林 敏，趙 英，董宇卿，周麗宏，胡 杰，沙保勇，韓玉龍，陳詠梅，徐 峰，盧天健

(1.西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)(2.西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與生物力學(xué)中心，陜西 西安 710049)(3.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安710049)

稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的制備及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究進(jìn)展

林 敏1，2，趙 英1，董宇卿1，周麗宏1，胡 杰1，沙保勇1，韓玉龍1，陳詠梅3，徐 峰1，2，盧天健1

(1.西安交通大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049)(2.西安交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與生物力學(xué)中心，陜西 西安 710049)(3.西安交通大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安710049)

熒光探針技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物成像、生物標(biāo)記、生物檢測、免疫分析等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。傳統(tǒng)熒光標(biāo)記材料，如有機(jī)熒光染料、熒光蛋白和半導(dǎo)體量子點(diǎn)，目前面臨諸多應(yīng)用局限，如發(fā)光強(qiáng)度不穩(wěn)定、檢測靈敏度低、生物毒性高、自熒光強(qiáng)等。有鑒于此，人們開發(fā)了La系金屬離子摻雜的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料作為新型生物標(biāo)記材料，該材料受近紅外光激發(fā)后發(fā)出近紅外或可見光范圍內(nèi)的高能量光子。這種帶有特殊光學(xué)性質(zhì)及良好生物相容性的熒光標(biāo)記材料克服了傳統(tǒng)熒光標(biāo)記材料的缺點(diǎn)，從而成為材料科學(xué)與生物醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。綜述了稀土納米材料上轉(zhuǎn)換功能的特殊物理機(jī)制及其制備和表面修飾方法的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上介紹了稀土上轉(zhuǎn)換納米材料在生物成像、檢測、載藥、即時診斷器件開發(fā)等生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用。

熒光探針;稀土納米材料;上轉(zhuǎn)換效應(yīng);制備;表面修飾;生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

1 前言

有機(jī)熒光染料和熒光蛋白是最常用的體外成像造影劑，但其具有光穩(wěn)定性低(光漂白、閃爍)、由發(fā)光峰寬導(dǎo)致的光譜重疊等問題，故在生物成像方面的應(yīng)用受到很大局限［1-3］;作為熒光標(biāo)記物，量子點(diǎn)具有光學(xué)穩(wěn)定性好且發(fā)射帶寬窄的特點(diǎn)［4］，但量子點(diǎn)中含有Cd離子等有毒重金屬離子，對生物體有潛在的危害［5］。此外，無論是有機(jī)染料、熒光蛋白還是量子點(diǎn)，均存在一個難以克服的缺陷，即它們的激發(fā)光都處在紫外波段，在該波段的激發(fā)光下，生物體系中的核酸、多肽、氨基酸和蛋白質(zhì)以及生物體組織等也會產(chǎn)生強(qiáng)烈的背景熒光，從而降低了檢測靈敏度［5-6］。近年來發(fā)展起來的La系金屬離子摻雜的稀土納米材料，具有獨(dú)特的上轉(zhuǎn)換光學(xué)性質(zhì)，克服了上述缺點(diǎn)，顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢，如:①上轉(zhuǎn)換稀土納米材料所選用的無機(jī)質(zhì)材料，化學(xué)穩(wěn)定性好、材料毒性低，在生物體內(nèi)不易形成聚集［5，7-12］;②在長時間激發(fā)光照射下發(fā)光依然非常穩(wěn)定，無閃爍，不易光解和光漂白［7，13-14］;③ 上轉(zhuǎn)換稀土納米材料激發(fā)光源為980 nm的近紅外光，可有效避免生物樣品自發(fā)熒光的干擾和散射光干擾，進(jìn)而提高檢測靈敏度［13，15-16］;④ 980 nm的激發(fā)光位于近紅外區(qū)，能量較低，對生物體組織的損傷很?。?7］;同時，由于生物體組織一般對該波長激發(fā)光的吸收很低，故近紅外激發(fā)光在生物組織內(nèi)具有很深的穿透力，非常適合于體外或活體成像分析［5］;⑤ 通過調(diào)節(jié)所摻雜稀土元素的種類、溶度和基質(zhì)材料，可在同一激發(fā)光下，實(shí)現(xiàn)多色上轉(zhuǎn)換發(fā)光，可用于多目標(biāo)同時標(biāo)記［5，18］。

