【正文】 基于上轉(zhuǎn)換熒光納米材料在化學(xué)生物中的應(yīng)用 摘 要：稀土摻雜氟化物上轉(zhuǎn)換納米材料因其特有的發(fā)光性能，使其在生物能源、 化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、 光電子動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛而重要的應(yīng)用。本文對(duì)上轉(zhuǎn)換納米材料就當(dāng)前的修飾、 化學(xué)無(wú)機(jī)物的檢測(cè)， 以及在生物分子檢測(cè)，生物成像標(biāo)記，免疫分析，疾病診斷等方面的最新研究進(jìn)展做一綜述，并討論了上轉(zhuǎn)換材料在化學(xué)生物領(lǐng)域的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：上轉(zhuǎn)換； 無(wú)機(jī)物； 生物分子； 成像； 標(biāo)記； 免疫； 疾病診斷； 綜述 1 引 言 上轉(zhuǎn)換納米材料是一類比較特殊的稀土摻雜無(wú)機(jī)發(fā)光材料，它 可以通過(guò)多光子機(jī)制將近紅外光轉(zhuǎn)換成短波輻射，發(fā)射出紫外或者可見(jiàn)光，即 antiSt246。kes 發(fā)光。該類材料具有如下諸多優(yōu)點(diǎn) [17, 40]：①化學(xué)穩(wěn)定性良好，發(fā)光過(guò)程幾乎不受溫度、濕度、 pH 等的影響；②光化學(xué)穩(wěn)定性好，長(zhǎng)時(shí)間在強(qiáng)光或激發(fā)光照射下仍具有很高的光學(xué)穩(wěn)定性，且不易被光解；③上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料發(fā)光是 antiSt246。kes 發(fā)光，其激發(fā)波長(zhǎng)一般是近紅外或紅外光，而在生物體系中，大部分干擾物不會(huì)被激發(fā)，降低了檢測(cè)背景，使得靈敏度獲得很大的提高；④上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的近紅外或紅外激發(fā)光波長(zhǎng)長(zhǎng)，能量低，所以可以很好的穿透一些生物組織而不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生傷害；⑤上轉(zhuǎn)換納米材料是稀土摻雜材料，這相比于一些常用的熒光染料，價(jià)格低廉。而且其激發(fā)光源采用的是廉價(jià)高效的 980 nm 紅外激光器，檢測(cè)裝置比較簡(jiǎn)單；⑥發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)。例如選擇 NaYF4作為基質(zhì)，合成過(guò)程中摻雜不同的稀土離子可以得到不同顏色的發(fā)射熒光。從以上優(yōu)點(diǎn)可以看出上轉(zhuǎn)換納米材料是一類非常優(yōu)越的生物標(biāo)記材料。 目前稀土發(fā)光上轉(zhuǎn)換納米材料的制備方法很多，主要有共沉淀法、 水熱法、 溶膠 凝膠法、 微乳液法、 燃燒法、 噴霧熱解法、 氣相沉積法等。只要合理調(diào)控?fù)诫s離子， 這些合成手段都可擴(kuò)展到制備上轉(zhuǎn)換。然而，為了滿足尺寸、形貌可控、上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率高及生物應(yīng)用的要求， 目前發(fā)展了一些有效的方法來(lái)制備上轉(zhuǎn)換，主要有油 酸或者亞油酸協(xié)助的水熱合成法、 三氟乙酸稀土鹽熱分解法、 液相共沉淀法。如果在合成過(guò)程當(dāng)中加入一些金屬、非金屬或高聚物還能獲得一系列方便使用、更多性能的上轉(zhuǎn)換材料。 目前上轉(zhuǎn)換熒光納米材料在很多領(lǐng)域已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。通過(guò)對(duì)其摻雜一些其他物質(zhì)，譬如金屬，氧化物，非金屬及高分子有機(jī)物，或在其合成后對(duì)其表面進(jìn)行層層組裝等修飾而獲得了一系列具有很好水溶性和生物相容性的光敏材料。經(jīng)過(guò)修飾后的材料設(shè)計(jì)成各種生物傳感器已廣泛用于化學(xué)無(wú)機(jī)物的檢測(cè)， 以及生物分子檢測(cè)，生物成像標(biāo)記，免疫分析，疾病診斷等領(lǐng)域。 本文主要基于上 轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用，綜述了今年來(lái)上轉(zhuǎn)換材料在生物傳感器等領(lǐng)域中的各種應(yīng)用并討論了其應(yīng)用前景。 2 上轉(zhuǎn)換熒光納米材料在化學(xué)、生物中的應(yīng)用 上轉(zhuǎn)換材料的表面修飾 在諸多的合成方法中，大多數(shù)合成后表面通常是疏水的有機(jī)配體，導(dǎo)致他們不具有水溶性和生物相容性。要對(duì)上轉(zhuǎn)換用于化學(xué)生物研究必須對(duì)其進(jìn)行修飾，使其表面帶有一定的親水基團(tuán)，例如氨基、羧基、醛基、巰基等。當(dāng)這些基團(tuán)修飾上去之后，上轉(zhuǎn)換材料不僅具有一定的相容性，還能更方便的和其他物質(zhì)進(jìn)行連接，進(jìn)一步做成生物傳感器，用于化學(xué)、生物領(lǐng)域的多種應(yīng)用。 表面氨基 的修飾方法： SiO2 包裹法是比較成熟，使用比較廣泛的氨基修飾方法。