者㊂图1 图1 钆基富勒烯(a )Gd@C 82,(b )Gd@C 60和(c )Gd 3N@C 80的结构示意图Fig .1 Schematic structure of (a )Gd@C 82,(b )Gd@C 60and (c )Gd 3N@C 80为Gd@C 82,Gd@C 60,Gd 3N@C 803种钆基富勒烯的结构示意图㊂2.1 钆基富勒烯的制备1985年,Heath 等[25]在激光蒸发掺有LaCl 3的石墨靶时,在烟炱的质谱分析中检测到LaC 60的存在㊂此后,各种各样的金属原子或金属团簇内嵌的金属富勒烯被制备和表征[26~31]㊂目前,Krastchmer 等[32]发展的直流电弧放电法是制备各种新结构富勒烯与金属富勒烯效率最高的方法,因而被广泛使用㊂其基本过程是:石墨/金属合金组成的复合石墨棒作为消耗电极在氦气气氛中电弧放电,收集含有富勒烯与金属富勒烯的烟炱,用溶剂萃取得到的可溶性富勒烯与金属富勒烯母液,再用化学反应法或高效液相色谱法进行分离,即可得到纯的内嵌金属富勒烯㊂与激光法㊁高温高压法等方法相比,直流电弧放电法具备操作简单㊁安全可靠㊁造价低㊁产量大等优点㊂Gd@C 82是最早发现可被应用于磁共振成像造影剂的钆基富勒烯[33]㊂Tsuchiya 等[34]发明了先使用溶剂提取得到富勒烯与金属富勒烯的混合溶液,再通过先氧化后还原的方法富集钆基富勒烯Gd@C 82和Gd 2@C 80,显著提高了Gd@C 82的产量㊂最近,孙宝云等[35]发展了一种适用于内嵌单金属富勒烯的提取方法,直接对烟炱进行内嵌金属富勒烯的选择性反应,使得金属富勒烯在提取液中含量达到50%~80%,有效提高提取效率㊂他们将该提取方法应用到Gd@C 82的宏量制备,实现了Gd@C 82产量的重大突破㊂实际上,Gd@C 60产率远高于Gd@C 82,但是由于溶解性差㊁在空气中稳定性差等原因难以被分离得到㊂Bolskar 等[36]发明了一种先真空升华得到富勒烯与金属富勒烯混合物,再用氧化还原的方法得到了克量级Gd@C 60,但是这种方法需要在无氧条件下操作,对仪器设备要求较高,因此没有被广泛推广㊂Gd 3N@C 80是一种内嵌三金属氮化物团簇的钆基富勒烯,由于在一个碳笼中嵌入了3个Gd 3+,Gd 3N@C 80比Gd@C 82和Gd@C 60具有更强的顺磁性[37],可在单位碳笼浓度的条件下得到性能更优的MRI 分子影像探针㊂此外,由于内嵌的Gd 3N 团簇向C 80碳笼转移了6个电子得到闭壳层结构的富勒烯,使得碳笼的稳定性相对单金属富勒烯大大提高[38]㊂但是,内嵌的Gd 3N 团簇尺寸较大,在形成Gd 3N@C 80富勒烯时被碳笼捕获的几率较小,因此产率相对其它内嵌三金属氮化物富勒烯如Sc 3N@C 80[39]大大降低㊂Zhang 等[40]在金属钆中掺杂更容易被捕获的钪,首次合成了两种混合型内嵌金属富勒烯Sc 2GdN@C 80和ScGd 2N@C 80,其产率是Gd 3N@C 80的50倍,为大量制备钆基富勒烯提供了一种新的思路㊂钆基富勒烯产量上的提高使其用于分子影像探针的应用成为可能㊂但是,富勒烯碳笼本身的疏水特性阻碍其直接应用,需要在其表面进行修饰,使其具有好的生物相容性㊂8061 分析化学第40卷2.2 钆基富勒烯分子影像探针的结构设计与功能的关系2.2.1 单一官能团修饰的钆基富勒烯分子影像探针 多羟基衍生化反应最早应用于钆基富勒烯中,得到一系列Gd@C 82多羟基衍生物(钆富勒醇),是一类具有高弛豫效率的磁性分子影像探针㊂1997年,Zhang 等[41]首先合成了Gd@C 2n (OH )x 及各种空心富勒烯多羟基衍生物的混合物,在室温㊁9.4T 磁场条件下测得其纵向弛豫效率(r 1)为47(mmol/L )-1s -1,比临床使用造影剂Gd -DTPA 高出10倍以上(r 1ʈ图2 相转移催化法合成Gd@C 82(OH )n 的示意图[43]Fig .2 Scheme of synthesis of water -soluble polyhydroxy -lated Gd@C 82,Gd@C 82(OH )n (Gd -fullerenols )by the tet -rabutylammonium hydroxide (TBAH 40%in water )phase transfer reaction [43]4(mmol/L )-1s -1)㊂随后,Wilson 等[42]用相转移催化法合成了Gd@C 82的多羟基衍生物Gd@C 82(OH )x ,并在20MHz ㊁40ħ条件下测得其纵向弛豫效率为20(mmol/L )-1s -1㊂Mikawa 等[43]对Gd 富勒醇的弛豫性能进行了更加深入细致地研究㊂他们合成了Gd@C 82(OH )40,在25ħ㊁3种不同的磁场强度下测定了它的弛豫效率,发现在1.0T 的磁场强度下弛豫能力最强,纵向弛豫效率高达81(mmol/L )-1s -1㊂图2为相转移催化法合成钆富勒醇的示意图㊂随后,刘凯敏等[44]合成了羟基数较少的钆富勒醇Gd@C 82(OH )16,4.7T 磁场下纵向弛豫效率为19.3(mmol/L )-1s -1㊂文献[44,45]合成了带有20个羟基的钆富勒醇Gd@C 82(OH )20,在1.0T 磁场下弛豫效率为42.3(mmol/L )-1s -1㊂以上研究表明,钆富勒醇的弛豫效率与笼外修饰上的羟基数目和磁场强度等因素密切相关㊂表1对比了几种钆富勒醇的弛豫效率㊂尽管增大外磁场强度会导致r 1降低,但还是可以明显看出r 1随着外接羟基数目的减少而降低㊂表1 不同Gd@C 82多羟基衍生物的弛豫效率Table 1 Relativities of different Gd@C 82derivatives 造影剂Contrast agent 场强Magnetic field strength (T )弛豫效率r 1Relaxivity (mmol/L )-1s -1Gd@C 82(OH )x[41]0.4720Gd@C 82(OH )40[42] 1.081Gd@C 82(OH )20[44] 1.542.3Gd@C 82(OH )16[45]4.719.3 为了探寻富勒烯多羟基衍生物具有高弛豫效率的原因,Kato 等[47]合成了一系列稀土包合物的水溶性多羟基衍生物M@C 82(OH )n ,(M =La,Ce,Dy,Er ),并在不同场强下测定了各物质的弛豫效率㊂结果显示,这些包合物的多羟基衍生物都表现出了一定的弛豫能力,而在同样实验条件下,上述4种稀土金属的三价阳离子或EDTA 配合物不具有或只有很低的弛豫效能㊂富勒烯多羟基衍生物具有的高弛豫能力是通过多羟基富勒醇分子表面羟基的水质子交换作用和分子间偶极-偶极相互作用来实现的,而水质子交换速率㊁转动相关时间和顺磁性金属离子电子自旋的弛豫速率是影响弛豫时间的3个重要因素[9,10,48]㊂Sayers 等[49]发现富勒醇表面修饰的羟基数直接影响其生物活性,所以精确计算羟基数目在羟基富勒烯的生物医学研究中意义重大㊂Chen 等[50]合成并分离得到了窄分布的钆富勒醇Gd@C 82(OH )22,发现其可以有效抑制恶性肿瘤在小鼠体内的生长,并且比普通抗肿瘤药CTX 具有更低的毒性㊂对其抑制肿瘤生长机理的研究结果表明,Gd@C 82(OH )x 不仅可以有效激活CCL5树突状细胞转化为CCL19表型的成熟型淋巴细胞,而且可以增加体内IFNg ㊁IL -1b 和IL -2的表达,并导致卵蛋白素特异的Th -1型免疫反应[51]㊂Liang 等[52]发现Gd@C 82(OH )x 还可以改善耐药肿瘤细胞对顺铂的内吞功能,从而有效地解决了肿瘤细胞的耐药性问题,为恶性肿瘤的有效治疗开辟了一条新的途径㊂最近,Meng 等[53]又发现Gd@C 82(OH )22可以在基因和蛋白水平同时调控肿瘤血管新生因子的表达,通过抑制肿瘤增殖所必须的新生血管生成而阻断肿瘤的生长㊂由于钆基富勒醇很难进一步修饰使其多功能化,Bolskar 等[36]得到了Gd @C 60的水溶性衍生物Gd@C 60[C (COOH )2]10,如图3所示㊂弛豫效率测试结果表明:钆富勒酸Gd@C 60[C (COOH )2]10的弛豫效9061第10期郑俊鹏等:钆基富勒烯磁共振成像分子影像探针的研究进展图3 Gd@C 60[C (COOH )2]10的球棍模型[36]Fig .3 Ball-and -stick depiction of Gd @C 60[C (COOH )2]10,illustrating a possible arrangement of 10C (COOH )2addends on a single C 60cage(light blue,C;red,O;white,H;dark blue,Gd )[36]率(4.6(mmol/L )-1s -1)明显低于钆富勒醇Gd @C 60(OH )x(83.2(mmol/L )-1s -1),说明同种钆基富勒烯使用不同的修饰方法得到的衍生物具有截然不同的理化性质㊂这种性质上的明显差异主要源于顺磁性钆间接弛豫水分子的有效距离不同和分子间的相互作用力不同㊂弛豫效率与顺磁性中心离子和交换水距离的六次方成反比,钆基富勒酸的有效作用距离远大于钆基富勒醇,结果导致弛豫效率的迅速降低㊂钆基富勒醇羟基间及其与水的相互作用力不同于钆基富勒酸羧基间的相互作用力,结果导致聚集体的水合半径不同,进而影响转动相关时间和最终弛豫效率㊂Sitharaman 等[54,55]详细研究了离子强度㊁pH 值㊁温度和浓度对两种造影剂的聚集尺寸以及弛豫效率的影响㊂结果发现,上述两种分子影像探针的聚集行为和弛豫效率受温度和浓度影响不大,但是对pH 值和电解质NaCl 等比较敏感㊂对Gd@C 60(OH )x 和Gd@C 60[C (COOH )2]10的聚集体和解聚体进行不同温度下的17O 和1H 的弛豫效率测定,进一步探讨了富勒烯造影剂的弛豫机理,即增加磁性纳米颗粒的大小,可以增加分子的转动相关时间,进而提高弛豫效率[56]㊂钆富勒醇由于分子间作用力较大,在溶液中易形成较大的聚集体,显著降低了转动相关时间,因此表现出了较高的弛豫效率㊂相反,钆富勒酸由于分子间相互作用较弱,在溶液中形成的聚集体尺寸较小,同时羧基与水质子的交换能力也弱于羟基,导致弛豫效率的大幅度降低㊂2.2.2 混合官能团修饰的G d 基富勒烯分子影像探针 通过上述对比可以看到,羟基化的钆富勒醇具有很高的弛豫效率,但不易被进一步功能化;羧基化的钆富勒酸易于与生物活性分子偶联,但弛豫效率大幅度降低㊂因此,研究人员希望在碳笼表面同时引入羟基和羧基等官能团,使这两类衍生物优势互补㊂卢兴等[46]合成得到了Gd@C 82的水溶性衍生物Gd@C 82(OH )6(NHCH 2CH 2SO 3H )8,弛豫效率为4.5(mmol/L )-1s -1,与Gd -DTPA 相当㊂Shu 等[57]利用Gd@C 82与β-丙氨酸反应得到一种既含有羟基又含有羧基的水溶性衍生物Gd @C 82O 6(OH )16(NHCH 2CH 2COOH )8,测得弛豫效率为9.1(mmol/L )-1s -1(1.5T )和16.0(mmol/L )-1s -1(0.35T )㊂对其聚集行为的研究发现,该衍生物在酸性㊁中性和碱性条件下具有不同的聚集行为,并推测了不同的聚集机理,探讨了粒径大小分布与质子弛豫效率的关系[58]㊂尽管羟基数目的减小,使得含羟基和羧基混合官能团的钆基富勒烯衍生物的弛豫效率低于Gd 富勒醇,但还是明显优于富勒酸Gd@C 60[C (COOH )2]10,笼外修饰的羧基还可以作为前驱体进一步功能化,得到具有组织靶向性的分子影像探针㊂Shu 等[59]利用Gd@C 82O 6(OH )~16(NHCH 2CH 2COOH )~8的羧基与绿色荧光蛋白抗体的氨基残基反应得到偶联物,通过单分子水平检测绿色荧光蛋白分子同抗体或偶联物作用后的荧光强度,确定了绿色荧光蛋白抗体的偶联率,为实现肿瘤的靶向性检测做出了有意义的探索(图4)㊂Shu 等[60]还通过改进的Bingel 反应,将具有趋骨性的磷酯基直接修饰到Gd@C 82上,得到在骨疾病诊断中具有潜在靶向性检测功能的Gd@C 82O ~2(OH )~16(C (PO 3Et 2)2)~10㊂体外水质子弛豫率的测定表明,其造影效率是临床使用Gd -DTPA 的近20倍,是一种高效的磁性分子影像探针㊂上述修饰方法引入的羟基数量有限,提高羟基数量将有效改善钆基富勒烯分子影像探针的灵敏度㊂Fatouros 等[61]合成了聚乙二醇(PEG )修饰的多羟基水溶性Gd 3N @C 80分子影像探针Gd 3N @C 80[DiPEG5000(OH )x ],弛豫效率为商用试剂钆双胺(Gadodiamide )的30倍以上(143(mmol/L )-1s -1v s.4(mmol/L )-1s -1,2.4T ),是一种非常灵敏的MRI 分子影像探针㊂Zhang 等[62]通过改变聚乙二醇链的分子量(350~5000Da ),得到了一系列聚乙二醇修饰的多羟基水溶性Gd 3N@C 80衍生物,他们发现衍生物的弛豫效率与PEG 链长的大小密切相关,当PEG 的分子量为350时,弛豫效率最高,r 1与r 2可以达到237和460(mmol/L )-1s -1(2.4T ),这也是目前报道的弛豫效率最高的纵向弛豫造影剂㊂Shu 等[63]发展了衍生化的方法,通过Gd 3N@C 80与丁二酸酐过氧化物反应得到了含有羟基和羧基的Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16,其r 1和r 2分别达到207和282(mmol/L )-1s -1(2.4T ),是临床造影0161 分析化学第40卷图4 GFP -抗体-钆基富勒烯分子影像探针的构筑[59]Fig .4 Conjugation reaction of carboxylated gadofullerene aggregates with antibod -ies to produce specific targeting diagnostic agent [59]剂Gd -DTPA -BMA 的50倍(4.1(mmol/L )-1s -1)㊂值得注意的是,通过自由基反应在碳笼表面引入的羟基较多,所以保持很高的弛豫效率,这与单金属内嵌富勒烯通过氨基酸反应得到的类似物性能不同㊂此外,引入的羧基已证明可以与生物活性分子或其它分子影像探针进一步反应,实现靶向的荧光/磁[64]和核素/磁双模态分子影像探针[65,66]的构筑㊂研究结果表明,碳笼表面修饰的羟基促进了钆基富勒烯衍生物的聚集,提高了水/质子交换速率,对提高钆基富勒烯分子影像探针的弛豫效率起关键作用;另一方面,羧基等基团的引入虽然会降低弛豫效率,但是对进一步的功能修饰十分重要㊂因此,如何优化引入的羟基和羧基比例,使其在保持MRI 