由于稀土上轉(zhuǎn)換納米材料具有上述眾多優(yōu)點(diǎn)，因此，在生物檢測、免疫分析和生物成像等方面，較之量子點(diǎn)及有機(jī)熒光染料都有著無法替代的優(yōu)勢。隨著納米材料的制備及其表面修飾技術(shù)的發(fā)展，稀土上轉(zhuǎn)換納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有不可限量的應(yīng)用前景。本文綜述了稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光機(jī)制及其常用的制備方法和表面修飾方法，并介紹了稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，如生物熒光成像、即時診斷器件開發(fā)、基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的檢測、藥物輸送，最后提出了在應(yīng)用中亟待解決的問題。

2 上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制

作為一種較為特殊的發(fā)光現(xiàn)象，上轉(zhuǎn)換效應(yīng)通過吸收低能激發(fā)光子轉(zhuǎn)換為高能發(fā)射光子。但這并未違反能量守恒定律，因?yàn)楦吣芰抗庾拥陌l(fā)射是通過吸收多個低能量光子而產(chǎn)生的，這種過程稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光?？傮w而言，上轉(zhuǎn)換過程可歸結(jié)為以下3種激發(fā)方式［19］。

激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換(Excitation State Absorption，

ESA) 同一個電子從基態(tài)能級經(jīng)過連續(xù)雙光子或多光子吸收躍遷到能量較高的激發(fā)態(tài)能級的過程，并以光的形式釋放能量，形成上轉(zhuǎn)換發(fā)光，如圖1a所示，這是上轉(zhuǎn)換發(fā)光的最基本過程。

能量傳遞上轉(zhuǎn)換(Energy Transfer Upconversion，ETU) 這一過程一般發(fā)生在不同類型的離子之間，如圖1b所示。當(dāng)敏化中心S和激活中心A的激發(fā)態(tài)和基態(tài)能級之間的能量差相同且兩者之間距離足夠近時，兩者之間可發(fā)生共振能量傳遞，使得A離子中的電子躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級，這種傳遞方式稱為能量傳遞過程。

光子雪崩上轉(zhuǎn)換(Photon Avalanche，PA) 首先是處于基態(tài)離子中的電子，通過非共振基態(tài)吸收作用達(dá)到激發(fā)態(tài)E1能級，然后通過共振激發(fā)態(tài)吸收過程，到達(dá)較高能級E2，隨后與鄰近的基態(tài)離子間發(fā)生交叉弛豫能量轉(zhuǎn)移(或離子間弛豫過程)，結(jié)果導(dǎo)致兩個離子到達(dá)中間能級E1。如此反復(fù)，最終導(dǎo)致E2能級的電子數(shù)隨時間呈指數(shù)型增加，稱作光子雪崩過程，如圖1c所示。

圖1 上轉(zhuǎn)換機(jī)制示意圖:(a)激發(fā)態(tài)吸收，(b)能量傳遞，(c)光子雪崩Fig.1 Schematic of upconversion mechanism:(a)excited state absorption，(b)energy transfer upconversion，and(c)photon avalanche

上述3種上轉(zhuǎn)換過程的發(fā)光效率有很大不同，其中ESA是效率最低的上轉(zhuǎn)換過程，而ETU過程是即時的且不受泵浦功率的影響，可提供高效率的上轉(zhuǎn)換發(fā)光(比ESA約高兩個數(shù)量級)。

