上转换纳米颗粒

1、Company LOGO上转换纳米颗粒在生物标记上转换纳米颗粒在生物标记成像及治疗中的应用成像及治疗中的应用 Upconversion nanoparticles in biological labeling, imaging, and therapyAnalyst Volume 135 | Number 8 | August 2010 | Pages Company LOGO “上转换上转换”现象现象Company LOGO “上转换上转换”现象现象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能输出光子的非线性光

2、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）引起上转换研究的热潮）l以其独特的光频以其独特的光频“上转换上转换”能力，在能力，在生物领域具有重要的应用价值生物领域具有重要的应用价值Company LOGO 简介简介Company LOGO上转换发光材料上转换发光材料 Vs Vs 传统发光材料传统发光材料有机荧光染料有机荧光染料量子点量子点上转换纳米颗粒上转换纳米颗粒l作为生物成像造影剂作为生物成像造影剂l宽发射谱

3、宽发射谱l光漂白光漂白l消光系数大消光系数大l高量子产率高量子产率l窄发射带宽窄发射带宽l发光易调控发光易调控l高光学稳定性高光学稳定性 l毒性强毒性强l闪烁发光闪烁发光lNIRNIR激发得到可见光激发得到可见光l对组织损伤小对组织损伤小lNIRNIR组织穿透性强组织穿透性强l降低本底辐射干扰降低本底辐射干扰l发射峰窄发射峰窄l发光易调控发光易调控l光学稳定性好光学稳定性好 l寿命长寿命长l毒性低毒性低l量子产率低量子产率低Company LOGO内容概要内容概要Company LOGOUCNPsUCNPs的性质的性质Company LOGO2.12.1组成及晶体结构组成及晶体结构Er3+Tm

4、3+Yb3+l上转换纳米颗粒：无机基质上转换纳米颗粒：无机基质+ +稀土掺杂离子稀土掺杂离子l掺杂离子：发光中心掺杂离子：发光中心+ +敏化剂敏化剂l基质：基质：“Hold”Hold”住掺杂离子住掺杂离子 ( (卤化物、氧化物、硫化物、硫氧化物卤化物、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特定波长范围内有较好的透光性l发光中心发光中心：l敏化剂敏化剂：Ho3+（对激发光吸收能力较强，将能量传给发光中心）（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（均匀分立的能级+较长的亚稳态寿命）较长的亚稳态寿命）l较低的声子能较低的声子能l较高的光致损伤阈值较高的光致损

5、伤阈值 （常用）（常用）Company LOGO2.12.1组成及晶体结构组成及晶体结构l上转换发光机理上转换发光机理激激发发态态吸吸收收能能量量转转移移合合作作敏敏化化合合作作发发光光双双光光子子吸吸收收光光子子雪雪崩崩Company LOGO2.22.2光学性质光学性质4f层电子跃迁，受外电子层屏蔽层电子跃迁，受外电子层屏蔽l光学稳定性好光学稳定性好l发射峰窄发射峰窄Company LOGO2.22.2光学性质光学性质l光色可调：掺杂物种、掺杂比例（浓度）、掺杂位置光色可调：掺杂物种、掺杂比例（浓度）、掺杂位置 基质类型、混色方式基质类型、混色方式Company LOGO2.22.2光学性

6、质光学性质l（整体）无发光闪烁（整体）无发光闪烁电子跃迁禁阻电子跃迁禁阻（磷光而非荧光）（磷光而非荧光）l寿命长寿命长Company LOGO2.32.3表面化学表面化学l水水/ /溶剂热法制备溶剂热法制备UCUC纳米颗粒时通过配体控制晶体生纳米颗粒时通过配体控制晶体生长（尺寸、形貌）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）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使表面带有可以连接生物功能分子的官能团，如羟基、羧基官能团，如羟基、羧基l填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高发光效率填补表面缺陷；保护颗粒不受外界影响。提高发光效率Co

7、mpany LOGO2.32.3表面化学表面化学配体加工配体加工表面聚合表面聚合配体吸引配体吸引双电层聚集双电层聚集具有修饰功能基团的具有修饰功能基团的亲水亲水UCUC纳米颗粒的制备方法和相应表面分子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连接生物功能分子的官能团而最常用Company LOGO2.42.4细胞毒性细胞毒性l在在Yb/ErYb/Er掺杂稀土氟化物颗粒纳米颗粒浓度为掺杂稀土氟化物颗粒纳米颗粒浓度为800ug/ml800ug/ml的环境下培养人类咽炎

8、上皮癌的环境下培养人类咽炎上皮癌KBKB细胞细胞2020小时后，测得细胞小时后，测得细胞活性没有根本性的改变活性没有根本性的改变 l目前细胞体外培目前细胞体外培养、动物活体实验养、动物活体实验均表明稀土掺杂的均表明稀土掺杂的UCNPsUCNPs有较好的生有较好的生物相容性，但仍需物相容性，但仍需进一步研究以确证进一步研究以确证BiomaterialsBiomaterials,2010, 31, 32873295,2010, 31, Company LOGO灵敏检测中的灵敏检测中的“发光信使发光信使”Company LOGO3.13.1非均相检测非均相检测UCUC纳米颗粒非均相检测模型示意图纳米