造影高效性的同时还具有良好的生物相容性和稳定性是设计钆基富勒烯分子影像探针亟待解决的问题㊂2.3 钆基富勒烯分子影像探针的细胞水平及动物体内外可视化传统的钆基螯合物造影剂弛豫效率较低,除了Primovist 和Multihance 具有部分肝脏特异性外,其它造影剂都是细胞间质造影剂,只能在体内被动累积,且快速通过肾脏代谢排出体外,很难应用于细胞及亚细胞水平的检测㊂钆基富勒烯分子影像探针由于在生物体系中聚集成纳米颗粒,可以通过胞吞作用被细胞摄取,因而使得细胞水平上的MRI 成像成为可能㊂Anderson 等[67]使用Gd@C 82(OH )x 与细胞间质干细胞孵育,在转染试剂硫酸鱼精蛋白的作用下首次实现Gd@C 82(OH )x 的细胞MRI 标记,并且在T 1加权像中可见明显的信号增强,克服了传统Gd 螯合物造影剂的缺陷㊂Sitharaman 等[68]将Gd@C 60[C (COOH )2]10直接用于细胞MRI 标记,发现其标记效率高达98%~100%,Gd@C 60[C (COOH )2]10标记的细胞T 1w 成像信号有250%的增强㊂与羟基化的钆富勒醇不同,Gd@C 60[C (COOH )2]10进行标记时更容易被细胞所摄取,无需使用转染试剂,也表明笼外修饰手段的不同可直接影响细胞的摄取率,从而实现特异组织的选择性造影㊂钆基富勒烯分子影像探针易被细胞摄取和较长的动物体内循环性,使其可以更好地在肿瘤部位富集,因此在活体水平上的成像效果比钆基螯合物造影剂具有更明显的优势㊂Mikawa 等[43]发现剂量为5mmol Gd/kg 的Gd@C 82(OH )40对肝,脾和肾脏有良好的造影效果,且用量只有Gd -DTPA 的1/20㊂动物体内分布实验表明,Gd@C 82(OH )40容易被内皮网状组织摄取,这与Ho 富勒醇的动物体内分布[69]相似,说明碳笼表面修饰的羟基对动物体内的分布起关键作用㊂与之相反,Bolskar 等[36]报道的富勒酸Gd@C 60[C (COOH )2]10则是一种非内皮网状组织造影剂,这种区别源于它们不同的聚集尺寸,大尺寸的Gd 富勒醇聚集体更容易被内皮网状组织摄取㊂Shu 等[63]报道的Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16分子影像探针具有更为持久的造影效果㊂将36mL 0.0475mmol/L 造影剂直接注射到嫁接T9肿瘤的小鼠脑部,MRI 成像结果表明,在如此低的剂量下1161第10期郑俊鹏等:钆基富勒烯磁共振成像分子影像探针的研究进展可以得到很好的造影效果,并且在注射7d 后依然能观察到肿瘤部位的信号增强,说明其可能更容易被细胞摄取,从而延长代谢时间㊂定量的扩散速率实验表明,Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16在琼脂凝胶中扩散时间是商用试剂Gd -DTPA -BMA 的40~50倍,与荷瘤鼠的成像一致,说明Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16是一种长效㊁灵敏的磁性分子影像探针㊂Fillmore 等[64]使用Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16进一步与标记荧光染料的IL -13多肽偶联,得到了靶向IL -13受体过表达肿瘤细胞的磁/荧光双模态靶向探针,并且在细胞水平定量测定了细胞摄取率㊂结果显示,IL -13受体过表达脑胶质瘤U87MG 细胞对Gd 3N@C 80(OH )26(CH 2CH 2COOM )16本体摄取量为13.6pmol ,而对靶向探针摄取量可达882.3pmol ㊂对脑部嫁接U87MG 肿瘤的荷瘤鼠直接灌注新型分子影像探针,结果表明:注射商用试剂Omniscan 后肿瘤部位只有微弱的信号增强,12h 后信号就完全消失;而注射靶向探针后,肿瘤部位信号明显增强,并且在24h 后依然可见,同时通过共聚焦荧光成像也可在相同位置清楚地观察到肿瘤㊂Zheng 等[70]制备了水溶性钆基富勒烯衍生物Gd@C 82(OH )24(COOM )22,并将其与荧光染料与肿瘤靶向分子叶酸偶联,得到靶向叶酸受体过表达肿瘤细胞的双模态分子影像探针,并通过荧光成像与细胞透射电镜观察到这种靶向探针对HeLa 细胞具有良好的靶向性㊂图5 用Gd 3N@C 80构筑靶向双模态分子影像探针的示意图[63]Fig .5 Schematic process of Gd 3N@C 80functionalization and conjugation [63]The first step involves the addition of carboxyl groups for conjugation and hydroxyl groups for MRIcontrast,both groups provide aqueous colloidal stability.The second step links the Gd 3N@C 80moleculesto the fluorescent -tagged glioma -targeting peptide through amide bond formation.通过对比各类Gd 基富勒烯的磁性分子影像探针,可以看到不同修饰方法得到的钆基内嵌金属富勒烯分子影像探针在造影性能上具有很大差异㊂羟基化修饰的钆富勒醇由于形成较大的聚集体,是一种良好的内皮网状组织造影剂,并且可以用于细胞水平的标记成像㊂羧基化的Gd@C 82和Gd@C 60由于聚集尺寸和羟基数的减小,表现为非内皮网状组织特异性造影,羧基的引入还为进一步偶联生物活性分子或其它分子影像探针㊁构筑多功能靶向分子影像探针提供了一个全新的平台㊂而基于Gd 3N@C 80多官能团修饰的MRI 分子影像探针在保留了前两者优点的同时,还显示了更高的灵敏度,将在长期跟踪诊断方面表现出更大的优势,更适合用来构筑高灵敏度的多功能靶向分子影像探针,在细胞和活体水平上实现磁/荧光的肿瘤靶向成像㊂3 展 望钆内嵌金属富勒烯作为解离常数为零的稳定MRI 分子影像探针,造影效率远高于商用钆螯合物造影剂,但是其造影效率受笼内团簇和笼外修饰手段的影响很大,因此,发展新型衍生化方法,得到具有准确2161 分析化学第40卷结构式的高效低毒和组织靶向性的分子影像探针意义深远㊂更重要的是,通过合适的修饰方法可使外包碳笼兼具纳米载体的功能,与其它靶向分子或分子影像探针如荧光/核素等偶联,得到优势互补的靶向双模或多模态分子影像探针,实现肿瘤的早期精准检测或诊疗一体化㊂但是,对于进一步的临床前实验,基于Gd 内嵌金属富勒烯的分子影像探针尚存如下不足:(1)目前,钆基金属富勒烯只能通过电弧放电法制备并且主要依靠高效液相色谱进行纯化,因此产量很低,限制了其广泛深入的研究㊂因此,利用金属富勒烯与富勒烯在氧化还原性质和溶解性上的差异,发展无需色谱分离制备钆基富勒烯的方法,真正实现量产意义重大㊂(2)大部分基于Gd 内嵌金属富勒烯的分子影像探针并不能得到准确的分子结构,使其作为临床药物使用受到限制,而一些得到准确分子结构的衍生物造影效率明显下降㊂因此,制备高效㊁多模且具有准确分子结构的影像探针是下一阶段研究工作的热点和难点㊂目前,研究工作仍处于体外实验阶段,动物体内实验阶段性进展虽然显示出良好的效果,但是其长期的生物毒性还有待进一步评价㊂R