3 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的制備方法

材料通常由基質(zhì)材料、激活劑和敏化劑構(gòu)成。要制備高效的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，首先需要尋找合適的基質(zhì)材料，基質(zhì)材料本身不會因受到激發(fā)而發(fā)光，但能為激活離子提供適合的晶體場。激活劑可讓激發(fā)和發(fā)光發(fā)生在同一個離子上。敏化劑自身并不發(fā)光，但其強(qiáng)烈吸收外界能量后可有效地將能量傳遞給激活劑，從而增強(qiáng)激活劑的發(fā)光效率。

3.1 基質(zhì)材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)

對于基質(zhì)材料，一般要求其晶格常數(shù)盡可能與摻雜離子匹配并且對入射光的吸收較低［19］。常用的基質(zhì)材料主要有氧化物、氟化物和氯化物等［18，20-24］。就上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率而言，若單從材料的聲子能量方面來考慮，一般認(rèn)為氯化物 ＞氟化物 ＞氧化物，若僅考慮材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則氯化物 ＜氟化物 ＜氧化物。因此，基于實(shí)際應(yīng)用需求，人們希望找到既有氯化物或氟化物那樣高的上轉(zhuǎn)換效率，又兼有類似氧化物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的新基質(zhì)材料。目前，常用的氟化物材料有:LaF4、YF4和NaYF4［25-28］。氧化物材料有:Y2O3和 Y2O2S［29］。

3.2 摻雜離子的選擇標(biāo)準(zhǔn)

稀土元素離子Ho3+，Nd3+，Tm3+，Er3+具有豐富的能級結(jié)構(gòu)，由于4f能級的電子屏蔽作用，其能級壽命較長，有很高的上轉(zhuǎn)換效率，是目前研究較多的激活劑［19］。稀土離子Yb3+的激發(fā)波長是980 nm，與Er3+第一激發(fā)態(tài)的吸收能量一致，且吸收截面遠(yuǎn)大于Er3+，吸收能量后可傳遞給Er3+，因而是一種很有效的敏化劑。加入 Yb3+后，Er3+的上轉(zhuǎn)換效率可提高1～2個數(shù)量級［30］。

3.3 制備方法

稀土上轉(zhuǎn)換納米材料具有優(yōu)異的發(fā)光性能及廣闊的應(yīng)用前景。為了制備性能優(yōu)異的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料，人們嘗試了多種不同的合成方法，如高溫固相法、沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、水熱合成法等。判斷一種合成方法是否合適的關(guān)鍵，取決于如下因素:① 納米微粒的結(jié)晶度高;② 方法簡便、易操作且重復(fù)性好;③產(chǎn)物的粒徑、形貌均一，不產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象;④ 有較好的熱穩(wěn)定性，產(chǎn)率高，發(fā)光效率高［31-33］。

以下簡單介紹3種最常用的合成方法。

3.3.1 沉淀法

沉淀法利用可溶性物質(zhì)，在水溶液中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成難溶物質(zhì)，將其從水溶液中沉淀出來，然后再經(jīng)過濾、洗滌、干燥、焙燒等工藝過程，得到稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料［34-35］。該方法的特點(diǎn)是:操作工藝簡單、成本較低、反應(yīng)溫度低，適用于批量生產(chǎn)。但產(chǎn)物晶化程度較低是其主要缺點(diǎn)［34］。以NaYF4:Yb，Er的制備為例，沉淀法的產(chǎn)物一般為立方相NaYF4:Yb，Er，其上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率較低，需經(jīng)后續(xù)的煅燒處理才能得到上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率較高的六方相NaYF4:Yb，Er［36］。采用沉淀法制備其他稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料，如Lu-PO4:Yb，Tm和YbPO4:Er，Tm，也需要后續(xù)的高溫煅燒處理［35］。

3.3.2 溶膠 -凝膠法

溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)水解直接形成溶膠(或經(jīng)解凝形成凝膠)，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機(jī)成分，最后得到產(chǎn)品，常用于制備氧化物基稀土上轉(zhuǎn)換納米材料，如YVO4:Yb， Er， Lu3Ga5O12:Er， BaTiO3:Er， TiO2:Er 和ZrO2:Er等［37-41］。溶膠 -凝膠法具有反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡單、操作簡便、易于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)勢，但存在反應(yīng)條件不易控制、產(chǎn)物團(tuán)聚嚴(yán)重、需要后續(xù)高溫?zé)崽幚淼炔蛔恪?/p>

