稀土上转换发光纳米材料在生化分析中的应用

　　摘要上转换纳米材料是一类通过多光子机制将近红外光转换成短波辐射的稀土掺杂无机发光材料。本文介绍了上转换材料的发光机制、制备方法以及性能优点，重点概述了近年来稀土上转换发光纳米材料在生物标记、生物监测、生物成像以及疾病诊病与治疗等生化分析领域的应用。

　　关键词稀土上转换发光材料生化分析分子细胞

　　中图分类号：O614文献标识码：A

　　1前言

　　上转换纳米材料是一类比较特殊的稀土掺杂无机发光材料，它可以通过多光子机制将近红外光转换成短波辐射，发射出紫外或者可见光，即反斯托克斯发光。目前，上转换发光的实现主要是通过在氟化物、氧化物、氟氧化物等基质中双掺Yb3+-Er3+、Yb3+-Tm3+、Yb3+-Ho3+等稀土离子组合。不同稀土离子上转换发光过程是不尽相同的，把上转换发光机制主要分为以下六种：（1）能量传递上转换机制；（2）激发态吸收上转换机；（3）协同敏化上转换机制；（4）协同发光上转换机制；（5）双光子吸收上转换机制；（6）光子雪崩上转换机制。

　　许多纳米材料的制备方法均可应用于上转换发光材料的制备。目前上转换发光材料的主要制备方法有沉淀法、热分解法、水热/溶剂热法、溶胶-凝胶法、燃烧合成法、微乳液法、气相沉积法等等。上转换发光纳米材料有如下诸多优点：（1）化学稳定性良好，发光过程几乎不受温度、湿度、pH等的影响；（2）光化学稳定性好，且不易被光解；（3）激发波长一般是近红外或红外光，在生物体系中大部分干扰物不会被激发，降低了背景，提高了灵敏度；（4）具备大的激发光组织穿透深度，在高效激发同时避免了对生物体组织的损伤；（5）生物相容性好，毒副作用小；（6）有多个发射峰而且发射谱带窄，有利于进行多重标记；（7）荧光寿命长，可以利用时间分辨荧光等分析技术提高灵敏度；（8）上转换纳米材料是稀土掺杂材料，价格低廉；（9）发光波长可调。上转换发光纳米材料的缺点是需要近红外激光器激发，检测设备成本高；上转换发光荧光量子产率低；制备小粒径上转换发光材料还存在困难。

　　2基于上转换发光生化分析

　　Zijlmans等人在1999年首次利用上转换荧光材料实现了人类前列腺组织中特异性抗原的检测。2015年武汉大学袁荃课题组将核酸适配体与上转换纳米材料相结合，利用分子识别引入了一种检测潜指纹的新方法。通过核酸适配体高效地与指纹中溶菌酶特异性结合并在近红外光的激发下发出可见光，指纹图像清晰呈现并被配有微焦镜头的单反相机记录，通过分子识别的潜指纹检测实现不同表面和不同人的潜指纹检测。潜指纹中除了包含有本身的分泌物外，还包含一些外源化学物质，如可卡因，将核酸适配体换成可卡因的适配体同样可以实现潜指纹的检测，该方法对可卡因的检出限可达0.1g。该检测方法有望为刑事侦查提供有力的信息。

　　3基于上转换发光共振能量转移生化分析

　　目前上转换发光材料用于生化多数是基于上转换发光共振能量转移（UC-LRET）来实现的。在上转换纳米材料构建的发光共振能量转移體系中，上转换纳米材料通常作为能量供体。UCNPs的反斯托克斯发射可以消除供体-受体对的共激发现象，排除能量受体产生假阳性信号的可能性。

　　3.1UC-LRET用于无机小分子分析

　　乏氧是恶性实体肿瘤的重要特征，而肿瘤组织中存在的乏氧区是导致肿瘤复发、侵袭、转移的根本原因，同时由于乏氧肿瘤区的存在，也使得肿瘤耐化疗、耐放疗。2014年中国科学院上海硅酸盐研究所施剑林课题组[3]设计和制备了一种基于稀土上转换发光纳米粒子内核的空腔介孔氧化硅结构，并将商用氧气指示剂[Ru（dpp）3]2+Cl2高效装载于空腔结构中，形成一种新型氧气感应探针，提供一种稳定性好、灵敏度高、多次循环感应的无损影像检测技术，同时将有助于实现乏氧肿瘤区影像介导下的高效治疗。

　　3.2UC-LRET用于有机小分子分析

　　2011年新加坡国立大学刘小刚课题组报道了一种MnO2纳米片改性的NaYF4：Yb，Tm（～30nm）上转换纳米材料用于谷胱甘肽的检测。首先作者在pH6的2-（N-吗啉）乙磺酸缓冲溶液中，利用MES将KMnO4还原成无定型的MnO2纳米片，原位生长在UCNPs表面。MnO2作为高效猝灭剂可以猝灭UCNPs上转换发射，由此构建了基于UC-LRET的探针。该探针的检出限可达0.9M，并且借助上转换显微镜该探针成功用于HeLa细胞胞液中GSH含量水平的监测。

