上轉(zhuǎn)換納米顆粒學(xué)習(xí)教案

1、上轉(zhuǎn)換上轉(zhuǎn)換(zhunhun)納米顆粒納米顆粒第一頁(yè)，共35頁(yè)。l上轉(zhuǎn)換是指把兩個(gè)或多個(gè)低能量泵浦光子(gungz)轉(zhuǎn)換為一個(gè)高能輸出光子(gungz)的非線(xiàn)性光學(xué)過(guò)程 l最早發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)六十年代中期（因量子產(chǎn)率極低且當(dāng)時(shí)沒(méi)有高能激發(fā)光源未引起注意；之后激光器的廣泛使用引起上轉(zhuǎn)換研究的熱潮）l以其獨(dú)特的光頻“上轉(zhuǎn)換”能力，在生物領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用(yngyng)價(jià)值第1頁(yè)/共35頁(yè)第二頁(yè)，共35頁(yè)。 簡(jiǎn)介(jin ji)1第2頁(yè)/共35頁(yè)第三頁(yè)，共35頁(yè)。有機(jī)(yuj)熒光染料量子(lingz)點(diǎn)上轉(zhuǎn)換納米顆粒l作為生物成像造影劑l寬發(fā)射譜l光漂白l消光系數(shù)大l高量子產(chǎn)率l窄發(fā)射帶寬l發(fā)光易調(diào)

2、控l高光學(xué)穩(wěn)定性 l毒性強(qiáng)l閃爍發(fā)光lNIR激發(fā)得到可見(jiàn)光l對(duì)組織損傷小lNIR組織穿透性強(qiáng)l降低本底輻射干擾l發(fā)射峰窄l發(fā)光易調(diào)控l光學(xué)穩(wěn)定性好 l壽命長(zhǎng)l毒性低l量子產(chǎn)率低第3頁(yè)/共35頁(yè)第四頁(yè)，共35頁(yè)。第4頁(yè)/共35頁(yè)第五頁(yè)，共35頁(yè)。UCNPs的性質(zhì)(xngzh)2第5頁(yè)/共35頁(yè)第六頁(yè)，共35頁(yè)。Er3+Tm3+Yb3+l上轉(zhuǎn)換納米顆粒：無(wú)機(jī)基質(zhì)+稀土摻雜(chn z)離子l摻雜離子：發(fā)光(f un)中心+敏化劑l基質(zhì)：“Hold”住摻雜離子 (鹵化物、氧化物、硫化物、硫氧化物)l特定波長(zhǎng)范圍內(nèi)有較好的透光性l發(fā)光中心：l敏化劑：Ho3+（對(duì)激發(fā)光吸收能力較強(qiáng)，將能量傳給發(fā)光中心）

3、（均勻分立的能級(jí)+較長(zhǎng)的亞穩(wěn)態(tài)壽命）l較低的聲子能l較高的光致?lián)p傷閾值 （常用）第6頁(yè)/共35頁(yè)第七頁(yè)，共35頁(yè)。l上轉(zhuǎn)換發(fā)光(f un)機(jī)理激發(fā)態(tài)吸收(xshu)能量轉(zhuǎn)移合作敏化合作發(fā)光雙光子吸收光子雪崩第7頁(yè)/共35頁(yè)第八頁(yè)，共35頁(yè)。4f層電子躍遷(yuqin)，受外電子層屏蔽l光學(xué)(gungxu)穩(wěn)定性好l發(fā)射峰窄第8頁(yè)/共35頁(yè)第九頁(yè)，共35頁(yè)。l光色可調(diào)：摻雜物種(wzhng)、摻雜比例（濃度）、摻雜位置l 基質(zhì)類(lèi)型、混色方式第9頁(yè)/共35頁(yè)第十頁(yè)，共35頁(yè)。l（整體(zhngt)）無(wú)發(fā)光閃爍電子躍遷(yuqin)禁阻（磷光而非熒光）l壽命長(zhǎng)第10頁(yè)/共35頁(yè)第十一頁(yè)，共35頁(yè)。l