3.3.3 水熱合成法

水熱合成法主要是利用許多化合物在高溫高壓溶液中表現(xiàn)出如溶解度增大、離子活度增加等與在常溫下不同的性質(zhì)，來制備稀土上轉(zhuǎn)換納米材料［34，42-44］。其優(yōu)點(diǎn)是可直接得到結(jié)晶粉末，粒子純度高、分散性好，且形貌、粒徑可控制。與其他方法相比，水熱合成法最大的優(yōu)越性在于:在反應(yīng)物中加入PEI，PVP等，通過一次合成過程可同時實(shí)現(xiàn)稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的制備及表面修飾［11，45］。但水熱合成法存在反應(yīng)過程機(jī)制不清晰的問題。

4 稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的表面修飾

近年來，人們雖然已采用多種方法制備了不同形貌、尺寸可控、粒徑均一的稀土上轉(zhuǎn)換納米材料，但仍難以獲得良好的水溶性和生物相容性，限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，故需要在合成納米顆粒之后對其表面進(jìn)行修飾。表面修飾不僅能增強(qiáng)稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光效率，還可為其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用提供適當(dāng)?shù)墓δ?。根?jù)不同表面修飾的目的，對稀土上轉(zhuǎn)換納米材料進(jìn)行表面修飾可分為表面鈍化和表面功能化兩類。

4.1 表面鈍化

稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的發(fā)光效率比其相應(yīng)的塊體材料的發(fā)光效率低［36］。這主要是由于納米量級顆粒表面摻雜離子的相對濃度較高，受表面雜質(zhì)、配體以及溶劑引起的熒光猝滅，或能量通過非輻射的方式消散［36］。表面鈍化即在稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒外部包覆同質(zhì)稀土層、二氧化硅層或聚合物層的方法，以便有效地抑制內(nèi)部離子的激發(fā)能量轉(zhuǎn)移到納米顆粒的表面，從而提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。例如，在NaYF4:Yb，Tm納米顆粒表面修飾一層約2 nm厚未摻雜的NaYF4和聚丙烯酸后，上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率提高近30倍;NaYF4:Yb，Er納米顆粒經(jīng)過同樣修飾后，其上轉(zhuǎn)換效率提高近7倍［26］。KYF4:Yb，Er和NaGdF4:Er，Yb納米顆粒通過表面修飾后，其上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率也有不同程度的提高［46-47］。

4.2 表面功能化

表面功能化即在上轉(zhuǎn)換稀土納米顆粒表面修飾一層或多層官能基團(tuán)，使得修飾后的納米顆粒具有親水/疏水性或便于連接其他如蛋白質(zhì)、DNA、抗體/抗原等以實(shí)現(xiàn)特殊的生物功能。常見的表面功能化方法有［48］:表面配體氧化法，表面配體交換法，聚合物包裹法，二氧化硅包覆法，層層自組裝包覆法。

4.2.1 表面配體氧化法

為了得到親水性納米顆粒，利用Lemieux-von Rudloff(KMnO4+NaIO4水溶液)試劑將稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面的油酸配體氧化成壬二酸配體，就可或得親水性羧酸功能化的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒［49］。氧化過程對納米顆粒的相結(jié)構(gòu)、組成、形貌和發(fā)光性能沒有明顯影響。羧酸基團(tuán)的存在不僅使稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒具有良好的水溶性，而且可使其進(jìn)一步和各類生物分子(例如鏈親合素)直接偶聯(lián)。但是，這種方法僅適用于本身不會被氧化、且表面配體含有碳碳不飽和鍵的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒，例如表面有油酸或者亞油酸的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒。

