稀土细胞活体成像

稀土掺杂的上转换(Upconverting)纳米材料应用于细胞、活体成像徐成2012.2.7一、稀土元素的发光特性：稀土元素：镧系元素（15种）——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，+钪(Sc)和钇(Y)，共17种。稀土元素具有独特的4f电子层排布使其化合物具有多种的荧光特性，可用于生物成像、生物标记。1、发射光谱丰富，可发射红外到可见到紫外各种光谱。大多数稀土元素可在7个4f轨道上任意排布，发光基于f-f、f-d组态能级跃迁，最多能发射3万多条光谱。2、荧光寿命长，一般原子10-10-10-8S，稀土元素可达到10-6-10-2S。3、4f电子层吸收激发能量强，转化效率高。4、f-f层跃迁呈现尖锐线状光谱，发光纯度高。二、常见生物成像、生物标记纳米材料的优劣：1、有机荧光染料：如罗丹明(Rhodamine)、FITC。荧光持续时间短，细胞毒性小，易进入细胞。2、半导体量子点：如CdS,CdSe,CdTe。优点:(1)荧光持续时间长；(2)较大的stokes位移，避免了激发光谱和发射光谱重叠；(3)宽的激发光谱和窄的发射光谱，用同一光源激发不同粒径量子点。缺点：不稳定，在细胞内分解，释放出重金属离子，使用受到限制。不同大小的CdSeQD发光情况——NatureMaterial,2005,4罗丹明6G量子点罗丹明——NatureMaterial,2010,9CdSe量子点连接多巴胺，对不同的pH值，颜色变化。细胞核量子点染色，细胞质有机染料染色。与上相反。2、有机染料和半导体量子点无法克服的缺陷：(1)大多有机染料和半导体量子点的激发和发射光波长均处于紫外及可见光区。在这个区域内激发荧光，生物体内的核酸、多肽、蛋白质等也会产生较强的荧光背景，即自荧光。使检测的灵敏度降低。(2)生物体对紫外激发光的吸收很强，使得紫外光的穿透能力减弱。无法进行深层次生物组织成像。(3)紫外光对细胞或生物体本身有较大的伤害。——NatureBiotechnol.,2004使用近红外量子点，猪表皮下成像三、稀土元素掺杂的上转换（upconverting）纳米材料：1、上转换稀土纳米材料：一般荧光激发为下转换：受到一个高能量的光子激发，发射一个低能量的光子。如紫外光激发，发射可见光。缺点：易产生自荧光，相当多的激发光被吸收、散射。

上转换荧光激发，即用低能量的光子激发产生高能量的光子，如红外、近红外激发，产生可见或近红外光。近红外激发（975nm）发光，475nm蓝光和800nm近红外光合成NaYF4纳米晶(20-30nm)掺杂稀土离子Tm3+

铥Yb3+镱。——Nanoletters,2008,11,38342、上转换稀土纳米材料生物成像优势：（1）：低背景荧光，高灵敏度。激发光、发射光都可为近红外激发光，易于与生物体内的自发的荧光或者其它荧光染料分辨开。（2）：深层次生物组织成像。激发光为近红外激发易于穿过生物组织，减少了光散射。更好的用于活体成像。（3）：低毒性、低伤害。比之量子点，稀土元素的毒性较低。不采用紫外光激发，对细胞、组织伤害小。（4）：发光寿命较长，稳定。普通荧光显微镜的汞灯为紫外-近紫外激发细胞、活体成像：人胰腺癌细胞近红外975nm激光激发。将这种稀土掺杂材料注射入小白鼠后，全身活体成像。右图为部分解剖，可见近红外荧光来自肝脏和脾脏。组织器官对其有高的摄入。——Nanoletters,2008,11,3834深层次组织成像复旦大学，李福友合成了叶酸(FA)修饰的稀土掺杂纳米颗粒(NaYF4:20mol%Yb镱,2mol%Er铒)。3、上转换稀土纳米材料靶向成像：——Biomaterials,2009,30,5592.980nm近红外激发，514nm-560nm，635nm-680nm发射光谱复旦大学，李福友20nm左右的纳米球。靶向细胞、活体成像：Yb镱，Er铒掺杂NaYF4颗粒，进入Hela细胞成像图活体荧光成像（将Hela细胞打入裸鼠右腿形成肿瘤，再尾静脉注射FA修饰的NaYF4颗粒成像）A:不修饰FA，B:修饰FA——Biomaterials,2009,30,5592.肿瘤肿瘤积累在肝、脾脏4、磁性上转换纳米材料，光磁双模成像：NaGdF4为基质材料，制备出具有磁性的上转换纳米材料。Gd,钌。20nm左右。老鼠肝脏和脾脏磁共振（MRI），注射10分钟后，NaGdF4磁性材料的积累。980nm激发——ACSNANO,2011,5,3146复旦大学，李福友肝脏积累29.4%（10min）脾脏积累30.5%(10min)800nm发射TEM5、915nm激发Tm3+/Er3+/Ho3+-DopedNaYbF4上转换纳米材料。经作者计算，使用915nm激发，更易穿透生物组织，实现深层成像，同时，产生更热量。980nm915nm——ACSNANO,2011,5,374420-30nm颗粒——ACSNANO,2011,5,3744活体成像：NaYbF4:Yb3+/Tm3+注射