彭洪尚， 申睿穎， 王小卉

(1. 北京交通大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100044； 2. 中央民族大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100081)

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面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的光學(xué)氧氣納米傳感器

彭洪尚1,2*， 申睿穎1， 王小卉1

(1. 北京交通大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100044； 2. 中央民族大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100081)

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，溶氧的檢測具有十分重要的意義。近年來氧氣傳感器的研究取得了重要的進展，尤其是納米尺寸的光學(xué)氧氣傳感器倍受重視。光學(xué)氧氣納米傳感器具有檢測靈敏度高、穩(wěn)定性好、易于生物功能化等優(yōu)點，特別適用于在(亞)細(xì)胞層次或者生物組織內(nèi)溶氧的實時檢測。本文主要從氧氣熒光探針的種類、傳感器的基質(zhì)構(gòu)成、納米傳感器的構(gòu)建方法、檢測模式和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等幾個方面出發(fā)，結(jié)合本研究組在光學(xué)氧氣納米傳感器的研究進展進行綜述，并對其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用進行了闡述。

光學(xué)納米傳感器； 氧氣傳感； 磷光猝滅； 生物醫(yī)學(xué)成像

1 引 言

氧氣是一種重要的化學(xué)物質(zhì)。對哺乳動物而言，氧氣是維持其正常生理機能所需能量的源泉。當(dāng)氧含量過低時，機體的正常生理進程就會受到影響；而當(dāng)氧含量過高時，則會產(chǎn)生過多的活性氧使核酸、蛋白質(zhì)等發(fā)生氧化反應(yīng)，從而影響其正常生理功能[1-2]。因此，氧含量的檢測在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有十分重要的意義。

氧氣濃度的檢測方法有多種，主要包括化學(xué)(碘量法)、電化學(xué)(電流分析法)及光學(xué)方法。其中化學(xué)和電化學(xué)傳感存在操作過程復(fù)雜且易對生物樣品產(chǎn)生損傷的缺點[3-4]。光學(xué)傳感方法具有不受電磁場干擾、反應(yīng)過程中不消耗氧氣和易于微型化等優(yōu)點[5]。1985年，Vanderkooi等研制出一種基于磷光猝滅的氧氣探針分子，并將其應(yīng)用于生物組織中氧的檢測，從此開啟了生物溶氧檢測的新時代[6]。當(dāng)前，大部分光學(xué)氧氣傳感器都是基于氧氣對熒光探針的磷光猝滅原理而構(gòu)建的[7]。

在生物醫(yī)學(xué)檢測中，光導(dǎo)纖維和光學(xué)薄膜傳感器由于尺寸限制或侵入性而影響了其在活體實時檢測中的進一步應(yīng)用[8-9]。小分子或超分子氧氣探針雖然可用于細(xì)胞內(nèi)的氧氣傳感與成像[10-13]，但生理環(huán)境的復(fù)雜性往往會影響探針分子的穩(wěn)定性，進而影響檢測的準(zhǔn)確性。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，熒光氧氣納米傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測中得到了廣泛的應(yīng)用，它主要具有以下優(yōu)點：(1)相比于單個氧氣探針分子，納米傳感器內(nèi)封裝有大量氧氣探針，從而具有更高的發(fā)光亮度；(2)納米傳感器的小粒徑(10～100 nm)可保證其對細(xì)胞內(nèi)或生物組織中的溶氧進行非侵入性檢測[14-15]；(3)納米基質(zhì)不僅提高了傳感器的化學(xué)穩(wěn)定性，還降低了探針的生物毒性[16-18]；(4)納米傳感器大的比表面積為其生物功能化提供了保證，從而可滿足生物醫(yī)學(xué)中的檢測需求[14,19]。

本文主要對光學(xué)氧氣納米傳感器的探針分子類型、基質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)類型、檢測模式和相關(guān)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進行了綜述，以期引導(dǎo)讀者依據(jù)具體的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用來選擇合適的光學(xué)氧氣納米傳感器和檢測平臺。