9、颗粒非均相检测模型示意图 （a a）竞争检测）竞争检测（b b）非竞争检测）非竞争检测目标浓度与磷光强度目标浓度与磷光强度呈呈负负相关相关目标浓度与磷光强度目标浓度与磷光强度呈呈正正相关相关Company LOGO3.13.1非均相检测非均相检测l该实验把发射绿光（该实验把发射绿光（550nm550nm）和蓝光（）和蓝光（475nm475nm）的）的UCNPsUCNPs分别接在苯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，通过对检测带位置检测带位置及其及其磷光强度磷光强度的分析即可做到对药物分子的检测的分析即可

10、做到对药物分子的检测 Anal. Biochem.Anal. Biochem., , 2001,293, 22302001,293, Company LOGO3.13.1非均相检测非均相检测l该实验利用小于该实验利用小于50nm50nm的的（。）（。）颗粒实现了对颗粒实现了对DNADNA分子的分子的“三明三明治杂交治杂交”红外检测。通过与红外检测。通过与磁性纳米颗粒的分离手段结合磁性纳米颗粒的分离手段结合，这种方法在没，这种方法在没有有PCRPCR放大过程的情况下检测阈值拓至放大过程的情况下检测阈值拓至10nM10nM NaYF4:Yb/ErChem. Commun., 2006, Compa

11、ny LOGO3.23.2均相检测均相检测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（量转移（LRETLRET）过程进行。与非均相检测不同的是，均）过程进行。与非均相检测不同的是，均相检测利用的是相检测利用的是“耦合连接耦合连接”调控的信号，免除了将未调控的信号，免除了将未耦合的标记物分离的过程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检测模型示意图检测模型示意图Company LOGO3.23.2均相检测均相检测l与传统量子点和

12、与传统量子点和有机染料相比，上有机染料相比，上转换磷光体作为转换磷光体作为LRETLRET供体显示出巨供体显示出巨大的优势，即近红大的优势，即近红外辐照只被外辐照只被UCUC颗粒颗粒吸收而不被受体吸吸收而不被受体吸收，收，从而避免了受从而避免了受体直接对激发光吸体直接对激发光吸收发出的干扰信号收发出的干扰信号 l由于稀土掺杂元素的发射峰极其窄和尖由于稀土掺杂元素的发射峰极其窄和尖锐，锐，在受体发射谱波长范围内没有探测到在受体发射谱波长范围内没有探测到供体的发射光供体的发射光 Anal. Chem.,Anal. Chem., 2005, 77, 73487355 2005, 77, Compan

13、y LOGO3.23.2均相检测均相检测l一旦一旦“三明治化合物三明治化合物”杂交形成，供体的杂交形成，供体的540nm540nm和和653nm653nm的发射的发射就会分别被就会分别被AF546AF546和和AF700AF700吸收。通过测量不同探针对应的不同发射吸收。通过测量不同探针对应的不同发射波长（分别是波长（分别是573nm573nm和和723nm723nm）的强度，两种不同的目标核苷酸序）的强度，两种不同的目标核苷酸序列就可被同时检测列就可被同时检测AnalystAnalyst, 2009, 134, 17131716, 2009, 134, Company LOGO3.23.2均

14、相检测均相检测l此为此为基于荧光猝灭原理的酶活检测基于荧光猝灭原理的酶活检测：利用：利用AF680AF680作为荧光体吸收上转作为荧光体吸收上转换能量而利用换能量而利用BBQ650BBQ650以猝灭以猝灭AF680AF680的荧光。的荧光。AF680AF680和和BBQ650BBQ650分别被分别被接在一条接在一条DNADNA单链的单链的55和和33端。通过一种端。通过一种benzonasebenzonase核酸内切酶核酸内切酶的催的催化作用，低聚核苷酸链被切断从而恢复了化作用，低聚核苷酸链被切断从而恢复了AF689AF689的荧光发射的荧光发射 Angew. Chem., Angew. Ch

15、em., Int. EdInt. Ed., 2008, 47, ., 2008, 47, Company LOGO光学成像中的造影剂光学成像中的造影剂Company LOGO4.14.1体外细胞和组织成像体外细胞和组织成像(a)(a)本底荧光辐射在单独近红外本底荧光辐射在单独近红外光的激发下被完全避免光的激发下被完全避免 (b)(b)在在980nm980nm激发下，可以清楚激发下，可以清楚地观察到强上转换发光而没有地观察到强上转换发光而没有自体荧光的干扰自体荧光的干扰 (c)(c)上转换纳米颗粒几乎没有上转换纳米颗粒几乎没有光漂白现象光漂白现象Anal. Biochem.,Anal. Bioc

