稀土上轉換發光納米材料在生化分析中的應用

陳時靖

摘 要 上轉換納米材料是一類通過多光子機制將近紅外光轉換成短波輻射的稀土摻雜無機發光材料。本文介紹了上轉換材料的發光機制、制備方法以及性能優點，重點概述了近年來稀土上轉換發光納米材料在生物標記、生物監測、生物成像以及疾病診病與治療等生化分析領域的應用。

關鍵詞 稀土上轉換發光材料 生化 分析 分子 細胞

中圖分類號：O614 文獻標識碼：A

1前言

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

許多納米材料的制備方法均可應用于上轉換發光材料的制備。目前上轉換發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。上轉換發光納米材料有如下諸多優點：（1）化學穩定性良好，發光過程幾乎不受溫度、濕度、pH等的影響；（2）光化學穩定性好，且不易被光解；（3）激發波長一般是近紅外或紅外光，在生物體系中大部分干擾物不會被激發，降低了背景，提高了靈敏度；（4）具備大的激發光組織穿透深度，在高效激發同時避免了對生物體組織的損傷；（5）生物相容性好，毒副作用小；（6）有多個發射峰而且發射譜帶窄，有利于進行多重標記；（7）熒光壽命長，可以利用時間分辨熒光等分析技術提高靈敏度；（8）上轉換納米材料是稀土摻雜材料，價格低廉；（9）發光波長可調。上轉換發光納米材料的缺點是需要近紅外激光器激發，檢測設備成本高；上轉換發光熒光量子產率低；制備小粒徑上轉換發光材料還存在困難。

2 基于上轉換發光生化分析

Zijlmans等人在1999年首次利用上轉換熒光材料實現了人類前列腺組織中特異性抗原的檢測。2015年武漢大學袁荃課題組將核酸適配體與上轉換納米材料相結合，利用分子識別引入了一種檢測潛指紋的新方法。通過核酸適配體高效地與指紋中溶菌酶特異性結合并在近紅外光的激發下發出可見光，指紋圖像清晰呈現并被配有微焦鏡頭的單反相機記錄，通過分子識別的潛指紋檢測實現不同表面和不同人的潛指紋檢測。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物質，如可卡因，將核酸適配體換成可卡因的適配體同樣可以實現潛指紋的檢測，該方法對可卡因的檢出限可達0.1 g。該檢測方法有望為刑事偵查提供有力的信息。

3基于上轉換發光共振能量轉移生化分析

目前上轉換發光材料用于生化多數是基于上轉換發光共振能量轉移（UC-LRET）來實現的。在上轉換納米材料構建的發光共振能量轉移體系中，上轉換納米材料通常作為能量供體。UCNPs 的反斯托克斯發射可以消除供體-受體對的共激發現象，排除能量受體產生假陽性信號的可能性。

3.1 UC-LRET用于無機小分子分析

乏氧是惡性實體腫瘤的重要特征，而腫瘤組織中存在的乏氧區是導致腫瘤復發、侵襲、轉移的根本原因，同時由于乏氧腫瘤區的存在，也使得腫瘤耐化療、耐放療。2014年中國科學院上海硅酸鹽研究所施劍林課題組[3]設計和制備了一種基于稀土上轉換發光納米粒子內核的空腔介孔氧化硅結構，并將商用氧氣指示劑[Ru（dpp）3]2+Cl2高效裝載于空腔結構中，形成一種新型氧氣感應探針，提供一種穩定性好、靈敏度高、多次循環感應的無損影像檢測技術，同時將有助于實現乏氧腫瘤區影像介導下的高效治療。

3.2 UC-LRET用于有機小分子分析

2011年新加坡國立大學劉小剛課題組報道了一種MnO2納米片改性的NaYF4：Yb，Tm（～30 nm）上轉換納米材料用于谷胱甘肽的檢測。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還原成無定型的MnO2納米片，原位生長在UCNPs表面。MnO2作為高效猝滅劑可以猝滅UCNPs上轉換發射，由此構建了基于UC-LRET的探針。該探針的檢出限可達0.9 M，并且借助上轉換顯微鏡該探針成功用于HeLa細胞胞液中GSH含量水平的監測。