2 光學(xué)氧氣納米傳感器的構(gòu)建

光學(xué)氧氣納米傳感器的制備方法主要有溶膠凝膠[20-21]、微乳液[22-23]和再沉淀法[24]。其中，微乳液和溶膠凝膠方法均為化學(xué)方法，所制得的納米顆粒需要經(jīng)過進一步的處理，以適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)檢測的需要[25]。本研究組發(fā)展的再沉淀法是一種制備有機-無機雜化納米粒子的簡易方法。它不使用任何活性劑，僅基于有機分子的疏水相互作用和有機硅氧烷的水解縮聚而形成生物兼容性良好的氧氣探針納米粒子。特別是利用靜電吸附作用可實現(xiàn)多聚賴氨酸生物分子在納米粒子表面的自組裝，通過核殼結(jié)構(gòu)既提高了納米粒子的生物兼容性，也為靶向功能化提供了位點。利用再沉淀法制備的氧氣納米傳感器具有較高的亮度，光穩(wěn)定性較好，表面修飾簡單，在生物檢測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。氧氣納米傳感器的構(gòu)成核心是高敏感的氧氣探針分子，以及可封裝探針分子但同時具有良好通透性的基質(zhì)材料。在檢測過程中，分子氧通過基質(zhì)孔道滲透到探針分子，并與之發(fā)生碰撞而發(fā)生熒光猝滅，依據(jù)發(fā)光強度(或壽命)與氧氣濃度的定量關(guān)系即可推算出周圍環(huán)境中氧氣的濃度。因此，納米傳感器的設(shè)計需要考慮探針分子和基質(zhì)材料的類型，以及二者之間相互作用等因素。

2.1 熒光探針的選擇

過渡金屬配合物是目前應(yīng)用最為廣泛的氧氣探針分子，其中心離子為具有d6或d8電子組態(tài)的過渡金屬，如Ru(Ⅱ)、Os(Ⅱ)、Pt(Ⅱ)、Pd(Ⅱ)、Ir(Ⅱ)等；而配體一般都采用雙齒或多齒結(jié)構(gòu)，如聯(lián)吡啶、苯基吡啶、卟啉等。在光致激發(fā)下，電子從過渡金屬配合物的基態(tài)躍遷到金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(MLCT)，而后以非輻射躍遷的形式從單線態(tài)MLCT轉(zhuǎn)移到能級較低的三線態(tài)MLCT，系間竄越效率接近100%。當(dāng)電子到達三線態(tài)MLCT態(tài)后，可以輻射躍遷(或非輻射躍遷)的途徑回到基態(tài)產(chǎn)生磷光(或熱)；或者與氧分子接觸發(fā)生碰撞，將激發(fā)能量傳遞給氧分子而發(fā)生磷光猝滅。

比較常見的過渡金屬配合物類氧氣探針有Pt(Ⅱ)的卟啉化配合物，如八乙基卟吩鉑(PtOEP)、四(五氟苯基)卟啉鉑(PtTFPP)[16-20]，以及二亞胺釕配合物[21,25]。相比較而言，Pt(Ⅱ)卟啉化合物在可見光區(qū)有強吸收，具有長壽命(數(shù)十微秒)、高量子產(chǎn)率、大Stokes位移和高氧氣猝滅率等特點；二亞胺釕配合物在可見光區(qū)也具有較強的吸收，但其氧氣敏感度相對較低。

2.2 基質(zhì)的選擇

在熒光氧氣納米傳感器的構(gòu)建中，基質(zhì)材料的選擇對于傳感器性能的優(yōu)化起著非常重要的作用。理想的基質(zhì)材料應(yīng)具有良好的氧氣通透性，以實現(xiàn)周圍環(huán)境中的分子氧與納米傳感器中探針分子的快速接觸；能夠有效地包覆氧氣探針分子，減少探針分子泄漏及濃度猝滅。常用的基質(zhì)材料有二氧化硅[21]、有機硅[20]、共軛聚合物[12,18,26]、脂質(zhì)體[25]、聚苯乙烯(PS)[14,27]和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[19]。表1給出了不同基質(zhì)材料的氧氣納米傳感器的具體信息。由表中可以看出，在氧氣探針相同的情況下，以共軛聚合物、有機硅和聚苯乙烯為基質(zhì)的納米傳感器，因良好的氧氣通透性而具有較高的氧氣敏感度。本研究組曾制備了以PS和PMMA為基質(zhì)、以八乙基卟吩鉑(PtOEP)為探針的熒光氧氣納米傳感器，通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，PS基質(zhì)的傳感器氧氣猝滅率達到94%[14]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PMMA基質(zhì)的傳感器(77%)[19]。

