稀土上转换纳米材料论文

稀土上转换纳米材料论文

１生物检测领域内的应用

１．１基于稀土上转换纳米材料的检测稀土上转换纳米材料被近红外

光（９８０ｎｍ）激发发射出可见光，可以消除活体内检测时细胞和

组织中自发荧光的干扰［２５，３６］．Ｚｉｊｌｍａｎｓ等人在１

９９９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［２０］．随后，基于上转换纳米材料的荧光生物探针被用

于各种分析物的生物检测．例如，Ｔａｎｋｅ课题组［２１］使用上

转换荧光材料来进行生物检测，将４００ｎｍＹ２Ｏ２Ｓ：Ｙｂ／Ｅ

ｒ上转换纳米颗粒与ＤＮＡ偶联制备出ＤＮＡ探针，检出限为１ｎｇ

／Ｌ，比传统的花青染料探针灵敏度提升了４倍．Ｎｉｅｄ－ｂａｌ

ａ等人［３７］利用侧向免疫层析检测法，同时检测出唾液中安非他明、脱氧麻黄碱、苯环己哌啶和麻醉剂等物质．之后，Ｗａｎｇ等人

提出一种基于上转换纳米材料的夹心杂交检测方法并实现了对ＤＮＡ

的超灵敏检测［３８］．２０１３年，陈学元课题组［３９］报道了

一种新颖的上转换生物检测方法，用Ｙｂ３＋，Ｅｒ３＋共同掺杂到

上转换纳米颗粒作为生物探针进行溶液中痕量分析物（如抗生物素蛋

白和肿瘤标记物等）的检测．多功能酶标仪可以收集上转换纳米颗粒

近红外光激发发射出的可见光信号，量化分析物中的生物分子浓

度．例如，利用Ｌｎ３＋掺杂的上转换纳米颗粒的发光强度和抗生物

素蛋白浓度成正比例关系检测抗生物素蛋白，检出限为９０ｐｍｏｌ

Ｌ－１．相同的结果也从尿激酶纤维蛋白溶酶原激活剂受体、癌胚抗

原和α－胎蛋白中获得，其检出限范围为４０～１００ｐｍｏｌＬ－１．本课题组［４０］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，如图１所示．通过水热法

合成的上转换纳米颗粒表面包裹着一层油酸，油酸不仅起到表面活性

剂的作用，还能够通过配体交换将聚丙烯酸连接到上转换纳米颗粒上，得到的上转换纳米颗粒既可溶于水又能够通过羧基将生物活性分子修

饰到颗粒表面．将经氨基修饰的溶菌酶核酸适配体（ｌｙｓｏｚｙｍ

ｅ－ｂｉｎｄｉｎｇａｐｔａｍｅｒ，ＬＢＡ）连接到修饰了羧基的

上转换颗粒（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ＵＣＮＰｓ）的表面，形成核酸适配体功能化的稀土上转换纳米

颗粒（简称ＵＣＮＰｓ－ＬＢＡ）．ＵＣＮＰｓ－ＬＢＡ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．这种通

过分子识别的潜指纹检测方法可以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０．５μｇ．该检测方法有望为

刑事侦查提供有力的信息。

１．２基于荧光共振能量转移的检测Ｋｕｎｉｎｇａｓ等人［２３］

首次提出了基于上转换纳米材料的荧光共振能量转移分析技术（ｕｐ

ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎＦＲＥＴＡｓｓａｙ，ＵＣ－ＦＲＥＴ或ＵＣ

－ＬＲＥＴ），并通过使用抗生蛋白链菌素修饰的上转换纳米材料作

为能量供体，生物素化的藻胆蛋白作为能量受体实现了生物素的高灵

敏检测．此后，基于ＵＣ－ＦＲＥＴ的分析方法得到了快速发展，例如：李富友课题组［４１］构建了一种高灵敏度的ＤＮＡ纳米传感器：用表面修饰有ＤＮＡ捕获探针的ＮａＹＦ４：Ｙｂ／Ｅｒ上转换纳米

