激光驱动的缺陷工程非晶钯磷硫化物量子点的合成，用于高性能的双近红外光热治疗

《Materials Today Chemistry》：Laser-driven synthesis of vacancy-engineered amorphous palladium phosphosulfide quantum dots for high-performance dual-NIR photothermal therapy

非晶态Pd-P-S量子点通过激光烧蚀法制备，具有磷硫双空位结构，在近红外I（650-950 nm）和II（1000-1350 nm）窗口均表现出优异光热转换效率与稳定性，动物实验证实其可抑制小鼠乳腺癌肿瘤生长91.8%且安全性高。

　　

李一凡|傅国帅|徐瑞琦|丁伟米|于鹏|刘志佳|孙鹏飞|刘普|杨国伟

中国广东省广州市中山大学材料科学与工程学院，光电材料与技术国家重点实验室、纳米技术研究中心，柔性电子材料与可穿戴设备广州重点实验室，510275，中华人民共和国

摘要

非晶态贵金属由于其无序的原子结构而展现出独特的电子特性；然而，它们在光热疗法（PTT）中的潜力尚未得到充分探索。这一限制主要源于抑制结晶以及在近红外（NIR）生物窗口范围内实现宽带光吸收的困难。此外，直接证明它们在宽带光热应用中有效性的实验证据也非常少。为了解决这些挑战，本研究首次报道了通过液相激光烧蚀（LAL）方法制备了具有工程化磷硫双空位的非晶态Pd–P–S量子点（a-Pd-P-S QDs）。这种高效的物理技术有效抑制了贵金属的结晶，实现了在NIR-I（650–950 nm）和NIR-II（1000–1350 nm）光谱范围内具有优异光热性能的Pd基量子点的一步法制备。合成的量子点表现出高的光热转换效率、优良的光热稳定性和良好的生物相容性。在808 nm（NIR-I）和1064 nm（NIR-II）照射下评估了光热加热和光热细胞毒性，以证实其“双NIR”能力，首先在分散体系中，然后在细胞水平上进行验证。在体内研究中，有意选择1064 nm激光，以利用NIR-II窗口在深层组织应用中的实际优势。值得注意的是，体内研究表明，在1.0 W/cm2的1064 nm激光照射下，BSA/a-Pd-P-S QDs在鼠乳腺癌模型中实现了91.8%的肿瘤生长抑制效果，并且通过血液学和组织病理学分析确认了最小的系统毒性。这项工作不仅介绍了一种通用且环保的激光处理方法，还首次提供了关于Pd基量子点中空位工程以提高光热效率的机制见解。这些发现推动了下一代深层组织诊疗平台的发展，并扩展了未来纳米医学中的潜在应用。

引言

光热疗法（PTT）是一种非侵入性方法，通过将近红外（NIR）光转换为局部热量来消融肿瘤[[1], [2], [3]]。由于加热可以限制在照射区域，PTT能够实现时空控制，并可能减少对周围健康组织的损伤[4,5]。实际上，治疗效果在很大程度上取决于局部温度的升高程度，这取决于光热转换效率（PCE）和肿瘤微环境中的热量损失速率[6,7]。这些因素推动了具有高PCE、良好光稳定性和强NIR吸收的光热转换剂（PTCAs）的发展。同时，有效的深层组织PTT还取决于选择能够在组织中传递足够光线的同时保持在皮肤最大允许暴露（MPE）限制内的激发窗口[[8], [9], [10]]。

在PTT中，激光的波长在这种平衡中起着核心作用，因为它直接决定了组织的穿透能力和允许的功率密度。生物透明窗口通常定义为NIR-I（约700–900 nm）和NIR-II（约1000–1700 nm）[11,12]。在这些窗口中，由于内源性生物分子（如血红蛋白和水）的吸收和散射较弱，光衰减减少[13,14]。808 nm激光（NIR-I）被广泛使用，因为可靠的激光源容易获得，并且许多已建立的光热转换剂（PTCAs）在这个波长下高效吸收[15,16]。此外，808 nm的连续波皮肤最大允许暴露（MPE）相对较低（约0.33 W cm?2），这限制了临床环境中的可传递辐照度[10,13,14]。相比之下，NIR-II窗口具有较低的散射和增强的组织穿透能力，使其更适合针对解剖结构复杂或难以到达区域的肿瘤[17]。然而，许多传统的PTCAs在NIR-II范围内的吸收较弱，这可能限制了PCE[[18], [19], [20]]。1064 nm波长是深层组织PTT的关键NIR-II激发源，因为它支持更好的穿透能力。它还具有较高的连续波皮肤MPE（通常约为1.0 W cm?2），为体内照射提供了更大的安全裕度[14]。因此，开发具有强1064 nm吸收的PTCAs仍然是一个主要的研究焦点[[21], [22], [23], [24]]。