表1 代表性光學(xué)氧氣納米傳感器

2.3 氧氣納米傳感器的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)熒光探針分子在納米粒子中的相對位置，氧氣納米傳感器的結(jié)構(gòu)大致可以分為以下3類：(1)內(nèi)摻型，探針分子隨機分布于納米粒子內(nèi)部[27-30](圖1(a))；(2)核殼結(jié)構(gòu)型，內(nèi)部摻雜有探針分子的納米粒子表面包覆有保護殼層[25](圖1(b))；(3)表面型，探針分子偶聯(lián)于納米粒子表面[31-33](圖1(c))。對于內(nèi)摻型和核殼結(jié)構(gòu)型傳感器，氧氣探針分子一般為疏水型分子，而表面型則要求探針分子具有良好的水溶性。在穩(wěn)定性方面，核殼結(jié)構(gòu)性型既可以避免內(nèi)摻型傳感器中探針分子的泄露，又可以防止復(fù)雜生理環(huán)境對表面型中探針分子的攻擊，因此在生物領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

Fig.1 Schematic diagrams of various designs of optical oxygen nanosensors. (a) Inner doped type. (b) Core-shell type. (c) Surface type.

3 熒光氧氣納米傳感器的檢測模式

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熒光氧氣納米傳感器的檢測基于熒光強度和熒光壽命。在熒光強度方面，單一波長模式最為簡單，但易受激發(fā)光強度起伏和探針分子濃度分布不均勻的影響而產(chǎn)出測量誤差。相比較而言，比率熒光檢測由于內(nèi)在參比熒光的作用而具有更高的準(zhǔn)確性。在構(gòu)建比率熒光氧氣納米傳感器時，納米粒子內(nèi)需要同時摻雜對氧氣不敏感的熒光參比分子和氧氣探針分子[34-35]。二者的吸收譜帶一般具有較大的重疊，但是發(fā)射峰能明顯分辨開，以保證在單一波長激發(fā)下同時產(chǎn)生參比熒光和探測熒光。

在檢測過程中，光輻照難以避免對納米傳感器的熒光漂白而導(dǎo)致測量誤差。基于氧氣探針熒光壽命的檢測則更為客觀和準(zhǔn)確[36-38]。氧氣納米傳感器的壽命一般為微秒量級，對激發(fā)光源和探測儀器的要求都不高[39]。除了通過監(jiān)測磷光發(fā)射強度的動態(tài)衰減來獲得熒光壽命(壽命擬合)，熒光壽命檢測也可以簡化為一個快速的檢測模式(RLD)[40-41]，即通過收集探針被激發(fā)后在兩個不同衰減窗口(t1,t2)內(nèi)的熒光強度(F1,F2)，進而根據(jù)以下公式獲得熒光壽命：

(1)

目前基于RLD測量的儀器主要為多標(biāo)記分析儀[ 38]。該儀器基于微孔板掃描，具有快速處理大批量樣品的特點，可以較為精確地測量氧氣濃度變化[42]。需要注意的是，該儀器的RLD模式適用于具有較長熒光壽命的氧氣探針，如Pt(Ⅱ)配合物(壽命為數(shù)十微秒)，對于短壽命的熒光探針則不適用，如Ru(Ⅱ)配合物(幾百納米)。

相對于熒光強度成像，壽命成像模式降低了背景熒光，不受光漂白干擾，是較為精確的成像檢測模式。常用的熒光壽命成像檢測方法是時間相關(guān)單光子成像模式，衰減曲線可以通過大量脈沖隨時間的整合獲得[44]；但該技術(shù)對儀器的精確度要求比較高，且耗費時間較長。目前，結(jié)合RLD模式和CCD成像技術(shù)的傳感系統(tǒng)已經(jīng)被研制[45-46]，該成像方法可以用來檢測復(fù)雜樣品的氧氣分布，是一種非常有應(yīng)用前景的氧氣檢測工具。

4 光學(xué)氧氣納米傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

光學(xué)氧氣納米傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間，一方面可以直接檢測生物體中溶氧的變化情況，直接獲取有關(guān)溶氧濃度和動態(tài)變化的信息；另一方面可以根據(jù)溶氧的變化來間接獲取與氧有關(guān)的生理進程的信息。針對不同的檢測目的，氧氣納米傳感器通常需進行不同的生物功能化以滿足其空間定位的需要。例如為了實現(xiàn)細(xì)胞不同位置的氧氣濃度檢測，需要制備定位于細(xì)胞外(EC)、細(xì)胞內(nèi)(IC)和線粒體內(nèi)(IM)的氧氣納米傳感器[47]。EC傳感器應(yīng)具有較高的水溶性，且不能穿透細(xì)胞膜。對IC傳感器而言，需能夠穿透細(xì)胞膜，以便檢測細(xì)胞內(nèi)部的呼吸過程和氧氣濃度變化。而IM傳感器既要能夠穿透細(xì)胞膜，還需靶向線粒體，進而對線粒體內(nèi)的氧氣含量進行檢測。