e f e r e n c e 1 W e i s s l e d e rR.R a d i o l o g y ,1999,212(3):609-6142 L o u i eA.C h e m .R e v .,2010,110(5):3146-31953 K i mJ ,P i a oY ,H y e o nT.C h e m .S o c .R e v .,2009,38(2):372-3904 K i m C H ,F a v a z z aC ,W a n g L H V.C h e m .R e v .,2010,110(5):2756-27825 C h e n g L ,Y a n g K ,L iY G ,C h e nJH ,W a n g C ,S h a o M W ,L e eST ,L i uZ .A n ge w .C h e m .I n t .E d .,2011,50(32):7385-73906 L i uYL ,A iKL ,L i u JH ,Y u a nQ H ,H eY Y ,L uL H.A n g e w .C h e m .I n t .E d .,2012,51(6):1437-14427 M a n sf i e l dP .A n ge w .C h e m .I n t .E d .,2004,43(41):5456-54648 X I A O Y a n ,WU Y i -J i e ,Z HA N G W e n -J u n ,L IX i a o -J i n g ,P E IF e n g -K u i .C h i n e s e J .A n a l .C h e m .,2011,39(5):757-764肖研,吴亦洁,章文军,李晓晶,裴奉奎.分析化学,2011,39(5):757-7649 L a u f f e rRB .C h e m .R e v .,1987,87(5):901-92710 C a r a v a nP ,E l l i s o n J J ,M c M u r r y ,TJ ,L a u f f e rRB .C h e m .R e v .,1999,99(9):2293-235211 H a m m e r s t i n g R ,H u p p e r t zA ,B r e u e r J ,B a l z e rT ,B l a k e b o r o u g hA ,C a r t e rR ,F u s t eLC ,H e i n z -P e e rG ,J u d m a t e rW ,L a n i a d oM ,M a n f r e d iR M ,M a t h i e uD G ,M u l l e rD ,M o r t e l eK ,R e i m e rP ,R e i s e r M F ,R o b i n s o nPJ ,S h a m s iK ,S t r o t z e rM ,T a u p i t zM ,T o m b a c hB ,V a l e r iG ,V a nB e e r sBE ,V o g lTJ .E u r .R a d i o l .,2008,18(3):457-46712 P i n t a s k eJ ,M a r t i r o s i a nP ,G r a f H ,E r b G ,L o d e m a n n K P ,C l a u s s e nC D ,S c h i c kF .I n v e s t .R a d i o l .,2006,41(3):213-22113 K u oP H ,K a n a l E ,A b u -A l f aA K ,C o w p e r SE .R a d i o l o g y ,2007,242(3):647-64914 J i aQJ ,Z e n g JF ,Q i a oR R ,J i n g L H ,P e n g L ,GuF L ,G a o M Y.J .A m .C h e m .S o c .,2011,133(48):19512-1952315 W uA G ,O uP ,Z e n g LY.N a n o ,2010,5(5):245-27016 H a oR ,X i n g RJ ,X uZC ,H o uYL ,G a oS ,S u nSH.A d v .M a t e r .,2010,22(25):2729-274217 L i uYL ,A iKL ,Y u a nQ H ,L uL H.B i o m a t e r i a l s ,2011,32(4):1185-119218 G a o JH ,G uH W ,X uB .A c c .C h e m .R e s .,2009,42(8):1097-110719 M a r t i n aMS ,F o r t i n J P ,M e n a g e r C ,C l e m e n tO ,B a r r a t tG ,G r a b i e l l e -M a d e l m o n t C ,G a z e a uF ,C a b u i lV ,L e s i e u r S .J .A m .C h e m .S o c .,2005,127(30):10676-1068520 T o r c h i l i nVP .P h a r m a .R e v .,2007,24(1):1-1621 T a g m a t a r c h i sN ,S h i n o h a r aH.M i n i R e v .M e d .C h e m .,2001,1(10):339-34822 S i t h a r a m a nB ,W i l s o nLJ .J .B i o m e d .N a n o t e c h n o l .,2007,3(4):342-35223 B o l s k a rR.N a n o m e d i c i n e ,2008,3(2):201-21324 C h a u rM N ,M e l i nF ,O r t i zAL ,E c h e g o y e nL .A n ge w .C h e m .I n t .E d .,2009,48(41):7514-753825 H e a t hJR ,O ᶄB r i e nSC ,Z h a n g Q ,L i u Y ,C u r lR F ,T i t t e lF K ,S m a l l e y R E .J .A m .C h e m .S o c .,1985,107(25):7779-778026 W a n g C R ,T a n K ,T o m i y a m aT ,Y o s h i d aT ,K o b a ya s h iY ,N i s h ib o r i ,E ,T a k a t a M ,S h i n o h a r a H.N a t u r e ,3161第10期郑俊鹏等:钆基富勒烯磁共振成像分子影像探针的研究进展。

