稀土細(xì)胞活體成像

稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換(Upconverting)納米材料應(yīng)用于細(xì)胞、活體成像徐成2012.2.7一、稀土元素的發(fā)光特性：稀土元素：鑭系元素（15種）——鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu)，+鈧(Sc)和釔(Y)，共17種。稀土元素具有獨(dú)特的4f電子層排布使其化合物具有多種的熒光特性，可用于生物成像、生物標(biāo)記。1、發(fā)射光譜豐富，可發(fā)射紅外到可見(jiàn)到紫外各種光譜。大多數(shù)稀土元素可在7個(gè)4f軌道上任意排布，發(fā)光基于f-f、f-d組態(tài)能級(jí)躍遷，最多能發(fā)射3萬(wàn)多條光譜。2、熒光壽命長(zhǎng)，一般原子10-10-10-8S，稀土元素可達(dá)到10-6-10-2S。3、4f電子層吸收激發(fā)能量強(qiáng)，轉(zhuǎn)化效率高。4、f-f層躍遷呈現(xiàn)尖銳線狀光譜，發(fā)光純度高。二、常見(jiàn)生物成像、生物標(biāo)記納米材料的優(yōu)劣：1、有機(jī)熒光染料：如羅丹明(Rhodamine)、FITC。熒光持續(xù)時(shí)間短，細(xì)胞毒性小，易進(jìn)入細(xì)胞。2、半導(dǎo)體量子點(diǎn)：如CdS,CdSe,CdTe。優(yōu)點(diǎn):(1)熒光持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；(2)較大的stokes位移，避免了激發(fā)光譜和發(fā)射光譜重疊；(3)寬的激發(fā)光譜和窄的發(fā)射光譜，用同一光源激發(fā)不同粒徑量子點(diǎn)。缺點(diǎn)：不穩(wěn)定，在細(xì)胞內(nèi)分解，釋放出重金屬離子，使用受到限制。不同大小的CdSeQD發(fā)光情況——NatureMaterial,2005,4羅丹明6G量子點(diǎn)羅丹明——NatureMaterial,2010,9CdSe量子點(diǎn)連接多巴胺，對(duì)不同的pH值，顏色變化。細(xì)胞核量子點(diǎn)染色，細(xì)胞質(zhì)有機(jī)染料染色。與上相反。2、有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)無(wú)法克服的缺陷：(1)大多有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光波長(zhǎng)均處于紫外及可見(jiàn)光區(qū)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)激發(fā)熒光，生物體內(nèi)的核酸、多肽、蛋白質(zhì)等也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光背景，即自熒光。使檢測(cè)的靈敏度降低。(2)生物體對(duì)紫外激發(fā)光的吸收很強(qiáng)，使得紫外光的穿透能力減弱。無(wú)法進(jìn)行深層次生物組織成像。(3)紫外光對(duì)細(xì)胞或生物體本身有較大的傷害?！狽atureBiotechnol.,2004使用近紅外量子點(diǎn)，豬表皮下成像三、稀土元素?fù)诫s的上轉(zhuǎn)換（upconverting）納米材料：1、上轉(zhuǎn)換稀土納米材料：一般熒光激發(fā)為下轉(zhuǎn)換：受到一個(gè)高能量的光子激發(fā)，發(fā)射一個(gè)低能量的光子。如紫外光激發(fā)，發(fā)射可見(jiàn)光。缺點(diǎn)：易產(chǎn)生自熒光，相當(dāng)多的激發(fā)光被吸收、散射。

上轉(zhuǎn)換熒光激發(fā)，即用低能量的光子激發(fā)產(chǎn)生高能量的光子，如紅外、近紅外激發(fā)，產(chǎn)生可見(jiàn)或近紅外光。近紅外激發(fā)（975nm）發(fā)光，475nm藍(lán)光和800nm近紅外光合成NaYF4納米晶(20-30nm)摻雜稀土離子Tm3+

銩Yb3+鐿?！狽anoletters,2008,11,38342、上轉(zhuǎn)換稀土納米材料生物成像優(yōu)勢(shì)：（1）：低背景熒光，高靈敏度。激發(fā)光、發(fā)射光都可為近紅外激發(fā)光，易于與生物體內(nèi)的自發(fā)的熒光或者其它熒光染料分辨開(kāi)。（2）：深層次生物組織成像。激發(fā)光為近紅外激發(fā)易于穿過(guò)生物組織，減少了光散射。更好的用于活體成像。（3）：低毒性、低傷害。比之量子點(diǎn)，稀土元素的毒性較低。不采用紫外光激發(fā)，對(duì)細(xì)胞、組織傷害小。（4）：發(fā)光壽命較長(zhǎng)，穩(wěn)定。普通熒光顯微鏡的汞燈為紫外-近紫外激發(fā)細(xì)胞、活體成像：人胰腺癌細(xì)胞近紅外975nm激光激發(fā)。將這種稀土摻雜材料注射入小白鼠后，全身活體成像。右圖為部分解剖，可見(jiàn)近紅外熒光來(lái)自肝臟和脾臟。組織器官對(duì)其有高的攝入?！狽anoletters,2008,11,3834深層次組織成像復(fù)旦大學(xué)，李福友合成了葉酸(FA)修飾的稀土摻雜納米顆粒(NaYF4:20mol%Yb鐿,2mol%Er鉺)。3、上轉(zhuǎn)換稀土納米材料靶向成像：——Biomaterials,2009,30,5592.980nm近紅外激發(fā)，514nm-560nm，635nm-680nm發(fā)射光譜復(fù)旦大學(xué)，李福友20nm左右的納米球。靶向細(xì)胞、活體成像：Yb鐿，Er鉺摻雜NaYF4顆粒，進(jìn)入Hela細(xì)胞成像圖活體熒光成像（將Hela細(xì)胞打入裸鼠右腿形成腫瘤，再尾靜脈注射FA修飾的NaYF4顆粒成像）A:不修飾FA，B:修飾FA——Biomaterials,2009,30,5592.腫瘤腫瘤積累在肝、脾臟4、磁性上轉(zhuǎn)換納米材料，光磁雙模成像：NaGdF4為基質(zhì)材料，制備出具有磁性的上轉(zhuǎn)換納米材料。Gd,釕。20nm左右。老鼠肝臟和脾臟磁共振（MRI），注射10分鐘后，NaGdF4磁性材料的積累。980nm激發(fā)——ACSNANO,2011,5,3146復(fù)旦大學(xué)，李福友肝臟積累29.4%（10min）脾臟積累30.5%(10min)800nm發(fā)射TEM5、915nm激發(fā)Tm3+/Er3+/Ho3+-DopedNaYbF4上轉(zhuǎn)換納米材料。經(jīng)作者計(jì)算，使用915nm激發(fā)，更易穿透生物組織，實(shí)現(xiàn)深層成像，同時(shí)，產(chǎn)生更熱量。980nm915nm——ACSNANO,2011,5,374420-30nm顆粒——ACSNANO,2011,5,3744活體成像：NaYbF4:Yb3+/Tm3+注射