4.1 胞外氧氣檢測

將EC氧氣納米傳感器與細(xì)胞共培育，利用熒光強度或者壽命模式均可測量細(xì)胞外溶氧的濃度。使用光譜儀，通過測量細(xì)胞懸浮液的熒光強度可以獲取細(xì)胞外溶氧的濃度；但該方法容易被散色光干擾，且不適用于貼壁細(xì)胞[48]。壽命檢測模式，尤其是RLD方法不僅適用于懸浮細(xì)胞，也可用于貼壁細(xì)胞外溶氧濃度的檢測。如果需要測量細(xì)胞外絕對氧氣的消耗率，則需在密封環(huán)境下進行[49]。若僅對比不同樣品的相對氧氣消耗率，則可以簡化測試條件，例如在測試前將礦物油加入微孔或者比色皿中，可以獲得部分密封的效果[42,49]。

4.2 胞內(nèi)溶氧檢測

近年來，IC氧氣納米傳感器被廣泛用于細(xì)胞內(nèi)氧氣含量的檢測和成像。Papkovsk課題組應(yīng)用磷光RLD檢測模式對細(xì)胞內(nèi)的氧氣濃度、氧氣消耗量和氧氣梯度等進行了研究[26,38,54]。根據(jù)細(xì)胞的種類及檢測目的，需要對細(xì)胞密度、代謝活動和溫度等參數(shù)進行調(diào)控和優(yōu)化[55]。在最近的研究工作中，我們利用IC氧氣納米傳感器對光動力作用下腫瘤細(xì)胞的損傷進行了評估。其機理就是對細(xì)胞內(nèi)溶氧消耗速率進行監(jiān)測(細(xì)胞的有氧呼吸)，而呼吸速率大小正比于細(xì)胞的活性[56]。對腫瘤細(xì)胞損傷的評估與傳統(tǒng)MTT方法的結(jié)果相吻合，特別是可以評估光動力的直接損傷，克服了MTT在評估細(xì)胞毒性時間上的滯后性。

Fig.2 Wide field FLIM microscopy images of MEF cells stained with PtTFPP-based nanosensors measured at different levels of atmospheric O2

基于納米傳感器的熒光成像也是評估細(xì)胞內(nèi)的溶氧濃度的一個有力手段。Kondrashina等制備了基于PtTFPP的細(xì)胞內(nèi)氧氣納米探針，通過磷光壽命成像實現(xiàn)了對三維細(xì)胞球中溶氧分布的檢測[26]。如圖2所示，隨著氧氣濃度的增加，探針壽命逐漸變長，結(jié)果與實驗預(yù)期一致。Fercher等在細(xì)胞內(nèi)氧氣成像實驗中，通過線粒體刺激藥品來調(diào)節(jié)溶氧濃度的變化，進而監(jiān)測負(fù)載有IC氧氣納米傳感器細(xì)胞的熒光強度[15]，如圖3所示。由圖中可以看出，不論熒光強度測量還是熒光成像，均反映出FCCP刺激導(dǎo)致呼吸速率增加和溶氧量的減少(熒光強度增加)，以及AntiA對細(xì)胞呼吸的抑制(熒光強度降低)這一現(xiàn)象。

圖3 負(fù)載PtTFPP納米顆粒的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞在新陳代謝刺激劑FCCP 和 AntiA作用下的熒光成像。(a)熒光強度值；(b)熒光成像照片。

Fig.3 Fluorescent imaging of MEFs cells loading PtTFPP nanosensors and their responses to metabolic stimulation. (a) Intensity profiles for the three regions. (b) Corresponding images treated with 2 μmol/L FCCP and 10 μmol/L AntiA.