　　3.3UC-LRET用于生物大分子分析

　　2009年美国俄克拉荷马大学毛传斌和东北大学徐淑坤等5将人类免疫球蛋白G（IgG）固定在氨基修饰的AuNPs上，并以此为能量受体，把兔抗山羊IgG固定在氨基修饰的上转换纳米材料上作为能量供体，当加入山羊抗人IgG时，三者形成夹心复合物。在AuNPs和上转换纳米粒子之间构成了LRET体系从而实现了山羊抗人IgG的检测。方法对山羊抗人IgG检测的线性范围为3-60gmL-1，检出限为0.88gmL-1。

　　3.4UC-LRET用于pH传感

　　2012年美国宾夕法尼亚大学Vinogradov等人6将NaYF4：Yb，Er纳米粒子与卟啉衍生物结合构建了一种比率pH纳米探针。在980nm近红外激光激发下，在520和660nm处有发射光。在酸性条件下H4P2+对660nm的光有较强吸收，在碱性条件下H2P对520nm的光有较强吸收。因此通过检测红/绿上转换发射的渐变可以对pH的监测。

　　4UCNPs用于细胞操控

　　动态调控细胞与分子之间的相互作用是许多生物学和生物医学的基础。2014年曲晓刚课题组7提出了一种借助UCNPs实现单一波长的近红外光实现操控细胞的粘附和脱附。在高功率密度近红外激光照射下，UCNPs（下转第165页）（上接第163页）发射紫外光，螺吡喃在紫外光作用下发生光异构化开环形成菁类结构，细胞表面纤连蛋白与其作用减弱细胞发生脱附。在低功率密度近红外激光照射下，UCNPs发射可见光，螺吡喃在可见光作用下发生光异构化闭环形成螺环结构，细胞表面纤连蛋白与其作用较强细胞会发生粘附。

　　4.1UCNPs用于药物和基因传输

　　通过利用稀土上转换纳米颗粒近红外激发紫外光发射的性质来控制包裹药物的笼状化合物进行药物释放和基因表达，避免了直接使用紫外光照射的组织穿透能力低和光毒性的缺点。2012年新加坡国立大学张勇课题组8通过包裹可光解的质粒DNA/siRNA分子到介孔氧化硅包覆的NaYF4：Yb，Tm上转换纳米颗粒的多孔硅中，该方法不仅提高了生物相容性且增加了载药能力。

　　4.2UCNPs用于光动力治疗

　　光动力治疗采用光激活化学物质，从而产生单线态氧，最终导致癌细胞死亡。用于激活光敏剂的激发光通常在可见-近红外波段，由于其穿透能力有限，所以将光敏剂包裹到上转换纳米颗粒上来提高其组织穿透能力。当纳米微粒被980nm的近红外光激发时发出可见光然后可见光激发光敏剂释放1O2最后杀死癌细胞。

　　4.3UCNPs用于光热疗法光热疗法是通过激光照射（近红外光）改变癌细胞所处的环境，将光能转换为热能，达到一定温度，可以诱发细胞内蛋白质的变性，破坏细胞膜，导致癌细胞的热消融。2012年苏州大学刘庄课题组9制备了NaYF4：Yb/Er@Fe3O4@Au-PEG多功能纳米颗粒不仅可以用于MRI/UCL来进行成像还可以进行具有磁性的靶向光热癌症治。在动物实验中，通过静脉注射NaYF4：Yb/Er@Fe3O4@Au-PEG纳米粒子到荷瘤小鼠体内，不仅肿瘤成像信号加强而且当使用808nm近红外光照射肿瘤时可以使肿瘤细胞热消融。

　　4.4UCNPs用于多模式生物成像

　　发展一种具备多模式生物成像功能的探针具有诱人的应用前景，将光学、核磁共振成像、正电子发射X射线层析照相术、单光子发射计算机化断层显像、电脑断层扫描等成像技术相结合，提供完整的诊断信息，可以大大加速诊断过程，降低病人接受诊断的压力。使用核壳结构的上转换纳米粒子，可以将一系列成像模式融合在纳米粒子中，有助于合成多模式生物成像探針。

　　5展望

　　上转换发光纳米材料作为新型光学检测标记材料展现了其许多优点，基于上转换发光纳米材料构建的生物传感器已具备了稳定、可靠、灵敏的特点，基本符合实际检测与分析的要求。基于上转换发光纳米材料将会获得更多应用，更多检测环境及生物体中有害或重要物质的传感器将不断问世。另外利用该材料无毒性等特点，在疾病的诊断与治疗中具有很好的应用前景。但是解决上转换发光纳米材料粒径较大，发光效率较低等缺点是其得到进一步广泛应用的前提。

　　作者：陈时婧