1.研究背景
在重大疾病的诊疗过程中，T1加权磁共振成像（T1-weighted magnetic resonance imaging, 简称T1-MRI）技术发挥了不可替代的作用，但是其对正常组织和病灶的分辨能力仍需进一步加强，尤其在疾病的早期阶段。为增强病灶部位与正常组织之间的对比度，40-50%的MRI检查需要使用造影剂。近年来，基于氧化铁纳米颗粒（IONPs）的铁基T1造影剂因良好的生物相容性和优异的弛豫性能受到了广泛关注，被大量应用于MRI诊断和影像学研究中。现有研究指出，将IONPs尺寸减小至5 nm以下的“极小范畴”可显著增大比表面积并弱化磁性，从而表现出较高的T1成像水平；同时，极小尺寸也提升了IONPs的肾清除能力，体现出良好的体内安全性。设计制备5 nm以下的“极小”IONPs已成为获得高效铁基T1造影剂的必要条件。然而，随着尺寸减小，IONPs表面缺陷，尤其是氧空位缺陷变化对T1造影性能的影响变得不可忽视。氧空位所带来的水分子吸附性质、磁耦合以及铁离子价态变化使得IONPs的T1造影机制变得更为复杂。因此，揭示氧空位随IONPs尺寸的变化关系，阐明氧空位对弛豫过程的作用机制，对于进一步创制高性能铁基T1造影剂具有重要意义。
2.文章概述
近日，南京大学顾宁教授团队系统研究了IONPs氧空位密度随尺寸的变化规律及其对T1造影性能的影响。通过X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman Spectra）以及电子顺磁共振谱（EPR）等技术手段测定了不同尺寸IONPs氧空位密度，并发现以下规律：随着颗粒尺寸由13.32 nm降低至4.23 nm，氧空位密度呈现出先升高后降低的趋势，在8.27 nm时出现峰值。结合同步辐射X射线吸收谱（XAS）和第一性原理深入分析，发现IONPs尺寸变化会影响其表面压缩张力以及相变过程，进而导致Fe-O键长和氧空位形成能的变化。MRI测试结果表明，IONPs氧空位的存在能够为水分子提供吸附位点，进而提升铁离子与氢质子间的能量传递效率，有利于T1造影。这一研究为揭示IONPs尺寸与T1造影性能之间的关系提供了新的视角。
文章的第一作者为目前的东南大学博士后，江苏理工学院的左旭东博士。
3.图文导读
图1. IONPs的形貌与晶体结构。a-f：IONPs的TEM和尺寸分布图；g：IONPs尺寸随葡聚糖山梨醇羧甲基醚（PSC）添加量的变化关系；h：XRD图谱；i：HRTEM及其FFT图。
图2. IONPs氧空位及磁学性质分析。a：XPS O1s 图谱；b：XPS Fe2p图谱；c：拉曼光谱； d：EPR图谱；e：基于XPS结果分析得到的氧空位密度变化；f：基于XPS结果分析得到的Fe3+与Fe2+的比例；g：EPR图谱中g=2.003位置的峰强以及拉曼位移随IONPs尺寸的变化关系；h：磁滞回线；i：饱和磁化强度以及磁晶各向异性常数随IONPs尺寸的变化关系。
图3 氧空位形成机制研究。a：Fe K-edge的X射线近边吸收结构谱（XANES）；b：扩展X射线吸收精细结构谱（EXAFS）；c：EXAFS中Fe-O键与Fe-Fe键峰强之比；d：Fe-O键长随IONPs尺寸的变化机制；e：IONPs的氧空位形成能随Fe-O键长的变化关系。
图4. IONPs在7T场强下的T1-MRI造影性能。a：通过H2O2处理调控IONPs氧空位密度；b-c：H2O2处理前后IONPs的T1弛豫性质；d：小鼠脑部在注射IONPs前后的T1成像效果。
论文信息：
Size-Dependent Oxygen Vacancy of Iron Oxide Nanoparticles
Xudong Zuo, Xinyu Wang, Guangxiang Si, Dongmei Zhang, Xiaogang Yu, Zhanhang Guo, Ning Gu*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202400685
点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。
Small
Methods
期刊简介
Wiley旗下Small Methods期刊是创刊于2017年的高水平综合期刊。期刊集中收录有关纳微米尺度材料的实验技术进展，涉及领域包括材料学、生物医药、化学、物理学等合成、表征、应用技术。最新影响因子12.4。
WILEY
MaterialsViews
Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台
推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀
分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息
点击“分享”，给我们一点鼓励吧~