3.3 UC-LRET用于生物大分子分析

2009年美國俄克拉荷馬大學毛傳斌和東北大學徐淑坤等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換納米材料上作為能量供體，當加入山羊抗人IgG時，三者形成夾心復合物。在Au NPs和上轉換納米粒子之間構成了LRET體系從而實現了山羊抗人IgG的檢測。方法對山羊抗人IgG檢測的線性范圍為3-60 gmL-1，檢出限為0.88 gmL-1。

3.4 UC-LRET用于pH傳感

2012年美國賓夕法尼亞大學Vinogradov等人6將NaYF4：Yb，Er納米粒子與卟啉衍生物結合構建了一種比率pH納米探針。在980 nm近紅外激光激發下，在520和660 nm處有發射光。在酸性條件下H4P2+對660 nm的光有較強吸收，在堿性條件下H2P對520 nm的光有較強吸收。因此通過檢測紅/綠上轉換發射的漸變可以對pH的監測。

4 UCNPs用于細胞操控

動態調控細胞與分子之間的相互作用是許多生物學和生物醫學的基礎。2014年曲曉剛課題組7提出了一種借助UCNPs實現單一波長的近紅外光實現操控細胞的粘附和脫附。在高功率密度近紅外激光照射下，UCNPs（下轉第165頁）（上接第163頁）發射紫外光，螺吡喃在紫外光作用下發生光異構化開環形成菁類結構，細胞表面纖連蛋白與其作用減弱細胞發生脫附。在低功率密度近紅外激光照射下，UCNPs發射可見光，螺吡喃在可見光作用下發生光異構化閉環形成螺環結構，細胞表面纖連蛋白與其作用較強細胞會發生粘附。

4.1 UCNPs用于藥物和基因傳輸

通過利用稀土上轉換納米顆粒近紅外激發紫外光發射的性質來控制包裹藥物的籠狀化合物進行藥物釋放和基因表達，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。2012年新加坡國立大學張勇課題組8通過包裹可光解的質粒DNA/siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4： Yb， Tm上轉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用于光動力治療

光動力治療采用光激活化學物質，從而產生單線態氧，最終導致癌細胞死亡。用于激活光敏劑的激發光通常在可見-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換納米顆粒上來提高其組織穿透能力。當納米微粒被980 nm的近紅外光激發時發出可見光然后可見光激發光敏劑釋放1O2最后殺死癌細胞。

4.3 UCNPs用于光熱療法 光熱療法是通過激光照射（近紅外光）改變癌細胞所處的環境，將光能轉換為熱能，達到一定溫度，可以誘發細胞內蛋白質的變性，破壞細胞膜，導致癌細胞的熱消融。2012年蘇州大學劉莊課題組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來進行成像還可以進行具有磁性的靶向光熱癌癥治。在動物實驗中，通過靜脈注射NaYF4： Yb/Er@Fe3O4@Au-PEG納米粒子到荷瘤小鼠體內，不僅腫瘤成像信號加強而且當使用808 nm近紅外光照射腫瘤時可以使腫瘤細胞熱消融。

4.4 UCNPs用于多模式生物成像

發展一種具備多模式生物成像功能的探針具有誘人的應用前景， 將光學、核磁共振成像、正電子發射X 射線層析照相術、單光子發射計算機化斷層顯像、電腦斷層掃描等成像技術相結合， 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。使用核殼結構的上轉換納米粒子， 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

上轉換發光納米材料作為新型光學檢測標記材料展現了其許多優點，基于上轉換發光納米材料構建的生物傳感器已具備了穩定、可靠、靈敏的特點，基本符合實際檢測與分析的要求。基于上轉換發光納米材料將會獲得更多應用，更多檢測環境及生物體中有害或重要物質的傳感器將不斷問世。另外利用該材料無毒性等特點，在疾病的診斷與治療中具有很好的應用前景。但是解決上轉換發光納米材料粒徑較大，發光效率較低等缺點是其得到進一步廣泛應用的前提。

參考文獻

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