Gd@C82（OH）16的合成及其核磁共振成像第24卷第1期2007年1月应用化学CHINESEJOURNALOFAPPUEDCHEMIYV01.24No.1Jan.2007Gd@C82(OH)16的合成及其核磁共振成像刘凯敏.张钧'邢更妹赵宇亮(.北京理工大学生命科学与技术学院北京100081;中国科学院高能物理研究所核分析室北京looo49)摘要采用电弧放电法合成和HPLC2步分离法,得到了纯度为95%以上的Gd@C 虹.以四丁基氢氧化铵(TBAH)为催化剂,用NaOH溶液对Gd@Cg2进行羟基衍生化,并利用同步辐射XPS分析其C确定Gd@C虹羟基化产物的羟基数,得到水溶性的Gd@C(OH)对Gd@C虹(OH).进行了体外弛豫率及体内的核磁共振成像研究.结果表明,与(NMG).Gd.DTPA相比,在相同Gd浓度下,Gd@c虹(ou).的质子弛豫率R.提高约3倍,提高约7倍.体内核磁成像结果也显示,Gd@C.(OH).提高了核磁成像对比的效果,其信号在2h内维持稳定.说明Gd@C.(OH)在作为磁共振增强剂方面具有较大的潜力.关键词金属富勒烯,Gd@C(OH)弛豫率,造影剂中图分类号:0534;R981文献标识码:A文章编号:1000-0518(2007)01-0090-05富勒烯类物质自发现以来….就因其特殊的物理化学性质而引起了科学家的高度兴趣,并对其生物及医药应用进行了大量研究[2].金属富勒烯是将金属原子内包在富勒烯球笼内的一种新型分子[3].目前,关于金属富勒烯的研究大多集中于各种元素的金属富勒烯的合成,分离和纯化[4],对金属富勒烯及其衍生物的生物效应的研究报道仅见于MRI对比剂[5圳,抗肿瘤[93和放射性药物[1...临床应用的磁共振成像(MRI)对比剂主要是一种由高顺磁性金属元素与配体形成的螯合物,如Gd.DTPA,但金属螯合物类对比剂也有一些不足之处:一是Gd.被配体螯合后,弛豫能力下降[1¨;二是组织特异性较差;三是在一些条件下螯合物解离释放出Gd.产生毒性[1,B].另外,对一些体积极小的组织甚至单个细胞,则需要驰豫能力更强的造影剂.金属富勒烯Gd@C救的特殊结构和性质为解决这一问题提供了希望_5].在Gd@C救中,Gd被碳笼保护,不会对周围组织产生毒性.同时碳笼可以进行不同的功能化,增加其导向性.本文合成并衍生化得到Gd@C救(OH)并对其质子弛豫能力进行了体外和体内研究.1实验部分1.1仪器和试剂碳纳米合成装置(中国科学院高能物理研究所核分析室);LC908.C60型高效液相色谱仪(HPLC,JapanAnalyticalIndustryCo.);飞行时间质谱仪MAL1)I-TOF.MASSSpectrum(MADLI-TOF.MS,Autonex,BrukerCo.,Germany);TherrrloElementalX7型电感偶合等离子体质谱仪(ICP.MS,美国热电公司);x射线光电子能谱仪(中国科学院高能物理研究所,北京同步辐射光电子能谱站);磁共振成像波谱仪(4.7T/30cmBrukerBiospecscannerequipped;BrukeCop.);葡聚糖凝胶SephadexG-25层析柱(2cm×120cm);Ⅳ,N.二甲基甲酰胺(DMF),甲苯,四丁基氢氧化铵(TBAH),乌拉坦均为分析纯试剂;质量分数为5O%的NaOH溶液.1.2Gd@C犯的合成将高纯石墨(99.99%)与GdO(按原子比Gd:C=1:lOO)充分混合,加入粘合剂酚醛树酯,压模成型,在XL.1600oC高温炉中进行烧结,烧好的石墨棒在直流电弧放电装置上放电合成Gd@C跎.放电条件为He气压力200Torr,电流140A.放电结束后,收集碳灰,在反应釜中用DMF高温高压反复提取7次,合并提取液,蒸去DMF,甲苯重溶得到粗提物.分2步对HPLC分离纯化,即粗提物第1步在5PBB柱上分离,目标物质(Gd@C敌)流分,第2步在Buehypreper柱上分离,并用质谱MALDI.TOF.MS对目标20o6l-23收稿,20o67-23修回通讯联系人:张钧,男,博士,副教授;E-mail:****************.ca;研究方向:富勒烯类物质的生物学应用第1期刘凯敏等:Gd@C82(OH).的合成及其核磁共振成像91产物进行表征.1.3Gd@C82(OH)的合成将Gd@C.的甲苯溶液(Gd@C>99%)与质量分数为50%NaOH水溶液混合,以10%四丁基氢氧化铵(TBAH)为催化剂,室温下搅拌,得棕色沉淀.沉淀水溶后利用SephadexG-25层析柱分离最终得到目标产物Gd@C82(OH),用质谱MALDI.TOF—Ms,IR进行表征,ICP.Ms测定Gd@c82(OH)中Gd的含量.x射线光电子能谱分析其C∽确定Gd@C.(OH)中OH的数目,具体方法是:将Gd@C(OH)样品滴到高纯铂金靶上,制成一薄层膜,然后将靶送入x射线光电子能谱分析室(背景真空度约8×10一.Tort.测量真空度约l×10Tort)进行扫描.以hv=40O.0eV同步辐射光作为激发源.1.4弛豫率.,的测定将不同浓度的Gd@C82(OH)(NMG)一Gd—DTPA水溶液以及去离子水装入核磁管,密封,然后放入4.7T磁共振成像系统的磁体内,进行扫描成像并测量,.根据公式(1/渊)=(1/L)+ R[C](=1,2),(糊为不同浓度时样品的弛豫时间,为无样品时水的弛豫时间,[C]为对应于弛豫率的样品浓度),计算出Gd@C(OH).和(NMG):一Gd—DTPA在4.7T的质子弛豫率R,,R:(mmol～?L?S).1.5动物试验昆明系小鼠腹腔注射20%乌拉坦(1.3g/kg)麻醉后,尾静脉注入剂量相当于6.5IJ.molGd/kg体重的Gd@C.(OH).样品,随即用磁共振成像波谱仪扫描成像.2结果与讨论2.1产物合成和表征图1是用2步HPLC法从粗提物中分离纯化Gd@C82的色谱图.电弧放电合成的混合物经二甲基甲酰胺(DMF)提取,甲苯重溶,将粗提物首先用5PBB柱进行分离.从图谱可以看出,Gd@C82在粗提物中有较高的含量,说明合成和提取条件比较理想.取5PBB柱上Gd@Ca2的流分再用Buchypreper柱进行第2步分离,得到较纯的Gd@C.Retentiontime/minRetentiontime/min图1粗提物提取液第1步在5PBB柱上(o)和目标物质(Gd@C82)峰流分进一步在Buehypreper柱上(6)分离的色谱Fig.1HPLCof(a)crudeextractsOil5PBBcolumninthefirststepand(b)theehdecontainGd@C82onBuehyprepercolumninthesecondstep图2为分离纯化后的Gd@C82和羟基化后的Gd@c(OH)的质谱图.图中结果表明,得到了较纯的产物.图3为Gd@C.(OH)的IR光谱图.图中可见,其中较宽的3406cm的峰属于OH的伸缩振动,1588cm的峰属于C—C的伸缩振动,由于在反应物中没有其它含碳的物质,这一振动峰明显是属于碳笼的.1416cm峰属于OH的弯曲振动,1081cm属于C—O伸缩振动.没有其它官能团的振动形式存在.说明样品为金属富勒烯的多羟基衍生物.应用化学第24卷m/z(OH)l6(b)的MALDI—TOF-MS图谱Fig.2MALDI-TOF?MSof(a)Gd@C82and(b)Gd@C82(OH)I6图3Gd@C82(oH)l6的IR光增图图4Gd@C82(OH>.6的C.,同步辐射XPS谱图Fig.3IRspectrumofGd@C82(OH)I6Fig.4CI|XPSofGd@C82(OH)l6图4为Gd@C.:(OH)的x射线光电子能谱图.通过计算XPS峰中非功能化碳原子和羟基化碳原子(,c.c和,c_o)的相对强度,可以计算出Gd@C.:(OH)的羟基数为16,即Gd@C82(OH)..*********(OH)l6的弛豫率足l,足2对弛豫率.,的检测表明(表1),Gd@C(OH),具有很强的质子弛豫率,并且其弛豫能力明显高于(NMG)2一Gd—DTPA.与(NMG)2-Gd—DTPA相比,Gd@C82(OH).6的l提高约3倍,2提高约7倍,因此Gd@C舱(OH)有望作为一种良好的磁共振成像(MRI)造影剂.表1Gd@C啦(OH)l'和(NMG)2-Gd-DTPA质子弛豫率Rl,R2[(mmol/L}I1s-1】Table1Protonrelaxitivities(Rl,R2)ofGd@C犯(OH)l6and(NMG)2-Gd-DTIPA本实验中Gd@C82(OH),6的弛豫率,为19.3,为44.9;而在Shinohara[8]的实验结果中,Gd@C跎(OH)加的弛豫率R,为31,R:为131.这种差异主要是由羟基数目的不同引起的(表1).Gd较大的顺磁性可以通过碳笼上的羟基与周围水分子的相互作用得到传递和放大,羟基数目越多越有利于溶液中水分子进行快速的交换,从而将Gd的弛豫影响通过碳笼传递出来.2.3体内核磁成像图5为Gd@C82(OH),在小鼠体内的核磁成像图.在实验中Gd@C船(OH)的剂量相当于6.5p~molGd/kg,仅为临床应用的Gd.DTPA剂量(100p~,nolGd/kg)的1/15左右,但其被静脉注射人小8IIB11一g∞_￡_第l期刘凯敏等:Gd@Cs2(OH).