4.3 線粒體內(nèi)溶氧檢測

線粒體是細(xì)胞有氧呼吸的主要場所，對線粒體溶氧的檢測顯然可以更加準(zhǔn)確地反映細(xì)胞的狀態(tài)。常用的線粒體內(nèi)氧氣探針主要為原卟啉Ⅸ[57-58]和 MitoXpress[59]，主要用于對單獨分離出的細(xì)胞線粒體內(nèi)溶氧的檢測。最近，本課題組結(jié)合光學(xué)氧氣納米傳感方法和線粒體靶向技術(shù)，制備了三苯基溴化磷(TPP)偶聯(lián)的氧氣納米傳感顆粒，并能較準(zhǔn)確地靶向細(xì)胞內(nèi)的線粒體[60]。圖4中線粒體靶向納米顆粒(TPP-NPs)的綠色成像與線粒體染料的紅色成像重合，證明TPP偶聯(lián)納米顆粒已成功靶向線粒體。在此基礎(chǔ)上，我們利用IM氧氣納米傳感器，基于壽命檢測的RLD方法對癌癥細(xì)胞和正常細(xì)胞內(nèi)線粒體的有氧呼吸速率進行了靈敏檢測[61]，基于細(xì)胞呼吸速率實現(xiàn)了對腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙的評估，有望應(yīng)用于腫瘤細(xì)胞的診斷。

圖4 分別負(fù)載EC(Si-NPs)、IC(PLL-NPs)和IM (TPP-NPs)氧氣納米傳感器的HepG2細(xì)胞的共聚焦成像。綠色通道是納米顆粒成像，紅色通道是線粒體示蹤劑的成像。

Fig.4 Confocal fluorescence images of HepG2 cells treated with Si-NPs (extracellular), PLL-NPs (intracellular) and TPP-NPs (intra-mitochondrial). Cells are viewed in the green channel for nanosensors and the red channel for Mito Tracker Red (mitochondrial dye), respectively.

4.4 葡萄糖檢測

糖尿病是一種嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，對血液中葡萄糖的靈敏檢測對于疾病診斷、治療和控制均具有重要意義[62]。熒光葡萄糖納米傳感器的原理是將葡萄糖氧化酶與熒光氧氣納米傳感器相結(jié)合，通過檢測氧化酶與葡萄糖的氧化反應(yīng)中對氧的消耗，根據(jù)溶氧量的變化間接測定葡萄糖的含量[63]。Xu等制備了基于Ru[dpp(SO3Na)2]3)Cl2的葡萄糖納米傳感器，其具有較小的粒徑和良好的生物相容性，在細(xì)胞內(nèi)葡萄糖檢測方面具有很好的應(yīng)用前景[21]。本研究組在氧氣納米傳感器基礎(chǔ)上，利用其面氨基與葡萄糖氧化酶的交聯(lián)制備了葡萄糖熒光納米傳感器，通過比率熒光強度和熒光壽命測量均實現(xiàn)了對葡萄糖的靈敏檢測，并成功實現(xiàn)了對人血清中血糖的準(zhǔn)確檢測[64]。

5 結(jié)論與展望

本文主要從光學(xué)氧氣納米傳感器的構(gòu)建、檢測模式和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等幾個方面出發(fā)，對近幾年的氧氣納米傳感器的研究進展進行了綜述。所報道的多種類型的熒光氧氣納米傳感器不僅用于對體外和活體內(nèi)溶氧的檢測與成像，而且根據(jù)所獲取溶氧信息可分別用于細(xì)胞活性的評估、疾病診斷和腫瘤成像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中?？梢灶A(yù)計，激發(fā)和發(fā)射波長均位于近紅外光譜的氧氣納米傳感器未來會得到更為迅速發(fā)展，因為它可以減少生物組織對光的吸收和散射以及背景熒光的產(chǎn)生。此外，長壽命的氧氣納米傳感器(～μs)通過時間分辨技術(shù)可以極大降低背景熒光信號強度(～ns)，因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)具有更大的發(fā)展前景。

光學(xué)氧氣納米傳感器雖然具有諸多優(yōu)點，但欲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用還面臨著諸多挑戰(zhàn)：(1)發(fā)光效率問題。溶氧的檢測基于探針分子的磷光猝滅，在低濃度區(qū)域的發(fā)光亮度(熒光壽命)遠(yuǎn)大于在高濃度區(qū)域的熒光強度(熒光壽命)。生物體中溶氧的含量是動態(tài)變化的，因此要求納米傳感器需具有足夠高的熒光量子效率，以實現(xiàn)對一些動態(tài)生理過程的監(jiān)測。(2)活體中溶氧熒光檢測的組織穿透深度問題。由于磷光的氧氣猝滅是基于激發(fā)態(tài)探針分子與基態(tài)氧分子的能量傳遞，目前近紅外納米傳感器的發(fā)射波長一般位于近紅外Ⅰ窗口(700～900 nm)，穿透深度僅為毫米量級。相比較而言，近紅外Ⅱ窗口(1 060～1 700 nm)具有更深的穿透深度，可達到厘米量級。因此，研制發(fā)射波長在近紅外Ⅱ窗口的氧氣納米傳感器(氧氣探針)對于活體中溶氧檢測與成像具有重要的意義。