4、水/溶劑熱法制備UC納米顆粒時(shí)通過(guò)(tnggu)配體控制晶體生長(zhǎng)（尺寸、形貌）l改變(gibin)納米顆粒的親疏水油性（主要是親油變親水）l使表面帶有可以連接生物功能分子的官能團(tuán)，如羥基、羧基l填補(bǔ)表面缺陷；保護(hù)顆粒不受外界影響。提高發(fā)光效率第11頁(yè)/共35頁(yè)第十二頁(yè)，共35頁(yè)。配體加工(ji gng)表面(biomin)聚合配體吸引雙電層聚集具有修飾功能基團(tuán)的親水UC納米顆粒的制備方法和相應(yīng)表面分子 其中，硅包覆法因方法成熟、生物相容性好、有大量可以用于連接生物功能分子的官能團(tuán)而最常用第12頁(yè)/共35頁(yè)第十三頁(yè)，共35頁(yè)。l在Yb/Er摻雜稀土氟化物顆粒納米顆粒濃度為800ug/ml的環(huán)境下

5、培養(yǎng)人類(lèi)咽炎上皮癌KB細(xì)胞20小時(shí)后，測(cè)得細(xì)胞活性沒(méi)有(mi yu)根本性的改變 l目前細(xì)胞體外培養(yǎng)、動(dòng)物活體實(shí)驗(yàn)均表明稀土摻雜的UCNPs有較好的生物(shngw)相容性，但仍需進(jìn)一步研究以確證Biomaterials,2010, 31, 32873295第13頁(yè)/共35頁(yè)第十四頁(yè)，共35頁(yè)。3第14頁(yè)/共35頁(yè)第十五頁(yè)，共35頁(yè)。UC納米顆粒非均相檢測(cè)(jin c)模型示意圖 （a）競(jìng)爭(zhēng)(jngzhng)檢測(cè)（b）非競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)目標(biāo)濃度與磷光強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)目標(biāo)濃度與磷光強(qiáng)度呈正相關(guān)第15頁(yè)/共35頁(yè)第十六頁(yè)，共35頁(yè)。l該實(shí)驗(yàn)把發(fā)射綠光（550nm）和藍(lán)光（475nm）的UCNPs分別接在苯環(huán)己

6、哌啶抗體、安非他命抗體和脫氧麻黃堿抗體、嗎啡抗體上，通過(guò)(tnggu)對(duì)檢測(cè)帶位置及其磷光強(qiáng)度的分析即可做到對(duì)藥物分子的檢測(cè) Anal. Biochem., 2001,293, 2230第16頁(yè)/共35頁(yè)第十七頁(yè)，共35頁(yè)。l該實(shí)驗(yàn)利用小于50nm的（。）顆粒實(shí)現(xiàn)了對(duì)DNA分子的“三明治雜交”紅外檢測(cè)。通過(guò)(tnggu)與磁性納米顆粒的分離手段結(jié)合，這種方法在沒(méi)有PCR放大過(guò)程的情況下檢測(cè)閾值拓至10nM NaYF4:Yb/ErChem. Commun., 2006, 25572559第17頁(yè)/共35頁(yè)第十八頁(yè)，共35頁(yè)。l上轉(zhuǎn)換均相檢測(cè)通?；?jy)供體和受體間的發(fā)光共振能量轉(zhuǎn)移（LRET

7、）過(guò)程進(jìn)行。與非均相檢測(cè)不同的是，均相檢測(cè)利用的是“耦合連接”調(diào)控的信號(hào)，免除了將未耦合的標(biāo)記物分離的過(guò)程 l被檢測(cè)物起到耦合供體和受體的作用(zuyng)，使得共振能量傳遞得以實(shí)現(xiàn)LRET檢測(cè)模型示意圖第18頁(yè)/共35頁(yè)第十九頁(yè)，共35頁(yè)。l與傳統(tǒng)量子點(diǎn)和有機(jī)染料相比(xin b)，上轉(zhuǎn)換磷光體作為L(zhǎng)RET供體顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)，即近紅外輻照只被UC顆粒吸收而不被受體吸收，從而避免了受體直接對(duì)激發(fā)光吸收發(fā)出的干擾信號(hào) l由于(yuy)稀土摻雜元素的發(fā)射峰極其窄和尖銳，在受體發(fā)射譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)沒(méi)有探測(cè)到供體的發(fā)射光 Anal. Chem., 2005, 77, 73487355第19頁(yè)/共35頁(yè)第

