陳時(shí)靖

摘 要 上轉(zhuǎn)換納米材料是一類通過多光子機(jī)制將近紅外光轉(zhuǎn)換成短波輻射的稀土摻雜無(wú)機(jī)發(fā)光材料。本文介紹了上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光機(jī)制、制備方法以及性能優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)概述了近年來(lái)稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料在生物標(biāo)記、生物監(jiān)測(cè)、生物成像以及疾病診病與治療等生化分析領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 生化 分析 分子 細(xì)胞

中圖分類號(hào)：O614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1前言

上轉(zhuǎn)換納米材料是一類比較特殊的稀土摻雜無(wú)機(jī)發(fā)光材料，它可以通過多光子機(jī)制將近紅外光轉(zhuǎn)換成短波輻射，發(fā)射出紫外或者可見光，即反斯托克斯發(fā)光。目前，上轉(zhuǎn)換發(fā)光的實(shí)現(xiàn)主要是通過在氟化物、氧化物、氟氧化物等基質(zhì)中雙摻Y(jié)b3+-Er3+、Yb3+-Tm3+、Yb3+-Ho3+等稀土離子組合。不同稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程是不盡相同的，把上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制主要分為以下六種：（1）能量傳遞上轉(zhuǎn)換機(jī)制；（2）激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換機(jī)；（3）協(xié)同敏化上轉(zhuǎn)換機(jī)制；（4）協(xié)同發(fā)光上轉(zhuǎn)換機(jī)制；（5）雙光子吸收上轉(zhuǎn)換機(jī)制；（6）光子雪崩上轉(zhuǎn)換機(jī)制。

許多納米材料的制備方法均可應(yīng)用于上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的制備。目前上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的主要制備方法有沉淀法、熱分解法、水熱/溶劑熱法、溶膠-凝膠法、燃燒合成法、微乳液法、氣相沉積法等等。上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料有如下諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）化學(xué)穩(wěn)定性良好，發(fā)光過程幾乎不受溫度、濕度、pH等的影響；（2）光化學(xué)穩(wěn)定性好，且不易被光解；（3）激發(fā)波長(zhǎng)一般是近紅外或紅外光，在生物體系中大部分干擾物不會(huì)被激發(fā)，降低了背景，提高了靈敏度；（4）具備大的激發(fā)光組織穿透深度，在高效激發(fā)同時(shí)避免了對(duì)生物體組織的損傷；（5）生物相容性好，毒副作用??；（6）有多個(gè)發(fā)射峰而且發(fā)射譜帶窄，有利于進(jìn)行多重標(biāo)記；（7）熒光壽命長(zhǎng)，可以利用時(shí)間分辨熒光等分析技術(shù)提高靈敏度；（8）上轉(zhuǎn)換納米材料是稀土摻雜材料，價(jià)格低廉；（9）發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)。上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料的缺點(diǎn)是需要近紅外激光器激發(fā)，檢測(cè)設(shè)備成本高；上轉(zhuǎn)換發(fā)光熒光量子產(chǎn)率低；制備小粒徑上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料還存在困難。

2 基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光生化分析

Zijlmans等人在1999年首次利用上轉(zhuǎn)換熒光材料實(shí)現(xiàn)了人類前列腺組織中特異性抗原的檢測(cè)。2015年武漢大學(xué)袁荃課題組將核酸適配體與上轉(zhuǎn)換納米材料相結(jié)合，利用分子識(shí)別引入了一種檢測(cè)潛指紋的新方法。通過核酸適配體高效地與指紋中溶菌酶特異性結(jié)合并在近紅外光的激發(fā)下發(fā)出可見光，指紋圖像清晰呈現(xiàn)并被配有微焦鏡頭的單反相機(jī)記錄，通過分子識(shí)別的潛指紋檢測(cè)實(shí)現(xiàn)不同表面和不同人的潛指紋檢測(cè)。潛指紋中除了包含有本身的分泌物外，還包含一些外源化學(xué)物質(zhì)，如可卡因，將核酸適配體換成可卡因的適配體同樣可以實(shí)現(xiàn)潛指紋的檢測(cè)，該方法對(duì)可卡因的檢出限可達(dá)0.1 g。該檢測(cè)方法有望為刑事偵查提供有力的信息。