4.2.2 表面配體交換法

表面配體交換法主要采用配位能力較強(qiáng)、多功能有機(jī)配體來取代稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面配位能力較弱、疏水性有機(jī)配體，最終制備出具有親水性的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒［50］。例如 Kumar等［51］采用 3-巰基丙酸，通過表面配體交換法置換納米顆粒表面的油酸，得到末端為羧基的可溶性稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒。這種方法的局限性在于很難確定配體交換的效率。

4.2.3 聚合物包裹法

聚合物包裹法是利用兩親性聚合物的疏水鏈和稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面的長烷基鏈之間的范德華力作用，包覆在納米粒子表面，再加上親水端的親水作用，形成一個疏水/親水的有機(jī)核殼結(jié)構(gòu)［26］。這不僅解決了水溶性和官能團(tuán)的問題，而且減弱了水對稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒的熒光猝滅效應(yīng)。這種方法工藝相對較復(fù)雜。

4.2.4 二氧化硅包覆法

二氧化硅包覆法是利用硅烷前驅(qū)體的水解聚合，在稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面靠共價鍵作用包覆一層厚度可控的二氧化硅層［52］:采用St?ber法和反向微乳液法可分別包覆親水性和疏水性的納米粒子［53］。二氧化硅包覆后的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒具有較好的水溶性和生物相容性，因而廣泛應(yīng)用于稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒的表面修飾。然而，這種方法對工藝的要求較高，難以精確控制包覆層的厚度和形貌。

4.2.5 靜電吸引層層組裝包覆法(LBL)

LBL法首先在疏水的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒表面吸附一層帶電聚合物，然后將其加入到帶異種電荷的聚合物溶液中，這兩類聚合物因帶有異種電荷而相互吸引;如此依次吸附，兩種聚合物可在納米顆粒的表面交替組裝成有機(jī)殼層［54］，通過改變吸附層數(shù)可調(diào)控有機(jī)殼層厚度，從而優(yōu)化稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒在水溶液中的穩(wěn)定性和在生物體內(nèi)的相容性。此法操作較復(fù)雜，需反復(fù)洗滌，嚴(yán)格控制表面電荷，且聚電解質(zhì)較為昂貴，實(shí)際推廣應(yīng)用有一定困難。

5 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

La系金屬離子摻雜的稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料，具有獨(dú)特上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、對細(xì)胞的毒性小，且激發(fā)波長在近紅外區(qū)(980 nm)，對生物組織具有良好的穿透性且不會對組織、DNA、蛋白質(zhì)等造成光傷害;同時還可避免背景自熒光，提高熒光信噪比，因此在生物成像、免疫分析、生物檢測和藥物輸送等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。以下舉例介紹幾種典型的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

5.1 生物熒光成像

熒光探針在光學(xué)成像中的地位日顯重要，在藥理學(xué)、分子生物學(xué)、診斷學(xué)、細(xì)胞的實(shí)時成像及體內(nèi)深層組織成像中的應(yīng)用也越來越廣泛［55-57］。傳統(tǒng)的熒光材料需要較高能量的光子激發(fā)，如紫外光，而紫外光照射能造成組織的光損傷，更為重要的是，紫外光可被組織強(qiáng)烈吸收，因而在組織中的穿透能力有限，從而限制了傳統(tǒng)熒光材料在體內(nèi)深層組織成像中的應(yīng)用。而稀土上轉(zhuǎn)換納米材料能在近紅外光激發(fā)下，發(fā)出可見光，可很好地避免激發(fā)光對組織造成的損傷，且近紅外激發(fā)光的應(yīng)用增加了光子在組織中的穿透極限。例如，Chatterjee等［5］比較了量子點(diǎn)和PEI包覆的NaYF4:Yb，Er納米材料在動物深層組織中的成像能力(如圖2所示)，發(fā)現(xiàn)PEI包覆的NaYF4:Yb，Er納米材料在深度為10 mm的組織內(nèi)依然可見清晰的熒光;與此相比較，在大鼠足部半透明的皮膚組織下的量子點(diǎn)發(fā)出的綠色熒光已經(jīng)非常微弱［5］。