8、二十頁(yè)，共35頁(yè)。l一旦“三明治化合物”雜交形成，供體的540nm和653nm的發(fā)射(fsh)就會(huì)分別被AF546和AF700吸收。通過(guò)測(cè)量不同探針對(duì)應(yīng)的不同發(fā)射(fsh)波長(zhǎng)（分別是573nm和723nm）的強(qiáng)度，兩種不同的目標(biāo)核苷酸序列就可被同時(shí)檢測(cè)Analyst, 2009, 134, 17131716第20頁(yè)/共35頁(yè)第二十一頁(yè)，共35頁(yè)。l此為基于熒光猝滅原理的酶活檢測(cè)：利用AF680作為(zuwi)熒光體吸收上轉(zhuǎn)換能量而利用BBQ650以猝滅AF680的熒光。AF680和BBQ650分別被接在一條DNA單鏈的5和3端。通過(guò)一種benzonase核酸內(nèi)切酶的催化作用，低聚核苷酸鏈被切

9、斷從而恢復(fù)了AF689的熒光發(fā)射 Angew. Chem., Int. Ed., 2008, 47, 38113813第21頁(yè)/共35頁(yè)第二十二頁(yè)，共35頁(yè)。4第22頁(yè)/共35頁(yè)第二十三頁(yè)，共35頁(yè)。(a)本底熒光(ynggung)輻射在單獨(dú)近紅外光的激發(fā)下被完全避免 (b)在980nm激發(fā)(jf)下，可以清楚地觀(guān)察到強(qiáng)上轉(zhuǎn)換發(fā)光而沒(méi)有自體熒光的干擾 (c)上轉(zhuǎn)換納米顆粒幾乎沒(méi)有光漂白現(xiàn)象Anal. Biochem., 1999, 267, 3036.Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2009,106, 1091710921.Anal. Chem., 2009,

10、 81, 930935.第23頁(yè)/共35頁(yè)第二十四頁(yè)，共35頁(yè)。(a)尺寸范圍在50150nm范圍內(nèi)的（。）納米顆粒接種入了活的線(xiàn)蟲(chóng)(xin chn)C. elegans中，接著對(duì)其消化系統(tǒng)進(jìn)行成像監(jiān)測(cè) ,表現(xiàn)出較好的光學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性Y2O3:Yb/Er(b)利用從近紅外到近紅外的上轉(zhuǎn)換納米顆粒對(duì)BALB-C小鼠活體成像。其明顯優(yōu)勢(shì)在于其吸收和發(fā)射區(qū)間都處于近紅外區(qū)，使得對(duì)成像組織(zzh)的穿透能力大大加強(qiáng) Nano Lett., 2006, 6, 169174.Nano Lett., 2008, 8, 38343838.第24頁(yè)/共35頁(yè)第二十五頁(yè)，共35頁(yè)。1h4h24hl對(duì)U87

11、MG腫瘤(zhngli)的目標(biāo)成像。顯示出較高的成像信/噪比；且MCF-7腫瘤(zhngli)的存在未對(duì)成像的特異性產(chǎn)生干擾Anal. Chem., 2009, 81, 86878694第25頁(yè)/共35頁(yè)第二十六頁(yè)，共35頁(yè)。l擴(kuò)散光學(xué)層析成像(DOT)是一種生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，利用散射光信號(hào)的變化來(lái)探測(cè)組織結(jié)構(gòu)的變化 。l通常在實(shí)驗(yàn)中，由狹窄的平行光束照射高度散射性的組織媒介，穿出組織的光信號(hào)由組織表面的探測(cè)陣列接收。由于腫瘤組織對(duì)光有異常的吸收和散射特性，因此可以通過(guò)分析光學(xué)數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別腫瘤或變異組織。 l為從DOT掃描得到高質(zhì)量的光學(xué)數(shù)據(jù)，降低噪聲和組織本底輻射強(qiáng)度尤為重要。上轉(zhuǎn)換納米顆粒吸

