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1、Company LOGO上转换纳米颗粒在生物标记 成像及治疗中的应用 Upconversion nanoparticles in biological labeling, imaging, and therapyAnalyst Volume 135 | Number 8 | August 2010 | Pages 17972160光电功能材料光电功能材料20112011 宋阳宋阳 1030022011610300220116 指导老师指导老师 熊焕明熊焕明Company LOGO“上转换”现象Company LOGO“上转换”现象l上转换是指把两个或多个低能量泵浦光子转换为一个高 能输出光子的
2、非线性光学过程 l最早发现于上世纪六十年代中期（因量子产率极低且当 时没有高能激发光源未引起注意；之后激光器的广泛使用 引起上转换研究的热潮）l以其独特的光频“上转换”能力，在 生物领域具有重要的应用价值Company LOGO简介Company LOGO上转换发光材料 Vs 传统发光材料有机荧光染料量子点上转换纳米颗粒l作为生物成像造影剂l宽发射谱l光漂白l消光系数大l高量子产率l窄发射带宽l发光易调控l高光学稳定 性 l毒性强l闪烁发光lNIR激发得到可见光l对组织损伤小 lNIR组织穿透性强 l降低本底辐射干扰l发射峰窄l发光易调控l光学稳定性好 l寿命长l毒性低l量子产率低Compan
3、y LOGO内容概要Company LOGOUCNPs的性质Company LOGO2.1组成及晶体结构l上转换纳米颗粒：无机基质+稀土掺杂离子l掺杂离子：发光中心+敏化剂l基质：“Hold”住掺杂离子(卤化物、氧化物、硫化物、硫氧化物)l特定波长范围内有较好的透光性l发光中心：l敏化剂： （对激发光吸收能力较强，将能量传给发光中心）（均匀分立的能级+较长的亚稳态寿命）l较低的声子能l较高的光致损伤阈值 （常用）Company LOGO2.1组成及晶体结构l上转换发光机理激 发 态 吸 收能 量 转 移合 作 敏 化合 作 发 光双 光 子 吸 收光 子 雪 崩Company LOGO2.2光
4、学性质4f层电子跃迁，受外电子层屏蔽l光学稳定性好l发射峰窄Company LOGO2.2光学性质l光色可调：掺杂物种、掺杂比例（浓度）、掺杂位置基质类型、混色方式Company LOGO2.2光学性质l（整体）无发光闪烁电子跃迁禁阻 （磷光而非荧光）l寿命长Company LOGO2.3表面化学l水/溶剂热法制备UC纳米颗粒时通过配体控制晶体生 长（尺寸、形貌）l改变纳米颗粒的亲疏水油性（主要是亲油变亲水）l使表面带有可以连接生物功能分子的 官能团，如羟基、羧基l填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高发光效率Company LOGO2.3表面化学配体加工表面聚合配体吸引双电层聚集具有修饰功
5、能基团的亲水UC纳米颗粒的制备方法和相应表面分子 其中，硅包覆法因方法成熟、生物相容性好、有大量可以用于 连接生物功能分子的官能团而最常用Company LOGO2.4细胞毒性l在Yb/Er掺杂稀土氟化物颗粒纳米颗粒浓度为800ug/ml 的环境下培养人类咽炎上皮癌KB细胞20小时后，测得细胞 活性没有根本性的改变 l目前细胞体外培 养、动物活体实验 均表明稀土掺杂的 UCNPs有较好的生 物相容性，但仍需 进一步研究以确证Biomaterials,2010, 31, Company LOGO灵敏检测中的“发光信使”Company LOGO3.1非均相检测UC纳米颗粒非均相检测模型示意图 （a
6、）竞争检测（b）非竞争检测目标浓度与磷光强度 呈负相关目标浓度与磷光强度 呈正相关Company LOGO3.1非均相检测l该实验把发射绿光（550nm）和蓝光（475nm）的UCNPs分别接在苯 环己哌啶抗体、安非他命抗体和脱氧麻黄碱抗体、吗啡抗体上，通过对 检测带位置及其磷光强度的分析即可做到对药物分子的检测 Anal. Biochem., 2001,293, Company LOGO3.1非均相检测l该实验利用小于50nm的（。）颗粒实现了对DNA分子的“三明 治杂交”红外检测。通过与磁性纳米颗粒的分离手段结合，这种方法在没 有PCR放大过程的情况下检测阈值拓至10nM Chem. Co
7、mmun., 2006, Company LOGO3.2均相检测l上转换均相检测通常基于供体和受体间的发光共振能 量转移（LRET）过程进行。与非均相检测不同的是，均 相检测利用的是“耦合连接”调控的信号，免除了将未 耦合的标记物分离的过程 l被检测物起到耦合供体和受体的作用，使得共振能量传递得以实现LRET检测模型示意图Company LOGO3.2均相检测l与传统量子点和 有机染料相比，上 转换磷光体作为 LRET供体显示出巨 大的优势，即近红 外辐照只被UC颗粒 吸收而不被受体吸 收，从而避免了受 体直接对激发光吸 收发出的干扰信号 l由于稀土掺杂元素的发射峰极其窄和尖 锐，在受体发射谱