5.2 即時診斷器件開發(fā)

即時診斷裝置(如側(cè)流免疫層析快速檢測試紙)可快速檢測傳染性病原體、腫瘤生物標(biāo)記物和化學(xué)分析物。該類裝置不僅價格便宜，操作使用方便，而且消除了對昂貴大型儀器和熟練操作員的需求［58］。側(cè)流免疫層析快速檢測試紙是最常用的即時診斷裝置之一，依靠納米晶或其他膠體顆粒實(shí)現(xiàn)其檢測功能。雖然結(jié)果可以肉眼觀察，但由于缺乏靈敏度，特別是在傳染病初期、分析物濃度相對較低時，檢測試紙條的使用受到了限制。因此，需要進(jìn)一步改進(jìn)試紙條的設(shè)計，以提高檢測靈敏度。憑借快速的檢測速度(＜10 min)和極低的檢測極限(1 ng/μL)，稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子在即時診斷器件開發(fā)應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注［59-61］。Niedbala等［59］設(shè)計了一個側(cè)流免疫層析快速檢測試紙，利用多色上轉(zhuǎn)換納米粒子(Y2O2S:Yb3+/Er3+)，根據(jù)熒光的顏色和位置成功地檢測到了唾液中的苯丙胺、甲基苯丙胺、苯環(huán)已哌啶和阿片制劑，如圖3所示。

圖2 大鼠活體熒光成像:量子點(diǎn)(QDs)被注射入大鼠足部半透明的皮膚處顯示微弱的綠色熒光(a);在背部(b)和腹部(c)不顯示熒光;注入到腹部皮膚下(d)，背部皮膚下(e)及大腿肌肉中(f)的PEI包覆的NaYF4:Yb，Er納米材料發(fā)出清晰的熒光。(a，b)中將量子點(diǎn)置于黑色背底作為對照。Fig.2 In vivo imaging of rat:quantum dots(QDs)injected into translucent skin of foot，show green fluorescence(a)，but not showing through thicker skin of back(b)or abdomen(c);PEI/NaYF4:Yb，Er nanoparticles injected below abdominal skin(d)，below skin of back(e)，or thigh muscles(f)showing luminescence，QDs on black disk in(a，b)are used as contrast

圖3 上轉(zhuǎn)換熒光技術(shù)側(cè)流免疫層析快速檢測試紙結(jié)構(gòu)示意圖，容納多達(dá)12條不同的檢測線Fig.3 Structural diagram of upconversion fluorescence based lateral flow immunity chromatographic test paper，the architecture of the lateral flow strip is designed to accommodate up to 12 distinct test lines

5.3 基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的檢測

熒光共振能量轉(zhuǎn)移要求供體和受體之間的高效能量轉(zhuǎn)移，通常需要兩者間距離小于10 nm?；跓晒夤舱衲芰哭D(zhuǎn)移的粒子對以稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子作為供體，依賴于耦合上轉(zhuǎn)換納米粒子和下轉(zhuǎn)換熒光團(tuán)之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移:當(dāng)兩者極為貼近時，近紅外光激發(fā)稀土上轉(zhuǎn)換納米粒子產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射，并由此激發(fā)下轉(zhuǎn)換熒光團(tuán)產(chǎn)生熒光。利用這一原理，Zhang等［49］開發(fā)了高靈敏度、高特異性、基于上轉(zhuǎn)換熒光共振能量轉(zhuǎn)移的單鏈核酸生物探針，如圖4所示。該方法的原理是在兩段短鏈寡核苷酸上分別吸附上轉(zhuǎn)換納米粒子和熒光團(tuán)，然后將其作為捕獲長鏈目標(biāo)寡核苷酸鏈的探針。當(dāng)目標(biāo)核酸存在時，兩個探針都結(jié)合到各自的互補(bǔ)序列，這樣上轉(zhuǎn)換納米粒子和熒光團(tuán)之間的間距足夠近，從而產(chǎn)生能量共振轉(zhuǎn)移。發(fā)射光譜的強(qiáng)度與供體-受體對的數(shù)目呈線性相關(guān)，即和目標(biāo)寡核苷酸的濃度成正比。