的合成及其核磁共振成像鼠体内后,肝脏,肾脏是其主要分布器官,两肾的信号明显增强,肾脏比肝脏的信号强度大,且在肾里滞留时间较长(>2h)(图6),这符合信号稳定时间长的临床MRI要求.Shinohara等的实验表明,Gd@C舱(OH)柏主要分布在肺,肝脏,脾脏等器官,二者不同的主要原因可能是羟基数目的不同.Wilson等[H的研究结果表明,Gd@C砷(OH)在水溶液中是以团聚形式存在的,pH值在4～9范围内,Gd@C∞(OH)的粒径约50～1200nm,且随着pH值减小,粒径呈增大的趋势.由于羟基数目越多分子间的相互排斥力越强,因此Gd@C跎(OH)加比Gd@C跎(OH).的聚集粒径要小一些,而分子粒径的大小是影响其体内分布的重要因素之一.直径<100nm的粒子完全可以被肝部丰富的网状内皮组织以吞饮的形式吞噬进入肝脏,它甚至能够穿过肝脏内皮或通过淋巴传输到脾和骨髓以及肿瘤组织.因此Gd@C救(OH)柏更容易分布于肝脏等处,而Gd@C跎(OH).则更易于停留在肾脏部位.另外动物体内肝脏,肺组织的pH值与血液相近,pH值在7.35～7.45(中性)之间;而肾脏是尿液形成的场所,尿液中含有尿酸,因此肾脏的pH值在5.5～6.0之间,呈酸性,于是可以推断在肾脏部位Gd@C.:(OH).的聚集粒径要比肺,肝脏大,根据Solomon-Bloembergen.Moran方程,粒径越大,旋转相关时间越长,弛豫率越高,因此两肾的信号强度要比肝脏大.由于肾小球的滤过作用对于较大的粒子Gd@C跎(OH).在肾部的排泄较缓慢,停留时间较长,从而有利于信号的稳定.图5Gd@CB2(OH).在小鼠体内的核磁成像图,示其器官选择性分布Fig.5MRIphotographsofGd@C驼(OH)I6in miceanditsspecificdistributionamongtheorgans1.beforeadministration;2.afteradministrationofGd@C82(OH)I6ThedoseofGd@CB2(OH)I6(6.5p.molGd/kg)isonlyabout1/15ofthecurrentclinicaldoseofGd-DTPA(100pxaolGd/kg))Scantime/mm图6使用造影剂Gd@C驼(OH)I(6.5p.molGd/kg)前后小鼠肾脏,肝脏MBI信号强度变化Fig.6ChangeofMRIsignalsinkidneyandliverof micebeforeandafterinjectingofGd@C驼(OH)I6●standsfortheslgn~ofleftkidney;ostandsforthesign~offightkidney;口standsforthesignalsofliver上述结果表明,金属富勒烯水溶性衍生物Gd@C跎(OH).具有很强的质子弛豫能力,且信号稳定,体内分布具有一定选择性,有望成为新一代的磁共振造影剂.参考文献lKrotoHM,HeathJR,OBrienSC,CurlRF,SmalleyRE.Nature[J],1985,318:1622TaylorR.WaltonDRM.Nature[J】,1993,363:6853BethuneDS.JohnsonRD,SalemJR,VriesMS,Y annoniCS.Nature[J],1993,366(11):123 4ShinoharaH.RepPmgPhys[J],2000,63:8435E.B01skaRD.BorelA,GonzrlezG,HelmL,MerbachAE,SitharamanB,WilsonLJ.JAmCh emSoc[J],2005,127:7996LUxing(卢兴),xuJian.Xun(徐建勋),SHIZu.Jin(施祖进),SUNBao.Yun(孙宝云),GuZhen?Nan(顾镇南),LIUHong.Dong(刘洪东),HANHong.Bin(韩鸿宾).ChemJChineseUniv(高等学校化学)[J],2004,25:6977B01skarRD.BenedettoAF,HusebeL,PriceRE,JacksonEF,WallaceS,WilsonLJ,AlfordJ M.JAmChemSDc[JJ,应用化学第24卷2003,125:5471?8MikawaM,KatoH,OkumuraM,NarazakiM,Kalla~awaK,MiwaN,ShinoharaH.Bioconj ugateChem[J],2001,12:5109ChenCY,XingGM,WangJX,ZhaoYL,LiB,TangJ,JiaG,WangTC,SunJ,XingL,YuanH,G aoYX,MengH,ChenZ,ZahoF,ChaiZF,FangXH.NanoLett[J],2005,5(1O):205010C嘲eDW,KennySJ,MirzadehS,AlforJM,WilsonLJ.ProcNatlAcadSciUSA[J],1999,96:5182 11HUANGJi.Ying(黄继英),HANGXing.Yuan(梁星源).PrincipleofMagneticResonanceImaging(共振成像原理)[M].Xian(西安):ShanxiScienceandTechnologyPress(陕西科学技术出版社),1998:150 12FrananoFN,EdwardsWB,WelchMJ,BrechbielMW,GansowOA,DuncanJR.MagnRes ontmaging[J],1995,13:2Ol13WedekingP,KumarK,TweedleMF.MagnResontm~ging[J],1992,10:64l14SitharamanB,BolskarRD,RusakovaI,WilsonLJ.NanoLeu[J],2004,12(4):2373 SynthesisandUsageofGd@C82(OH)l6asMRIContrastAgentHUKai.Min.,ZHANGJun.,',XINGGeng.Mei,ZHAOYu.Liang'(.SchoolofLifeScienceandTechnology,&ngInstituteofTechnology,Beijing100081; LaboratoryofNuclearAnalysisTechniques,InstituteofHighEnergyPhysics,ChineseAcademyofScience,Beijing100049) AbstractMetaUofullereneGd@C82wassynthesizedv/aelectricarcmethodandseparatedb ytwo'stepHPLCwith95%purity,anditsderivativeGd@C82(OH)wassynthesizedbythereactionofGd@C3 2withNaOHcatalyzedbytetrabutylammoniumhydroxide(TBAH).ThehydroxylnumberofGd@C82( OH),wasdeterminedbyXPSonitsCl,spectrumandthecompoundwasassignedasGd@C82(OH)l6.Theprotonrel ativityandMRIphotographsofGd@C82(OH)l6wereevaluatedinvitroandinvivoonaBroker4.7T/30c mBiospecmagneticresonanceimagingscanner.ResultsshowthatGd@C82(OH)l6hasahighprotonre laxivityvitro,evenhigherthanthatof(NMG)2-Gd-DTPA,whichisthemostpopularlyusedMRIcontrastag entclinically.Comparedtothatof(NMG)2-Gd-DTPA,relaxitivityRlofGd@C82(OH)l6increased3time s,relaxitivityR2increased7times./nv/voexperimentsfoundGd@C82(OH)l6helpedtogeneratehighquality MPdphoto-graphs.Thebio-distributionresultsindicatethatGd@C82(OH)l6tendstobeentrappedinthe liverandkidneyandremainedintheseorgansforabout2hours.Theseresultsindicatethatthemetallofu llerenederiva-fiveGd@C82(OH)l6mightbethepotentialcandidateasanewMPdcontrastagent. Keywordsmetallofullerene,Gd@G82(OH)l6,relaxivity,MRIcontrastagent。