8、波长范围内没有探测到 供体的发射光 Anal. Chem., 2005, 77, Company LOGO3.2均相检测l一旦“三明治化合物”杂交形成，供体的540nm和653nm的发射 就会分别被AF546和AF700吸收。通过测量不同探针对应的不同发射 波长（分别是573nm和723nm）的强度，两种不同的目标核苷酸序 列就可被同时检测Analyst, 2009, 134, Company LOGO3.2均相检测l此为基于荧光猝灭原理的酶活检测：利用AF680作为荧光体吸收上转 换能量而利用BBQ650以猝灭AF680的荧光。AF680和BBQ650分别被接 在一条DNA单链的5和3端。通
9、过一种benzonase核酸内切酶的催化 作用，低聚核苷酸链被切断从而恢复了AF689的荧光发射 Angew. Chem., Int. Ed., 2008, 47, Company LOGO光学成像中的造影剂Company LOGO4.1体外细胞和组织成像(a)本底荧光辐射在单独近红外 光的激发下被完全避免 (b)在980nm激发下，可以清楚 地观察到强上转换发光而没有 自体荧光的干扰 (c)上转换纳米颗粒几乎没有 光漂白现象Anal. Biochem., 1999, 267, 3036.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2009,106, 10917 1092
10、1.Anal. Chem., 2009, 81, Company LOGO4.2活体动物成像(a)尺寸范围在50150nm范围内 的（。）纳米颗粒接种入了 活的线虫C. elegans中，接着对 其消化系统进行成像监测 ,表现出 较好的光学稳定性及生物相容性(b)利用从近红外到近红外的上转 换纳米颗粒对BALB-C小鼠活体成 像。其明显优势在于其吸收和发 射区间都处于近红外区，使得对 成像组织的穿透能力大大加强 Nano Lett., 2006, 6, 169174.Nano Lett., 2008, 8, Company LOGO4.2活体动物成像1h4h24hl对U87MG肿瘤的目 标成像
11、。显示出较高 的成像信/噪比；且 MCF-7肿瘤的存在未 对成像的特异性产生 干扰Anal. Chem., 2009, 81, Company LOGO4.3扩散光学层析成像l扩散光学层析成像(DOT)是一种生物医学成像技术，利 用散射光信号的变化来探测组织结构的变化 。l通常在实验中，由狭窄的平行光束照射高度散射性的组 织媒介，穿出组织的光信号由组织表面的探测阵列接收 。由于肿瘤组织对光有异常的吸收和散射特性，因此可 以通过分析光学数据来识别肿瘤或变异组织。 l为从DOT扫描得到高质量的光学数据，降低噪声和组织 本底辐射强度尤为重要。上转换纳米颗粒吸收近红外光 、发射反斯托克斯位移光的特性使
12、其得以探测信号而免 于本底辐射的干扰，因而被认为是DOT中一种理想的荧 光体。 Company LOGO4.3扩散光学层析成像(DOT)l利用（。）纳 米颗粒对明胶假体组织 进行DOT扫描。实验数 据表明UC纳米颗粒的磷 光分布较窄且其强度有 较高的一致性。而有机 荧光体（若丹明6G）在 目标成像体两端给出的 光学信号出现严重偏差 。上转换过程给出了更 加清晰的目标形貌，因 而使得区分近距离的目 标信号成为可能 Appl. Phys. Lett.,2009, 94, Company LOGOl 纳米颗粒在乳腺癌细胞（SK- BR-3）的光学及磁共振成像中的应用 4.4多模式成像l将 掺入晶体基
13、质 晶格中，由于钆被广泛 用作磁共振成像(MRI) 造影剂，因而这种颗粒 可以同时用于光、磁造 影 Adv. Mater., 2009, 21,Company LOGO癌症治疗中的光转化剂Company LOGO5.1癌症的光能疗法l鉴于癌症细胞在红光照射下易受某些特定的光敏化学物 质攻击的发现，人们发明了癌症光能疗法（PDT），这种 疗法效率高，对正常组织无侵害性，是一种对癌症或癌变 前症较为经济的治疗手段。l大体上讲，PDT包括三个基本步骤： (1)光敏物质由表面修饰的功能分子“导向”到特定的肿瘤 细胞或组织中 (2)用预定的剂量照射癌变部位以激活光敏物质 (3)光敏物质释放出活性氧杀死临
14、近异常细胞，而对周围正 常组织没有影响。Company LOGO5.2基于UCNPs的光能疗法l传统的PDT疗法中用以 激活光敏物质的光束大约只 能穿透一厘米的组织，因而 PDT主要用于治疗皮下或内 脏表层的肿瘤；其另一个缺 点在于其在治疗大肿瘤或扩 散性肿瘤时效率较低 lUC纳米颗粒近红外的激发光有较强的组织穿透能力，其发出的可见 光可以激发光活性物质进而产生ROS。此外，这些纳米颗粒可以较方便 地进行癌细胞的目标导向 Company LOGO总结与展望Company LOGOl讨论了发光上转换纳米颗粒的原理及其在生物领 域应用方面的新进展。这些方法的研发为红外敏感 分子的无光损探测及良好穿透能力的细胞观察提供 了有力的工具。l除了可以作为具有高光学稳定性的发光生物标记外，UC 纳米颗粒在癌症治疗的PDT中的应用也取得