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彭洪尚(1975-)，男，山東臨沂人，教授，博士生導(dǎo)師，2007年于北京交通大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位，研究方向為生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)。2005～2006年，于美國克萊姆森大學(xué)化學(xué)系作學(xué)術(shù)訪問。2007年獲德國洪堡獎學(xué)金資助于德國雷根斯堡大學(xué)從事博士后研究。2009年11月～2015年11月于北京交通大學(xué)發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點實驗室工作。2013～2014年，于美國華盛頓大學(xué)(西雅圖)化學(xué)系作學(xué)術(shù)訪問。2015年11月至今在中央民族大學(xué)理學(xué)院工作。

近年來，在針對腫瘤微環(huán)境特征參量的熒光納米傳感器的構(gòu)建及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面取得了一系列成果，發(fā)表SCI收錄論文50余篇，SCI引用1 500余次， H因子為19。曾先后榮獲德國洪堡獎學(xué)金(2007)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃支持(2012)。主持了國家自然科學(xué)基金、教育部留學(xué)歸國基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等科研項目，研究經(jīng)費200余萬。近年來擔(dān)任國家自然科學(xué)基金項目信息學(xué)部通訊評議專家，以及北京市自然科學(xué)基金評議專家。目前任光學(xué)學(xué)會第二屆生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專委會委員。

代表性文章：

[1] J PING, H PENG*, W DUAN,etal.. Synthesis and optimization of ZnPc-loaded biocompatible nanoparticles for efficient photodynamic therapy [J].J.Mater.Chem. B, 2016, 4:4482-4489.

[2] S GAO, H PENG*, X WANG，etal.. Preparation of fluorescent enzymatic nanosensors for glucose sensing [J].Sens.ActuatorsB:Chem., 2016, 222:638-644

[3] H PENG, D T CHIU*. Soft fluorescent nanomaterials for biological and biomedical imaging [J].Chem.Soc.Rev., 2015, 44:4699

[4] X WANG, H PENG*, L YANG,etal.. Assessment of tumor mitochondrial dysfunction by monitoring respiratory activity using targetable phosphorescent nanosensors for oxygen [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2014, 53:12471

[5] H PENG, M I J STICH, J YU，etal.. Luminescent europium (Ⅲ) nanoparticles for sensing and imaging of temperature in the physiological range [J].Adv.Mater., 2010, 22:716.

[6] H PENG*, J STOLWIJK, L SUN，etal.. A nanogel for ratiometric fluorescent sensing of physiological pH values [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2010, 49:4246.

Optical Oxygen Nanosensors Towards Biomedical Applications

PENG Hong-shang1,2*, SHEN Rui-ying1， WANG Xiao-hui1

(1.CollegeofScience,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044，China;2.CollegeofScience,MinzuUniversityofChina,Beijing100081,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:hshpeng@bjtu.edu.cn

The determination of oxygen concentration is of great importance in biological applications. In recent years, significant progress has been made in the field, and nanosized optical oxygen sensors have gained particular attraction owing to the merit of high sensitivity, good photostability, facile bioconjugation and ideal dimension forinvitroandinvivoapplications. In this review, we focus on optical oxygen nanosensors, including the types of suitable oxygen probes, structure properties, preparation methods, and different detection modalities. In addition, for different O2nanosensors, the analytical performance and applicability in specific biological applications are also outlined. Generally this review is meant to give the potential user a guide to select the most suitable optical oxygen nanosensor and detection modalities for their particular biological detection.

optical nanosensor; oxygen sensing; phosphorescence quenching; biomedical imaging

1000-7032(2016)10-1167-10

2016-08-07；

2016-08-21

國家自然科學(xué)基金(61575017)； 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(12-0771)資助項目

O433.4; O482.31

A

10.3788/fgxb20163710.1167