近日，我院宋玉军教授团队在现代物理技术与生物医学工程和化学工程交叉创新领域“规模化制备多模纳米异质结构生物分子影像探针”取得进展。成果以“Multimodal ultra-small CoFe-WOx nanohybrids synthesized by a pilot microfluidic system”为题发表在Chemical Engineering Journal（IF = 16.744，中科院小类1区）期刊上。北京科技大学为第一单位，厦门大学为合作单位。
由于其多功能性和尺寸效应，超小（1-3nm或更小）异质结构纳米材料作为纳米药物前药、生物分子造影剂和可视化分子探针、高效催化剂、超高密度单颗粒信息传感器和处理器等不断获得关注。然而，由于合成效率低和结构不可控，它们的推广和商业化受到限制。为此，本文发展了一个中试微流控制备系统（PMS），成功地合成了超小（2.3±0.7nm）的CoFe-WOx纳米杂化颗粒，其核心为微小的CoFe，外壳为混合金属氧化物（CoWO4-Fe2WO6-WO3）。使用PMS，10条平行管线每天可以生产固含量为2-10公斤的产品，在一定程度上解决了纳米异质结构的低成本规模化可控生产问题。图1所示为成果中规模化制备纳米异质结构的微流控方法、异质结构形成机理和在生物分子影像中的应用的总结。全文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.139355。
图1 利用PMS通过竞争耦合过程合成多模超小CoFe-WOx纳米杂化物。其中具有表面等离子体共振效应的暗场成像功能可用于超分辨可视化离体细胞研究；CT和MRI成像功能可用于高分辨可视化活体动物研究
通过金属核和金属氧化物外壳的异质结构化，其具有独特的微观结构和组成（图2），使其具有独特的磁性和光学性能（图3）。特别是，如图3c，其在近红外辐射的长波段中具有两个强吸收峰：一个在1450纳米，另一个在1980纳米；同时，首次通过暗场显微镜观测到由该类黑色金属和半导体构建的异质结构的强表面等离子体共振散射光影像特征（图3d）。CoFe-WOx具有的多模物理特性赋予其可以作为超小生物分子探针，在生物医学分子影像上具有巨大的应用潜力。例如，可以通过暗场光学显微镜进行光学观察可应用于离体细胞研究（图3d），通过磁共振成像（MRI）功能（图4a）和X射线计算机断层扫描（CT）影像功能（图4b）对各类生物分子的生理功能进行可视化超分辨活体动物研究。另外，CoFe-WOx纳米异质结构也可以近期发展的光热/光动力和磁热/磁动力抗肿瘤疗法用纳米药物前药的原料。图1 利用PMS通过竞争耦合过程合成多模超小CoFe-WOx纳米杂化物。其中具有表面等离子体共振效应的暗场成像功能可用于超分辨可视化离体细胞研究；CT和MRI成像功能可用于高分辨可视化活体动物研究。
本研究得到了国家科技重大专项（2018ZX10301201）、国家自然科学基金国际（地区）合作与交流金砖五国专项（51862245309）和国家自然科学基金面上项目（51971029）以及杭州睿笛生物科技有限公司和郑州天兆医疗科技有限公司的资助。
图2 超小CoFe-WOx纳米异质结构的微观结构和组成表征；（a）形成的CoFe-WOx纳米杂化物的广视角TEM图像；（b）尺寸分布直方图；（c）HR-TEM图像；（d）成分元素的EDS谱图
图3 超小CoFe-WOx纳米异质结构的磁性和光学特性表征。（a）FC-ZFC磁温曲线；（b）磁滞回线；（c）UV-vis-NIR波谱；（d）暗场显微镜观测的局域等离子体共振散射图像
图4 （a）MRI中的T2WI成像功能表征；（b）CT中的分子影像成像功能表征