颗粒作为能量供体，用标记有罗丹明的短链互补ＤＮＡ序列作为能量

受体构建ＵＣ－ＦＲＥＴ结构，目标ＤＮＡ通过链置换反应与ＤＮＡ

捕获探针进行互补配对从而破坏ＵＣ－ＦＲＥＴ结构实现对目标ＤＮ

Ａ的检测，目标ＤＮＡ的浓度与发射光的强度比存有线性关系，测量

的目标ＤＮＡ浓度极低，检测范围为１０～６０ｎｍｏｌＬ－１．同样，Ｚｈａｎｇ等人［４２］也报道了基于寡核苷酸修饰上转换纳米

颗粒的生物传感器用来检测ＤＮＡ，检出限低至到１．３ｎｍｏｌＬ

－１．贵金属纳米颗粒如纳米金等具有表面等离子体共振性质和较大

的消光系数，将这些材料与上转换纳米材料相结合可以降低检测时的

背景荧光干扰并提升检测灵敏度，因此贵金属纳米颗粒也常常被作为

能量受体用于ＵＣ－ＦＲＥＴ生物检测中［４３］．例如，Ｗａｎｇ

等人［４４］报道了基于ＮａＹＦ４：Ｙｂ／Ｅｒ和金纳米颗粒的ＵＣ－ＦＲＥＴ生物传感器用来检测抗生物素蛋白，检出限低至０．５ｎｍｏｌＬ－１．最近，Ｄｅｎｇ等人［４５］提出一种在溶液和活细胞中快速检测谷胱甘肽的新方法，该方法的基本原理是，谷胱甘肽能抑制上转换纳米颗粒表面的二氧化锰纳米片对上转换发光的猝灭作用．根据材料本身独特的电学和热学性能，石墨烯、氧化石墨烯和碳纳米颗粒也在基于ＵＣ－ＦＲＥＴ的生物检测中被广泛用作能量猝灭剂。

２生物成像领域内的应用

２．１体内深层组织的荧光成像稀土上转换纳米材料所用到的激发光源（９８０ｎｍ）在生物组织中有很强的穿透能力、不会引起生物体自发荧光干扰而且对生物组织几乎无损伤，所以稀土上转换纳米材料是各种生物组织或生物体成像分析的理想荧光标记材料．Ｚｈａｎｇ课题组［４９］使用ＰＥＩ包裹的ＮａＹＦ４：Ｙｂ／Ｅｒ纳米颗粒首次实现了动物体成像，证明了稀土上转换纳米材料相比于量子点在体内深层组织成像中的优势．为了进一步增加稀土上转换发射光的组织穿透深度从而提升成像灵敏度，需要调节上转换发射光谱到红光区（６００～７００ｎｍ）．这一波长范围内生物组织对发射光的散射和吸收均较小，且自发荧光干扰也很小，对深层组织成像至关重要．赵宇亮课题组［２２］报道了Ｍｎ掺杂的发单色红光的ＮａＹＦ４：Ｙｂ／Ｅｒ上转换纳米材料用于活体成像，成像深度可延伸至１５ｍｍ．Ｐｒａｓａｄ课题组［５０］也报道了一种新的体内成像方法，该方法利用ＮａＹＦ４：Ｙｂ／Ｔｍ上转换纳米材料发出的近红外光（８００ｎｍ）作为检测信号，在小鼠体内成像实验中获得了高对比度的荧光图像．在随后用Ｙｂ／Ｔｍ共掺杂的上转换颗粒进行小鼠全身荧光成像的实验中，实现了２０ｍｍ的光穿透深度［５１，５２］．此外，聚丙烯酸修饰的上转换纳米颗粒（ＰＡＡ－ＮａＬｕＦ４：Ｙｂ／Ｔｍ）也被报道作为光学生物学探针用于正常黑鼠的体内荧光成像，而且该探针在兔子体内成像实验中也能获得很高的信噪比［５３］．多路复用成像是识别不同生物体最有效的方法之一，随着