上转换纳米颗粒

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 2011宋阳宋阳 10300220116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1Company 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Company LOGO 内容概要Company LOGOUCNPs的性质2Company LOGO 2.1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 LOGO 2.1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 LOGO 2.2光学性质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 LOGO 2.2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 LOGO 2.2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 LOGO 2.3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 LOGO 2.3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 LOGO 2.4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, 32873295Company LOGO灵敏检测中的 “ 发光信使 ”3Company LOGO 3.1非均相检测UC纳米颗粒非均相检测模型示意图 （ a）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 LOGO 3.1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, 2230Company LOGO 3.1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. Commun., 2006, 25572559Company LOGO 3.2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 LOGO 3.2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， 在受体发射谱波长范围内没有探测到供体的发射光 Anal. Chem., 2005, 77, 73487355Company LOGO 3.2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, 17131716Company LOGO 3.2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, 38113813Company LOGO光学成像中的造影剂4Company LOGO 4.1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, 1091710921.Anal. Chem., 2009, 81, 930935.Company LOGO 4.2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, 38343838.Company LOGO 4.2活体动物成像1h4h24hl对 U87MG肿瘤的目标成像。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, 86878694Company LOGO 4.3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 LOGO 4.3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，