稀土上轉換納米材料的生物醫學應用

李茗欣

（東北大學中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽110000）

稀土上轉換納米材料的生物醫學應用

李茗欣

（東北大學中荷生物醫學與信息工程學院，遼寧 沈陽110000）

與傳統熒光材料相比較，稀土上轉換材料充分利用近紅外激光器，幾乎沒有任何熒光背景，穿透性能更為優良，對于生物組織損害程度較低，是現在生物醫學研究中的熱點材料。與此同時，稀土上轉換材料還擁有良好的光化學特性，使用壽命較長，并且對于生物兼容性良好等等優勢，能夠推動檢測及治療技術的研發。本文主要對于稀土上轉換納米材料在生物醫學上面的應用進行研究，探索稀土上轉換納米材料在應用上面所存在遌問題，進而提出針對性意見。

稀土上轉換；生物監測；生物成像；疾病治療；生物醫學

0 前言

生物醫學是生物學與醫學理論知識與技能相互影響之后形成的學科，主要是通過應用生物學有關技術解決生命科學及醫學方面所存在的問題。生物醫學能夠讓人們對于生命成長過程及活動規律更加了解，進而發現疾病發生與發展過程，這樣能夠為疾病治療提供新的方向。在生物醫學研究中，在對于生命現象研究中經常使用化學探針，其中熒光材料是常見化學探針。但是傳統熒光材料具有一定缺陷，對于生命體具有一定損害。稀土上轉換材料是一種新型材料，對于生命體損害較小，并且還能夠多重標記，使用壽命較長，是生物醫學研究中的理想性材料。

1 生物監測領域內的應用

1.1 基于稀土上轉換納米材料的檢測

稀土上轉換材料光源是由近紅外光激光器發出，能夠降低檢測對于細胞或者是組織的敢要。在1999年科研人員第一次制備出上轉換熒光材料，并且在前列腺組織檢測中應用功能，之后上轉換納米材料開始逐漸被廣泛應用到生物檢測中。在2013年，陳學元課題小組提出了一種新型上轉換生物檢測方式，利用將Yb與Er結合在上轉換納米顆粒中，對于抗生物素蛋白與腫瘤進行檢測。多功能酶標儀能夠發現上轉換納米顆粒所發射出來的信號，對于生物分子濃度進行量化分析。

本文在對于稀土上環環納米材料研究中，結合核酸適配體，通過潛在指紋檢測方式，利用水熱法合成，讓上轉換納米材料表面擁有一層油酸，油酸不僅僅能夠承擔起活性劑的功能，還能夠讓讓聚丙烯酸轉移到納米顆粒上面，進而得到的上轉換納米顆粒不僅僅能夠溶解在水中，還能夠通過據活性分子與溶菌酶核算相匹配。

核酸在對適配體高效結合中，能夠在近紅外光器下發出可見光源，所呈現出的指紋圖像能夠在微焦鏡頭下被記錄下來，這種潛指紋檢測方式不僅僅能夠對于不同人指紋進行檢測，還能夠對不同狀態下人指紋檢測。潛指紋內不僅僅具有自身所遺留下來的分泌物，還具有一定化學物質，能夠高效應用在刑事偵查上面[1]。

1.2 基于熒光共振能量轉移的檢測

上轉換納米材料的熒光共振能量轉移分析技術是被著名研究人員kuningas所提出的，并且能夠抗生蛋白鏈菌作為能量源頭，對于生物素進行高效率的檢測，同時在UC-FRET上面廣泛應用。貴金屬納米顆粒表面具有等離子體共振特點，并且消光系數較高，這些材料在應用到上轉換納米材料中，能夠有效提高檢測過程中受到背景熒光的干擾，提高檢測精準性，因此貴金屬納米顆粒經常被稱之為能量受體，在生物檢測中廣泛應用[2]。

2 生物成像領域內的應用

2.1 體內深層組織的熒光成像

稀土上轉換納米材料所使用的光源在組織內部擁有良好的穿透性，并且生命體不會受到熒光的損害，結果檢測是生命體自身所攜帶的熒光不會干擾結果，因此稀土上轉換納米材料可以說是生物醫學成像分析中的最佳材料。研究人員通過使用PEI覆蓋納米顆粒的方式，首次對于動物生命體進行了生物成像檢測，檢測結果表示稀土上轉換材料與傳統量子點，在對于動物體內深層次成像上面具有顯著優勢。為了能夠提高稀土上轉換材料在生命體內的穿透深度，提高成像精確度，需要對于稀土上轉換納米材料可見光波長調節到紅光去內，這樣所發出出來的波長散射及吸收都較低，也不容易受到生命體自身所攜帶的熒光干擾，對于體內深層組織熒光成像具有重要作用。多路復用成像是現在對于生物體成像上面應用最為廣泛的一種方法，伴隨著稀土上轉換材料不斷深入性建設及開發，各種元素在稀土上轉換內應用也更加精準，并且能夠呈現出多個發射峰[3]。

2.2 雙模態成像

現在對于上轉換熒光成像與MRI結婚研究最為光熱點課題，就是構建雙模態成像探針，并且將探針應用到生物醫學領域內。熒光成像能夠顯著提高生物成像的精準度與靈敏度，并且對于生命體組織穿透深淺度能夠調節。于熒光成像相比較，MRI能夠有效提高對于生命體內的分辨率，但是所擁有的靈敏度較低，因此需要解決熒光成像與核磁共振成像的優點，所形成的雙模態探針不僅僅擁有較高的靈敏度，分辨率與穿透深度能夠顯著提高。近幾年，對于雙模態成像探針的稀土上轉換納米材料制備方面已經進行了一些研究。最為常見的有兩種方式，第一種就是分子的功能化，也就是將配合物等造影劑因公到上轉換納米顆粒表面上，進而形成雙模態成像復合探針；第二種就是磁性材料與上轉換納米材料的復合[4]。

3 結論

本文對于稀土上轉換納米材料在生物醫學領域上的應用功能進行了簡單分析，也就是生物檢測與生物成像上的應用。稀土上轉換納米材料在實際應用中由于能夠有效降低生物體自身熒光對于檢測的干擾，能夠顯著提高檢測的靈敏性，并且還能夠將各種成像方式應用功能在探針上面，在藥物輸送及治療上面擁有良好的前景。但是稀土上轉換納米材料在生物醫學內應用還面對較多的挑戰。

［1］單爽,吳昊,譚明乾,馬小軍.稀土上轉換熒光納米材料的制備與生物應用[J].生物化學與生物物理進展,2013,10:925-934.

［2］張瑞銳,高源,唐波.稀土摻雜氟化物納米材料的上轉換發光特征及其生物應用[J].分析科學學報,2010,03:353-357.

［3］彭葉青,李志豪,劉子恩,袁荃.核-殼型稀土上轉換納米材料的生物醫學應用[J].中國科學:化學,2015,11:1159-1177.

［責任編輯：張濤］

李茗欣（1994—）女，山東人，本科，生物醫學與信息工程專業。