12、收近紅外光、發(fā)射(fsh)反斯托克斯位移光的特性使其得以探測(cè)信號(hào)而免于本底輻射的干擾，因而被認(rèn)為是DOT中一種理想的熒光體。 第26頁(yè)/共35頁(yè)第二十七頁(yè)，共35頁(yè)。l利用（。）納米顆粒對(duì)明膠假體組織進(jìn)行DOT掃描。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明UC納米顆粒的磷光分布較窄且其強(qiáng)度有較高的一致性。而有機(jī)熒光體（若丹明6G）在目標(biāo)成像體兩端給出的光學(xué)信號(hào)出現(xiàn)(chxin)嚴(yán)重偏差。上轉(zhuǎn)換過(guò)程給出了更加清晰的目標(biāo)形貌，因而使得區(qū)分近距離的目標(biāo)信號(hào)成為可能 NaYF4:Yb/TmAppl. Phys. Lett.,2009, 94, 251107.第27頁(yè)/共35頁(yè)第二十八頁(yè)，共35頁(yè)。l 納米顆粒(kl)在乳腺癌細(xì)胞

13、（SK-BR-3）的光學(xué)及磁共振成像中的應(yīng)用 Gd3+NaGdF4:Yb/Erl將 摻入晶體(jngt)基質(zhì)晶格中，由于釓被廣泛用作磁共振成像(MRI)造影劑，因而這種顆?？梢酝瑫r(shí)用于光、磁造影 Gd3+Adv. Mater., 2009, 21,44674471.第28頁(yè)/共35頁(yè)第二十九頁(yè)，共35頁(yè)。5第29頁(yè)/共35頁(yè)第三十頁(yè)，共35頁(yè)。l鑒于癌癥細(xì)胞在紅光照射下易受某些特定的光敏化學(xué)物質(zhì)攻擊的發(fā)現(xiàn)，人們發(fā)明了癌癥光能療法（PDT），這種療法效率高，對(duì)正常組織無(wú)侵害性，是一種對(duì)癌癥或癌變前癥較為經(jīng)濟(jì)的治療手段。l大體上講，PDT包括三個(gè)基本步驟：l(1)光敏物質(zhì)由表面修飾的功能分子“導(dǎo)向

14、”到特定的腫瘤細(xì)胞或組織中l(wèi)(2)用預(yù)定的劑量照射癌變部位以激活光敏物質(zhì) l(3)光敏物質(zhì)釋放出活性氧殺死臨近異常(ychng)細(xì)胞，而對(duì)周?chē)＝M織沒(méi)有影響。第30頁(yè)/共35頁(yè)第三十一頁(yè)，共35頁(yè)。l傳統(tǒng)的PDT療法中用以激活光敏物質(zhì)的光束大約只能(zh nn)穿透一厘米的組織，因而PDT主要用于治療皮下或內(nèi)臟表層的腫瘤；其另一個(gè)缺點(diǎn)在于其在治療大腫瘤或擴(kuò)散性腫瘤時(shí)效率較低 lUC納米顆粒近紅外的激發(fā)(jf)光有較強(qiáng)的組織穿透能力，其發(fā)出的可見(jiàn)光可以激發(fā)(jf)光活性物質(zhì)進(jìn)而產(chǎn)生ROS。此外，這些納米顆?？梢暂^方便地進(jìn)行癌細(xì)胞的目標(biāo)導(dǎo)向 第31頁(yè)/共35頁(yè)第三十二頁(yè)，共35頁(yè)。6第32頁(yè)/共35頁(yè)第三十三頁(yè)，共35頁(yè)。l討論了發(fā)光上轉(zhuǎn)換納米顆粒的原理及其在生物領(lǐng)域應(yīng)用方面的新進(jìn)展。這些方法的研發(fā)為紅外敏感分子的無(wú)光損探測(cè)(tnc)及良好穿透能力的細(xì)胞觀(guān)察提供了有力的工具。l除了可以作為具有