贵金属纳米材料因其高化学稳定性、可调的光学响应和高效的光到热转换而被广泛研究[[25], [26], [27]]。在这些材料中，钯（Pd）因其稳健的化学稳定性和有利的电子/光学特性而越来越受到关注[[28,29]]。然而，之前关于Pd基光热材料的研究主要集中在热力学稳定的面心立方（fcc）晶体相上，这限制了对可能提供更好光热性能的其他结构配置的探索[[30], [31], [32]]。此外，贵金属中的局域表面等离子体共振（LSPR）现象受到粒子大小和形态的强烈影响，通常导致光谱吸收带较窄[[33]]。因此，精确调节贵金属纳米晶体的大小和形态（例如合成低对称性的纳米结构）以拓宽它们的等离子体吸收并增强光热转换已成为一个重要的研究方向[[34]]。尽管如此，这些方法仍然受到材料固有结晶特性的限制[[32]]。这一特性限制了它们在第一（NIR-I）和第二（NIR-II）近红外光谱窗口中的应用[[35], [36], [37], [38]]。

非晶态纳米材料的特点是缺乏长程晶体有序性，通常具有未饱和的配位环境和富含缺陷的表面/近表面位点[[39]]。这些特性可以通过改善光捕获和热生成来促进基于贵金属的纳米材料的光热应用[[40]]。关于光捕获，结构无序增加了载流子的散射并缩短了电子的平均自由路径，从而可以拓宽等离子体相关的光学响应并增强贵金属系统中的宽带吸收[[27],[41],[42],[43]]。关于热生成，无序和缺陷可能会引入有利于非辐射松弛的局域电子态，从而促进光到热的转换[[44,45,46]]。此外，在纳米尺度上，边界散射与结构无序相结合可以抑制热传输，有助于在照射过程中局部保持热量并增加观察到的温度升高[[46],[47],[48],[49]]。尽管有这些潜在的好处，使贵金属非晶化仍然具有挑战性，因为强烈的金属键合有利于快速扩散、成核和结晶[[50],[51],[52]]。空位工程提供了一种通过缺陷辅助的非辐射耗散来提高性能的补充途径[[46]]。尽管取得了这些进展，无序、缺陷状态和纳米尺度热传输对光热性能的各自贡献尚未完全阐明。因此，开发简单且环境友好的Pd基非晶纳米材料合成方法是非常必要的。在这方面，液相激光烧蚀（LAL）作为一种绿色且可扩展的技术，最近受到了广泛关注，不仅可以用于生产超纯晶体纳米粒子，还显示出制备非晶纳米粒子的巨大潜力[[53],[54],[55],[56]]。

在这项研究中，通过LAL技术合成了非晶态钯基量子点（a-Pd-P-S QDs），并在NIR-I和NIR-II光谱区域内系统地评估了它们的光热性能。此外，还研究了这些量子点的体外细胞毒性，并使用1064 nm激光在鼠乳腺癌模型中展示了它们的光热治疗效果。这项研究填补了非晶态钯基纳米材料在光热疗法应用中的一个关键空白，提出了一种通用的策略来高效制备基于贵金属的光热剂，并突出了非晶态贵金属纳米结构在光热癌症治疗中的潜在前景。

部分摘录

PdPS晶体的合成

PdPS晶体是通过化学气相传输（CVT）方法合成的。高纯度粉末的Pd:P:S原子比为1:1.1:1，总重量为300 mg，密封在真空度为10?3 Torr的石英管中，然后放入马弗炉中。管子逐渐加热到1173.15 K并保持在该温度下七天。这种热处理后，系统自然冷却至室温。经过几天的晶体生长后，获得了有光泽的

a-Pd-P-S QDs的合成与表征

二维（2D）钯磷硫化物（PdPS）因其与开罗五边形镶嵌拓扑相关的独特物理特性而引起了极大的兴趣[[59], [60], [61]]。然而，PdPS晶体的光热特性，尤其是在生物医学背景下，仍然很大程度上未得到探索。PdPS是一种层状化合物，层间范德华耦合较弱（DFT断裂能为0.82 J m?2，断裂强度为3.48 GPa），这使得层剥离

结论

总结来说，我们通过创新传统的液相激光烧蚀（LAL）工艺开发了非晶态Pd–P–S量子点（a-Pd-P-S QDs）。我们没有烧蚀固体钯靶材，而是照射了结晶PdPS的悬浮液，触发了一种激光诱导的破碎和重组机制。这种一步纯物理过程直接产生了含有丰富P/S空位的无配体量子点。a-Pd-P-S QDs在NIR-I范围内表现出宽带吸收和高效的光热性能

CRediT作者贡献声明

李一凡：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，研究，形式分析，数据管理。傅国帅：验证，项目管理，研究，形式分析。徐瑞琦：研究。丁伟米：研究。于鹏：撰写原始草稿，资源准备。刘志佳：撰写原始草稿，监督。孙鹏飞：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，研究。刘普：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，验证，

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFB4607600）、广东省自然科学基金（2022A1515011924）、广州市科学技术基金（202201011596）、国家自然科学基金（51832011）、光电材料与技术国家重点实验室（OEMT-2022-ZPZ-0和OEMT-2021-PZ-02）以及佛山市教育局（29000-42090007）的支持。