3基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移生化分析

目前上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料用于生化多數(shù)是基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（UC-LRET）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在上轉(zhuǎn)換納米材料構(gòu)建的發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移體系中，上轉(zhuǎn)換納米材料通常作為能量供體。UCNPs 的反斯托克斯發(fā)射可以消除供體-受體對(duì)的共激發(fā)現(xiàn)象，排除能量受體產(chǎn)生假陽(yáng)性信號(hào)的可能性。

3.1 UC-LRET用于無(wú)機(jī)小分子分析

乏氧是惡性實(shí)體腫瘤的重要特征，而腫瘤組織中存在的乏氧區(qū)是導(dǎo)致腫瘤復(fù)發(fā)、侵襲、轉(zhuǎn)移的根本原因，同時(shí)由于乏氧腫瘤區(qū)的存在，也使得腫瘤耐化療、耐放療。2014年中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林課題組[3]設(shè)計(jì)和制備了一種基于稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子內(nèi)核的空腔介孔氧化硅結(jié)構(gòu)，并將商用氧氣指示劑[Ru（dpp）3]2+Cl2高效裝載于空腔結(jié)構(gòu)中，形成一種新型氧氣感應(yīng)探針，提供一種穩(wěn)定性好、靈敏度高、多次循環(huán)感應(yīng)的無(wú)損影像檢測(cè)技術(shù)，同時(shí)將有助于實(shí)現(xiàn)乏氧腫瘤區(qū)影像介導(dǎo)下的高效治療。

3.2 UC-LRET用于有機(jī)小分子分析

2011年新加坡國(guó)立大學(xué)劉小剛課題組報(bào)道了一種MnO2納米片改性的NaYF4：Yb，Tm（～30 nm）上轉(zhuǎn)換納米材料用于谷胱甘肽的檢測(cè)。首先作者在pH 6的2-（N-嗎啉）乙磺酸緩沖溶液中，利用MES將KMnO4還原成無(wú)定型的MnO2納米片，原位生長(zhǎng)在UCNPs表面。MnO2作為高效猝滅劑可以猝滅UCNPs上轉(zhuǎn)換發(fā)射，由此構(gòu)建了基于UC-LRET的探針。該探針的檢出限可達(dá)0.9 M，并且借助上轉(zhuǎn)換顯微鏡該探針成功用于HeLa細(xì)胞胞液中GSH含量水平的監(jiān)測(cè)。

3.3 UC-LRET用于生物大分子分析

2009年美國(guó)俄克拉荷馬大學(xué)毛傳斌和東北大學(xué)徐淑坤等5將人類免疫球蛋白G（IgG）固定在氨基修飾的Au NPs上，并以此為能量受體，把兔抗山羊IgG固定在氨基修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料上作為能量供體，當(dāng)加入山羊抗人IgG時(shí)，三者形成夾心復(fù)合物。在Au NPs和上轉(zhuǎn)換納米粒子之間構(gòu)成了LRET體系從而實(shí)現(xiàn)了山羊抗人IgG的檢測(cè)。方法對(duì)山羊抗人IgG檢測(cè)的線性范圍為3-60 gmL-1，檢出限為0.88 gmL-1。

3.4 UC-LRET用于pH傳感

2012年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)Vinogradov等人6將NaYF4：Yb，Er納米粒子與卟啉衍生物結(jié)合構(gòu)建了一種比率pH納米探針。在980 nm近紅外激光激發(fā)下，在520和660 nm處有發(fā)射光。在酸性條件下H4P2+對(duì)660 nm的光有較強(qiáng)吸收，在堿性條件下H2P對(duì)520 nm的光有較強(qiáng)吸收。因此通過檢測(cè)紅/綠上轉(zhuǎn)換發(fā)射的漸變可以對(duì)pH的監(jiān)測(cè)。