16、hem., 1999, 267, 3036. 1999, 267, 3036.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.,Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2009,106, 1091710921 2009,106, 1091710921. .Anal. Chem.,Anal. Chem., 2009, 81, 930935. 2009, 81, Company LOGO4.24.2活体动物成像活体动物成像(a)(a)尺寸范围在尺寸范围在50150nm50150nm范围内范围内的的（。）（。）纳米颗粒接种入了纳米颗粒接种入了活的线虫活的线虫C

17、. elegansC. elegans中，接着对中，接着对其消化系统进行成像监测其消化系统进行成像监测 , ,表现出表现出较好的光学稳定性及生物相容性较好的光学稳定性及生物相容性Y2O3:Yb/Er(b)(b)利用从利用从近红外到近红外近红外到近红外的上转的上转换纳米颗粒对换纳米颗粒对BALB-CBALB-C小鼠活体小鼠活体成像。其明显优势在于其吸收和成像。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对成像组织的穿透能力大大加强 Nano Lett.,Nano Lett., 2006, 6, 169174. 2006, 6, 169

18、174.Nano Lett.,Nano Lett., 2008, 8, 38343838. 2008, 8, Company LOGO4.24.2活体动物成像活体动物成像1h4h24hl对对U87MGU87MG肿瘤的目肿瘤的目标成像。显示出较高标成像。显示出较高的成像信的成像信/ /噪比；且噪比；且MCF-7MCF-7肿瘤的存在未肿瘤的存在未对成像的特异性产生对成像的特异性产生干扰干扰Anal. ChemAnal. Chem., 2009, ., 2009, 81, 8687869481, Company LOGO4.34.3扩散光学层析成像扩散光学层析成像l扩散光学层析成像扩散光学层析成像(

19、DOT)(DOT)是一种生物医学成像技术，利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。织媒介，穿出组织的光信号由组织表面的探测阵列接收。由于由于肿瘤组织对光有异常的吸收和散射特性肿瘤组织对光有异常的吸收和散射特性，因此可以，因此可以通过分析光学数据来识别肿瘤或变异组织。通过分析光学数据来识别肿瘤或变异组织。 l为从为从DOTDOT扫描得到高质量的光学数据，降低噪声和组织扫描得到高质量的

20、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、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，因而被认为是本底辐射的干扰，因而被认为是DOTDOT中一种理想的荧光中一种理想的荧光体。体。 Company LOGO4.34.3扩散光学层析成像扩散光学层析成像(DOT)(DOT)l利用利用（。）（。）纳纳米颗粒对明胶假体组织米颗粒对明胶假体组织进行进行DOTDOT扫描。实验数扫描。实验数据表明据表明UCUC纳米颗粒的纳米颗粒的磷光分布较窄且其强度磷光分布较窄

21、且其强度有较高的一致性。而有有较高的一致性。而有机荧光体（若丹明机荧光体（若丹明6G6G）在目标成像体两端给出在目标成像体两端给出的光学信号出现严重偏的光学信号出现严重偏差。上转换过程给出了差。上转换过程给出了更加清晰的目标形貌，更加清晰的目标形貌，因而使得区分近距离的因而使得区分近距离的目标信号成为可能目标信号成为可能 NaYF4:Yb/TmAppl. Phys. Lett.,Appl. Phys. Lett.,2009, 94, 251107.2009, 94, Company LOGOl 纳米颗粒在乳腺癌细胞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）的光学及磁共振

22、成像中的应用 4.44.4多模式成像多模式成像Gd3+NaGdF4:Yb/Erl将将 掺入晶体基质掺入晶体基质晶格中，由于钆被广泛晶格中，由于钆被广泛用作磁共振成像用作磁共振成像(MRI)(MRI)造影剂，因而这种颗粒造影剂，因而这种颗粒可以同时用于光、磁造可以同时用于光、磁造影影 Gd3+Adv. MaterAdv. Mater., 2009, ., 2009, 21,44674471.21,Company LOGO癌症治疗中的光转化剂癌症治疗中的光转化剂Company LOGO5.15.1癌症的光能疗法癌症的光能疗法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鉴于癌症细胞在红光照射下

23、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（质攻击的发现，人们发明了癌症光能疗法（PDTPDT），这种），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。前症较为经济的治疗手段。l大体上讲，大体上讲，PDTPDT包括三个基本步骤：包括三个基本步骤：(1)(1)光敏物质由表面修饰的功能分子光敏物质由表面修饰的功能分子“导向导向”到特定的肿瘤到特定的肿瘤细胞或组织中细胞或组织中(2)(2)用预定的剂量照射癌变部位以激活光敏物质用预定的剂量照射癌变部位以激活光敏物质 (3)(3)光敏物质释放出活性氧杀死临近异常细胞，而对周围正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。常组织没有影响。Company LOGO5.25.2基于基于UCNPsUCNPs的光能疗法的光能疗法l传统的传统的PDT疗法疗法中用以中用以激活光敏物质的光束大约只激活光敏物质的光束大约只能穿透一厘米的组织，因而能穿透一厘米的组织，因而PDT主