富勒烯类材料的合成及其电子输运性能调控富勒烯类材料是一类独特的碳化合物，由碳原子构成，具有球状结构。

富勒烯类材料在材料科学领域具有广泛的应用前景，尤其在电子器件和储能领域有着重要的作用。

本文将探讨富勒烯类材料的合成方法以及如何调控其电子输运性能。

富勒烯类材料的合成方法多种多样，其中最常用的方法是电弧放电法和热解法。

电弧放电法是通过在惰性气体环境中进行电弧放电，使碳原子逐渐重新排列形成富勒烯结构。

这种方法具有简单、易于操作的特点，可以得到高纯度的富勒烯材料。

热解法是将适当的碳源加热至高温，利用碳源分解生成富勒烯结构。

这种方法因操作简单、成本低廉而备受关注。

随着研究的深入，人们发现通过调控合成参数可以控制富勒烯类材料的形貌和结构。

例如，在电弧放电法中，可以通过调节惰性气体的压力和合成温度来控制富勒烯类材料的尺寸和分布。

热解法中，调节碳源的种类和加热速率也可以影响富勒烯类材料的合成结果。

因此，合理选择合成方法和调控参数是实现富勒烯类材料定向合成至关重要。

富勒烯类材料的电子输运性能对其在电子器件中的应用至关重要。

传统的富勒烯类材料常常具有低载流子迁移率和高电阻率的特点，限制了其在电子器件中的应用。

为了解决这一问题，人们提出了一系列的方法用于调控富勒烯类材料的电子输运性能。

一种常见的方法是通过合成功能化富勒烯类材料来改善其电子输运性能。

功能化富勒烯类材料通过在富勒烯结构上引入不同的官能团，改变了其电子结构和能带特性，从而提高了载流子迁移率和导电性能。

例如，将富勒烯类材料与导电聚合物复合可以形成导电网络，提高了材料的导电性能。

除了功能化富勒烯类材料外，人们还尝试通过合成富勒烯类材料的衍生物来改善其电子输运性能。

富勒烯类材料的衍生物具有独特的物理化学性质，可以通过结构调控实现对电子输运性能的调节。

例如，将富勒烯结构上的一个碳原子替换为硫原子可以增强材料的导电性能。

此外，通过在富勒烯类材料的结构中引入不同的官能团，可以调节材料的能带结构和分子间相互作用，从而改善其电子输运性能。

《金属富勒烯多氨基加成衍生物的合成研究》篇一一、引言金属富勒烯作为一种重要的纳米材料，因其独特的物理和化学性质，在材料科学、生物医学以及能源科学等领域中具有广泛的应用前景。

近年来，金属富勒烯多氨基加成衍生物因其具有更多的功能性和应用潜力，成为了研究的热点。

本文旨在探讨金属富勒烯多氨基加成衍生物的合成方法及其性能研究，为进一步的应用开发提供理论支持。

二、文献综述金属富勒烯的合成及其性质研究已有一定的历史。

早期的研究主要集中在富勒烯本身的性质及其与金属的相互作用上。

随着研究的深入，人们发现通过引入氨基等官能团，可以进一步拓展金属富勒烯的应用范围。

多氨基加成衍生物的合成，不仅可以增强金属富勒烯的溶解性，还可以引入更多的反应活性点，从而拓宽其应用领域。

目前，关于金属富勒烯多氨基加成衍生物的合成方法主要有两种：一种是直接在富勒烯上引入氨基，然后与金属进行配位；另一种是先在富勒烯上引入活性基团，再通过多氨基化合物进行加成反应。

这两种方法各有优缺点，前者操作简便，但可能影响富勒烯本身的性质；后者可以更精确地控制氨基的数量和位置，但操作较为复杂。

三、实验方法本文采用第二种方法，即先在富勒烯上引入活性基团，再通过多氨基化合物进行加成反应，合成金属富勒烯多氨基加成衍生物。

具体步骤如下：1. 富勒烯的活化：采用适当的氧化剂对富勒烯进行活化，引入活性基团。

2. 多氨基化合物的制备：选择合适的氨基化合物，通过化学反应制备多氨基化合物。

3. 加成反应：将活化后的富勒烯与多氨基化合物在适当的溶剂中进行加成反应，生成金属富勒烯多氨基加成衍生物。

4. 产物表征：通过红外光谱、核磁共振等手段对产物进行表征，确认其结构和性质。

四、实验结果与讨论1. 产物表征：通过红外光谱、核磁共振等手段对合成得到的金属富勒烯多氨基加成衍生物进行表征，确认其结构和性质。

结果表明，产物中成功引入了氨基基团，且与金属成功配位。

2. 影响因素分析：考察了反应温度、反应时间、溶剂种类等因素对产物产率和性质的影响。

氢原子在Cu，Pt（100），（111），（110）面上的吸附扩散势能面结构的研究张文霞;阎福江;张积树;王泽新【期刊名称】《青岛化工学院学报：自然科学版》【年(卷),期】1996(17)2【摘要】构成了Ｈ－ＣＵ，Ｈ－Ｐｔ相互作用的５参数Ｍｏｒｓｅ势，用经典的对势方法研究了氢原子在Ｃｕ（１００），ＣＵ（１１１），ＣＵ（１１０），Ｐｔ（１００），Ｐｔ（１１１），Ｐｔ（１１０）面上的吸附和扩散，得到了氢原子在６个表面上的吸附位、吸附几何、键能及本征振动等数据和实验结果附和得很好。

同时系统地研究了６个体系的吸附扩散势能面结构。

此外，还重点研究了氢原子在ＣＵ（１００）、Ｐｔ（１１１）两体系的吸附态之间经过渡态扩散的活化能，扩散系数及隧道效应对扩散系数的影响，这些工作都基本上达到预期的结果，证实了所采用的方法的可行性。

【总页数】10页(P110-119)【关键词】表面吸附;表面扩散;氢原子;铜;铂;吸附【作者】张文霞;阎福江;张积树;王泽新【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】O647.32【相关文献】1.CH3O在Cu（111）面和Pt（111）面上化学吸附的分子轨道研究 [J], 韩云竹;赵成大2.内嵌金属富勒烯Gd@C82在Cu(111)和Pt(111)表面吸附结构的STM研究 [J], 陈建;秦志辉;卢双赞;曹更玉3.氢原子在Cu,Pt（100）,（111）,（110）面上的吸附扩散势能面结… [J], 张文霞;阎福江4.氢原子在Ru(0001)和Ru(10(1)0)面上吸附扩散势能面的结构 [J], 王泽新;张文霞;刁兆玉;李文华;郝策5.氢原子在Ni（100）,Ni（111）和Ni（110）面上吸附扩散势能面的结构 [J], 王泽新;郝策因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

N2O复合物和内包金属富勒烯Tm@C82的理论研究的开题报告一、研究背景与意义氧化亚氮（N2O）是一种重要的生物和工业废气，它是臭氧层破坏的元凶之一。

因此，减少N2O的排放已成为环保领域的重要课题。

另一方面，富勒烯及其复合物在材料科学和纳米技术等领域也有广泛的应用前景，研究富勒烯复合物对于深入了解其性质和应用具有重要意义。

本研究将通过理论计算方法研究N2O分子和富勒烯复合物Tm@C82之间的相互作用和结构特征，探究N2O分子在富勒烯表面吸附的机制和行为，以及内包金属对富勒烯及其复合物性质的影响，为富勒烯复合材料的应用提供理论依据和指导。