4 UCNPs用于細(xì)胞操控

動(dòng)態(tài)調(diào)控細(xì)胞與分子之間的相互作用是許多生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)。2014年曲曉剛課題組7提出了一種借助UCNPs實(shí)現(xiàn)單一波長(zhǎng)的近紅外光實(shí)現(xiàn)操控細(xì)胞的粘附和脫附。在高功率密度近紅外激光照射下，UCNPs（下轉(zhuǎn)第165頁(yè)）（上接第163頁(yè)）發(fā)射紫外光，螺吡喃在紫外光作用下發(fā)生光異構(gòu)化開環(huán)形成菁類結(jié)構(gòu)，細(xì)胞表面纖連蛋白與其作用減弱細(xì)胞發(fā)生脫附。在低功率密度近紅外激光照射下，UCNPs發(fā)射可見光，螺吡喃在可見光作用下發(fā)生光異構(gòu)化閉環(huán)形成螺環(huán)結(jié)構(gòu)，細(xì)胞表面纖連蛋白與其作用較強(qiáng)細(xì)胞會(huì)發(fā)生粘附。

4.1 UCNPs用于藥物和基因傳輸

通過利用稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒近紅外激發(fā)紫外光發(fā)射的性質(zhì)來(lái)控制包裹藥物的籠狀化合物進(jìn)行藥物釋放和基因表達(dá)，避免了直接使用紫外光照射的組織穿透能力低和光毒性的缺點(diǎn)。2012年新加坡國(guó)立大學(xué)張勇課題組8通過包裹可光解的質(zhì)粒DNA/siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4： Yb， Tm上轉(zhuǎn)換納米顆粒的多孔硅中，該方法不僅提高了生物相容性且增加了載藥能力。

4.2 UCNPs用于光動(dòng)力治療

光動(dòng)力治療采用光激活化學(xué)物質(zhì)，從而產(chǎn)生單線態(tài)氧，最終導(dǎo)致癌細(xì)胞死亡。用于激活光敏劑的激發(fā)光通常在可見-近紅外波段，由于其穿透能力有限，所以將光敏劑包裹到上轉(zhuǎn)換納米顆粒上來(lái)提高其組織穿透能力。當(dāng)納米微粒被980 nm的近紅外光激發(fā)時(shí)發(fā)出可見光然后可見光激發(fā)光敏劑釋放1O2最后殺死癌細(xì)胞。

4.3 UCNPs用于光熱療法 光熱療法是通過激光照射（近紅外光）改變癌細(xì)胞所處的環(huán)境，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，達(dá)到一定溫度，可以誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的變性，破壞細(xì)胞膜，導(dǎo)致癌細(xì)胞的熱消融。2012年蘇州大學(xué)劉莊課題組9制備了NaYF4： Yb/Er@Fe3O4@Au-PEG多功能納米顆粒不僅可以用于MRI/UCL來(lái)進(jìn)行成像還可以進(jìn)行具有磁性的靶向光熱癌癥治。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，通過靜脈注射NaYF4： Yb/Er@Fe3O4@Au-PEG納米粒子到荷瘤小鼠體內(nèi)，不僅腫瘤成像信號(hào)加強(qiáng)而且當(dāng)使用808 nm近紅外光照射腫瘤時(shí)可以使腫瘤細(xì)胞熱消融。

4.4 UCNPs用于多模式生物成像

發(fā)展一種具備多模式生物成像功能的探針具有誘人的應(yīng)用前景， 將光學(xué)、核磁共振成像、正電子發(fā)射X 射線層析照相術(shù)、單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)化斷層顯像、電腦斷層掃描等成像技術(shù)相結(jié)合， 提供完整的診斷信息， 可以大大加速診斷過程， 降低病人接受診斷的壓力。使用核殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換納米粒子， 可以將一系列成像模式融合在納米粒子中， 有助于合成多模式生物成像探針。

5 展望

上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料作為新型光學(xué)檢測(cè)標(biāo)記材料展現(xiàn)了其許多優(yōu)點(diǎn)，基于上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料構(gòu)建的生物傳感器已具備了穩(wěn)定、可靠、靈敏的特點(diǎn)，基本符合實(shí)際檢測(cè)與分析的要求?；谏限D(zhuǎn)換發(fā)光納米材料將會(huì)獲得更多應(yīng)用，更多檢測(cè)環(huán)境及生物體中有害或重要物質(zhì)的傳感器將不斷問世。另外利用該材料無(wú)毒性等特點(diǎn)，在疾病的診斷與治療中具有很好的應(yīng)用前景。但是解決上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料粒徑較大，發(fā)光效率較低等缺點(diǎn)是其得到進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的前提。

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