5.4 藥物輸送

光動力學(xué)療法(PDT)采用光激活化學(xué)物質(zhì)(光敏劑)，從而產(chǎn)生單線態(tài)氧，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。用于激活光敏劑的激發(fā)光通常為在可見-近紅外波段，但對人體組織的穿透能力有限，故光動力學(xué)療法常常受到組織深度的限制。Zhang等［62］首次報道了將稀土上轉(zhuǎn)換納米材料應(yīng)用于光動力學(xué)療法，他們將光敏劑和腫瘤靶向抗體附著到表面包裹有二氧化硅的NaYF4:Yb，Er納米顆粒上，并將該復(fù)合顆粒用于光動力學(xué)療法(圖5)。該納米顆粒載藥系統(tǒng)主要有3種作用:① 裝載光敏劑;②對腫瘤細(xì)胞的靶向作用;③把低能、組織穿透性好的激發(fā)光轉(zhuǎn)換成高能光子以激發(fā)光敏劑。基于類似的原理，研究者開發(fā)了不同的上轉(zhuǎn)換稀土納米材料載藥系統(tǒng)，應(yīng)用于光動力學(xué)療法［63-67］。

6 結(jié)語

雖然針對稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的研究尚處于起步階段，但已取得了令人矚目的研究成果，引發(fā)廣泛關(guān)注，該領(lǐng)域還有許多問題亟待解決，如小粒徑、高結(jié)晶度、分散均勻、具有較高穩(wěn)定性和發(fā)光效率上轉(zhuǎn)換稀土納米材料的可控合成和表面改性方法;對細(xì)胞和活體組織的毒性以及在活體內(nèi)的代謝情況;多功能生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用開發(fā)等。進(jìn)一步探索和建立功能化稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的制備和應(yīng)用理論體系對拓寬稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍具有重大的科學(xué)意義和實(shí)用價值，相關(guān)研究將繼續(xù)成為化學(xué)、材料科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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Progress in Synthesis and Biomedical Applications of Rare Earth Upconversion Luminescent Nano Materials

LIN Min1，2，ZHAO Ying1，DONG Yuqing1，ZHOU Lihong1，Hu Jie1，SHA Baoyong1，HAN Yulong1，CHEN Yongmei3，XU Feng1，2，LU Tianjian1

(1.The Key Laboratory of Biomedical Information Engineering，Ministry of Education，School of Life Science and Technology，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)(2.Biomedical Engineering and Biomechanics Center，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)(3.School of Science，Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049，China)

Fluorescent imaging technology has been widely used in bioimaging，biolabeling，biodetection，immunoassay and other biomedical applications.Traditional fluorescent materials，such as organic fluorescent dyes，fluorescent proteins and quantum dots，faces many limitations，such as low photostability，background autofluorescence，cytotoxicity and limited detection sensitivity.To address these issues，lanthanide(Ln)-doped upconversion nanoparticles(UCNPs)have been developed as a new class of fluorescent material.Such materials exhibit unique fluorescent property known as photon upconversion，providing tremendous advantages over conventional fluorophores for biomedical applications.This paper reviews recent advances in the synthesis of Ln-doped UCNPs and their surface modification，as well as their emerging applications in biomedicine.The future prospects of Ln-doped UCNPs for biomedical applications are also discussed.

fluorescentprobe;RE nanomaterials;photonupconversion;synthesis;surfacemodification;biomedical applications

TQ133.3;TQ422

A

1674-3962(2012)01-0036-08

2011-11-18

高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃項(xiàng)目(111計劃，B06024);國家杰出青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10825210);國家重大國際(地區(qū))合作研究項(xiàng)目(11120101002);國家自然科學(xué)基金海外青年學(xué)者合作研究基金(31050110125)

林 敏，男，1982年生，博士

徐 峰，男，1980年生，教授