二、研究内容和技术路线1. 理论计算方法的选择本研究将采用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）模拟等计算方法，研究N2O分子和富勒烯复合物Tm@C82之间的相互作用和结构特征。

2. N2O分子在富勒烯表面吸附的机制和行为通过DFT计算N2O分子在不同位置的吸附能和特征振动频率，确定其最稳定的吸附位置，探究吸附机制和行为。

3. 内包金属对富勒烯及其复合物性质的影响通过DFT计算不同内包金属元素的Tm@C82的电子结构和稳定性，研究内包金属元素对富勒烯复合物性质的影响。

4. 富勒烯复合物的结构特征和物理性质通过MD模拟研究富勒烯复合物的结构特征和物理性质，探究其应用前景和性能。

三、预期结果和创新点1. 确定N2O分子在富勒烯表面的最稳定吸附位置和吸附机制，为富勒烯复合材料应用提供理论指导。

2. 研究内包金属对富勒烯及其复合物性质的影响，揭示内包金属元素对富勒烯复合材料性能的调控作用。

3. 分析富勒烯复合物的结构特征和物理性质，为其在材料科学、纳米技术等领域的应用提供理论依据。

4. 本研究将探索N2O和富勒烯复合物Tm@C82的相互作用和性质，为相应领域的研究提供理论基础和新思路。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710392274.3(22)申请日 2017.05.27(71)申请人 深圳大学地址 518000 广东省深圳市南山区南海大道3688号(72)发明人 黄鹏　陈小元　林静　汪天富　(74)专利代理机构 深圳市鼎言知识产权代理有限公司 44311代理人 张利杰(51)Int.Cl.A61K 51/12(2006.01)A61K 51/06(2006.01)A61K 49/22(2006.01)A61K 49/18(2006.01)A61K 49/12(2006.01)A61K 49/04(2006.01)A61K 9/51(2006.01)A61K 31/7048(2006.01)A61P 35/00(2006.01)A61K 103/00(2006.01)(54)发明名称一种聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子的制备方法及其用途(57)摘要一种聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子的制备方法，其包括如下步骤：将聚多巴胺纳米粒子和水溶性改性金属富勒烯分散于水中，并加入碱性物质以调节溶液的pH值为8-9，以制得聚多巴胺-金属富勒烯纳米粒子溶液；以及将化疗药物及放射性核素加入所述聚多巴胺-金属富勒烯纳米粒子溶液，避光搅拌，以制得聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子。

本发明还提供上述制备方法所制得的聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子及其用途。

本发明制备的聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子具有正电子发射型计算机断层显像/核磁共振成像/光声成像三模式成像，能够有效抑制及杀死肿瘤细胞，且其毒副作用小。

权利要求书1页 说明书7页 附图5页CN 108926721 A 2018.12.04C N 108926721A1.一种聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子的制备方法，其包括如下步骤：将聚多巴胺纳米粒子和水溶性改性金属富勒烯分散于水中，并加入碱性物质以调节溶液的pH值为8-9，以制得聚多巴胺-金属富勒烯纳米粒子溶液；以及将化疗药物及放射性核素加入所述聚多巴胺-金属富勒烯纳米粒子溶液，避光搅拌，以制得聚多巴胺-金属富勒烯载药复合纳米粒子。

富勒烯内包及外接金属配合物的研究进展周蕾鲁晓明*(首都师范大学化学系北京 100037)摘要富勒烯内包及外接金属配合物的研究是近几年来配位化学研究的一个热点，本文综述了近几年来这类配合物的研究进展，并着重介绍了其合成、结构、性能及应用前景。

关键词富勒烯金属配合物内包外接衍生Progress on the Research of Endohedral-fullerene andExohedral-fullerene Derivatives ComplexZhou Lei, Lu Xiaoming*(Department of Chemistry, Capital Normal University, Beijing 100037)Abstract In the past years, a lot of scientists are interested in the field of metallofullerene complex. This paper introduces the synthesis of the metallofullerene complex, and its structure, properties, as well as the potential application.Key words Fullerene, Metallic-complex, Intercalation富勒烯是由碳原子组成的一系列笼形分子的总称，它是除金刚石，石墨外碳元素的另一种同素异形体，人们最早所认识的富勒烯是C60[1]。

富勒烯的发现，使我们了解到一个全新的碳世界。

在C60被发现的短短20年来，它已广泛影响到化学、电子学、光学、磁学及材料科学等各个领域。

在配位化学中，以富勒烯及其衍生物为配体的配合物，其结构新奇美观、性质奇特，并且在医学、电磁、激光、信息和能源等各个领域具有广泛的潜在应用前景，更是受到广大化学家的关注。

收稿:2007年7月,收修改稿:2007年9月　3国家自然科学基金项目(N o.50472022)和黑龙江省教育厅科学技术研究项目(N o.11521064)资助33通讯联系人　e 2mail :chy flian @内嵌金属富勒烯的笼外化学修饰3廉永福133　袁福龙1　郭丽华2　刘美玲1(1.黑龙江大学化学化工与材料学院　哈尔滨150080;2.哈尔滨师范大学理化学院　哈尔滨150080)摘　要　内嵌金属富勒烯以其独特的结构和新奇的性质吸引了众多科学家的目光,对它们进行笼外化学修饰是最近十几年来新兴的研究热点,这对于考察内嵌金属富勒烯的结构及化学物理性质并拓宽其应用范围具有重要意义。

本文将内嵌金属富勒烯与各种底物的不同作用分类,以反应类型为线索,详细概括了已发表的内嵌金属富勒烯的各种笼外化学反应,包括各种环化反应、内嵌金属富勒烯与杯芳烃及冠醚的自组装、单键相连的衍生物、水溶性衍生物以及用内嵌金属富勒烯填充碳纳米管等。

在对各种化学反应阐述的同时,对内嵌金属富勒烯的可能应用也进行了总结,并提出了自己的看法。

关键词　富勒烯　内嵌金属富勒烯　碳纳米管　化学修饰　环化反应中图分类号:O621.12;T B383　文献标识码:A 文章编号:10052281X (2008)0620909209Exohedral Functionalization of E ndohedral MetallofullerenesLian Yongf u133　Yuan Fulong 1　Guo Lihua 2　Liu Meiling1(1.School of Chemistry and Materials Science ,Heilongjiang University ,Harbin 150080,China ;2.Faculty of Physics and Chemistry ,Harbin Normal University ,Harbin 150080,China )Abstract Owning to their unique structures and novel properties ,endohedral metallofullerenes ,i .e .fullerenes with metallic species inside the hollow cage ,have attracted much attention of chemists ,physicists and even biologists.With the rapid im provement of metallofullerenes chemistry ,ex ohedral functionalization is proven to be essential to determine the structure and property of metallofullerenes and to broaden their applications in various fields.Based on the classification of interaction and chemical reaction by nature ,the development of ex ohedral functionalization of metallofullerenes in recent years is com prehensively reviewed ,including cycloaddition reaction ,self 2assembly with crown ethers,singly bonded derivatives ,water 2s oluble derivatives and filling of single 2walled carbon nanotubes ,etc.The potential applications of endohedral metallofullerenes are als o remarked ,and the future prospects for ex ohedral functionalization of metallofullerenes are presented.K ey w ords fullerenes ;endohedral metallofullerenes ;carbon nanotubes ;chemical functionalization ;cycloaddition1　引言 富勒烯[1,2]的碳笼内能够包入各种不同的金属或金属原子簇,形成一类具有特殊结构和性质的化合物,通常被称为内嵌金属富勒烯(endohedralmetallofullerenes,E MFs )[3,4]。