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1、,上转换纳米颗粒在生物标记成像及治疗中的应用,UCNPs,Upconversion nanoparticles in biological labeling,imaging,and therapy,Analyst Volume 135|Number 8|August 2010|Pages 17972160,光电功能材料2011宋阳 指导老师 熊焕明,“上转换”现象,UCNPs,“上转换”现象,UCNPs,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 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
2、潮）,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,UCNPs,简介,1,上转换发光材料 Vs 传统发光材料,UCNPs,有机荧光染料,量子点,上转换纳米颗粒,作为生物成像造影剂,宽发射谱光漂白,消光系数大高量子产率窄发射带宽发光易调控高光学稳定性,毒性强闪烁发光,NIR激发得到可见光,对组织损伤小NIR组织穿透性强降低本底辐射干扰,发射峰窄发光易调控光学稳定性好 寿命长毒性低,量子产率低,内容概要,UCNPs,UCNPs,UCNPs的性质,2,2.1组成及晶体结构,UCNPs,上转换纳米颗粒：无机基质+稀土掺杂离子,掺杂离子：发光中心+敏化剂,基质：“Hold”住掺杂离子(卤化
3、物、氧化物、硫化物、硫氧化物),特定波长范围内有较好的透光性,发光中心：,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）,较低的声子能,较高的光致损伤阈值,（常用）,2.1组成及晶体结构,UCNPs,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,2.2光学性质,UCNPs,4f层电子跃迁，受外电子层屏蔽,光学稳定性好,发射峰窄,2.2光学性质,UCNPs,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,2.2光学性质,UCNPs,（整体）无发光闪烁,电子跃迁禁阻（磷光而非荧光）,寿命长,2.3表
4、面化学,UCNPs,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）,改变纳米颗粒的亲疏水油性（主要是亲油变亲水）,使表面带有可以连接生物功能分子的官能团，如羟基、羧基,填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高发光效率,2.3表面化学,UCNPs,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,2.4细胞毒性,UCNPs,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
5、没有根本性的改变,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,2010,31,32873295,灵敏检测中的“发光信使”,UCNPs,3,3.1非均相检测,UCNPs,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,3.1非均相检测,UCNPs,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
6、.Biochem.,2001,293,2230,3.1非均相检测,UCNPs,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.,2006,25572559,3.2均相检测,UCNPs,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,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,3.2均相检测,
7、UCNPs,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,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.,2005,77,73487355,3.2均相检测,UCNPs,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,2009,134,171
8、31716,3.2均相检测,UCNPs,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.,2008,47,38113813,光学成像中的造影剂,UCNPs,4,4.1体外细胞和组织成像,UCNPs,(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
9、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.,4.2活体动物成像,UCNPs,(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
10、,6,169174.,Nano Lett.,2008,8,38343838.,4.2活体动物成像,UCNPs,1h,4h,24h,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.,2009,81,86878694,4.3扩散光学层析成像,UCNPs,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。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。
11、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。,4.3扩散光学层析成像(DOT),UCNPs,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.,2009,94,251107.,纳米颗粒在乳腺癌细胞（SK-BR
12、-3）的光学及磁共振成像中的应用,4.4多模式成像,UCNPs,将 掺入晶体基质晶格中，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.,2009,21,44674471.,癌症治疗中的光转化剂,UCNPs,5,5.1癌症的光能疗法,UCNPs,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。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
13、位以激活光敏物质(3)光敏物质释放出活性氧杀死临近异常细胞，而对周围正常组织没有影响。,5.2基于UCNPs的光能疗法,UCNPs,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,UC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,总结与展望,UCNPs,6,UCNPs,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。,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中的应用也取得了可喜的成果。为了充分发掘这项技术的潜力，我们需要寻找新的方法来同时实现纳米颗粒的高光敏物质负载率和小尺寸性。进一步研制具有小尺寸、高亮度、可调光色的性能的上转换纳 米颗粒，伴之以探测技术及成像设备的改 进，使UC纳米颗粒标记技术成为解决当 今世界的许多挑战性问题的万能手段。,UCNPs,Thank You,