其大概修飾過(guò)程是在含有上轉(zhuǎn)換的有機(jī)溶劑中，依次加入氨水、水和正硅酸乙酯（ TEOS）從而得到硅包裹的上轉(zhuǎn)換，然后加入溶解在有機(jī)溶劑的氨丙基三乙氧基硅烷（ APTES），最后得到表面氨基修飾的上轉(zhuǎn)換。另外通過(guò)使用 PAH 對(duì)上轉(zhuǎn)換進(jìn)行層層組裝得到表面帶氨基的上轉(zhuǎn)換材料。 Wang 等用聚乙烯亞胺 (PEI)為穩(wěn)定劑和表面修飾劑，在乙醇和水的混合溶劑中合成出粒徑在 50 nm 左右、表面PEI 修飾的 N a Y F 4 ： Y b， E r／ T m 上轉(zhuǎn)換納米顆粒。 上轉(zhuǎn) 換表面羧基的修飾主要有配體交換法、直接合成法，層層組裝法、配體氧化法等。 Chow 課題組利用兩端為羧酸的聚乙二醇取代上轉(zhuǎn)換表面的油胺配體，制備了親水性的、 羧酸功能化的上轉(zhuǎn)換， 配體上自由的羧酸可用于連接生物分子。另外使用聚丙烯酸（ PAA）對(duì)上轉(zhuǎn)換進(jìn)行后修飾或者在合成中使用 PAA 做穩(wěn)定劑和包裹劑，對(duì)在合成中加入 PAA 的上轉(zhuǎn)換，其表面羧基進(jìn)行活化就可以進(jìn)一步加以應(yīng)用。另外在 APTES 修飾的上轉(zhuǎn)換溶液中加入 PB（ ）適量緩沖溶液溶解后的琥珀酸酐也可以得到羧基修飾的上轉(zhuǎn)換。配體氧化法對(duì)上轉(zhuǎn)換進(jìn)行羧基修飾就 是利用 Lemieuxvon Rudloff 試劑 (KMnO4 + NaIO4 水溶液 )將上轉(zhuǎn)換表面的油酸配體氧化成壬二酸配體從而得到親水性的、羧酸功能化的上轉(zhuǎn)換材料。 上轉(zhuǎn)換表面醛基和巰基的修飾：其修飾過(guò)程是在臭氧存在的特定條件下直接氧化其表面的油酸從而使其表面帶有羧基或醛基。這種氧化修飾過(guò)程對(duì)上轉(zhuǎn)換的形態(tài)、組成、光學(xué)性能沒(méi)有太大影響。其巰基的修飾過(guò)程就是在醛基的基礎(chǔ)上加入巰基乙胺（ HEMA）從而獲得巰基修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料。 另外為了滿足需要，比如在應(yīng)用過(guò)程中需要對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行分離、提高上轉(zhuǎn)換的光學(xué)性質(zhì)，因此 引入了無(wú)機(jī)殼層修飾法。一般是采用無(wú)機(jī)物（ Ag、 Au 等）為殼來(lái)鈍化量子點(diǎn)的表面，這樣能大大提高了量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率，從而使量子點(diǎn)具有較強(qiáng)的熒光發(fā)射?；蛘咴诤铣珊蟮纳限D(zhuǎn)換材料表面在包裹一層磁性 Fe2O3，實(shí)現(xiàn)了在檢測(cè)過(guò)程中對(duì)目標(biāo)物的分離定性。在上轉(zhuǎn)換材料中摻雜一些堿土金屬離子（ Li和 K），根據(jù)堿土金屬的數(shù)量可以調(diào)制上轉(zhuǎn)換的熒光。 基于上轉(zhuǎn)換材料傳感器檢測(cè)無(wú)機(jī)物 利用上轉(zhuǎn)換納米熒光材料做成的傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些重金屬離子及有害無(wú)機(jī)陰離子的檢測(cè)，并且還應(yīng)用于生物體內(nèi)的離子成像等。 Zhang 等把氨基修飾的 DNA通過(guò) 共價(jià)鍵連接在羧基修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料上，然后加入染料和 Hg2+，利用 DNA 與 Hg 形成 THgT 結(jié)構(gòu)的原理把染料嵌入其中，從而實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換與染料之間的共振能量轉(zhuǎn)移達(dá)到 檢測(cè) Hg2+的 目的。 Liu 等首先通過(guò)化合物 N719 與上轉(zhuǎn)換表面的油胺（ OM）鏈交換，當(dāng) Hg2+加進(jìn)去結(jié)合到化合物 N719 上，實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換與化合物 N719 之間的能量轉(zhuǎn)移，這種傳感器達(dá)到了對(duì)Hg2+ 的檢測(cè)限，并且還能應(yīng)用于體內(nèi) Hg2+的成像。 Zhou 等設(shè)計(jì)一種對(duì) Ce4+離子檢測(cè) 的傳感器。達(dá)到了 5106mol/L至 5104mol/L的檢測(cè)范圍。 Zhang 等利用上轉(zhuǎn)換與 RB酰肼設(shè)計(jì)了一種檢測(cè) Cu2+的傳感器 ，該種檢測(cè) Cu2+的方法無(wú)熒光背景干擾，容易操作且具有很好的選擇性。 Chen 等通過(guò) sulfanilamide 與 NO2 、N(1naphtyl)ethylenediamine dihydrochloride(N1NED)在酸性條 件 下 形 成 在 550nm 有 強(qiáng) 烈 吸 收 的 化 合 物4((4(2aminoethylamino)naphthalen1yl)diazenyl) benzenesulfonic acid dihydrochloride(ANDBS)，然后使其連接到上轉(zhuǎn)換材料上利用 ANDBS對(duì)熒光的猝滅實(shí)現(xiàn)了對(duì)痕量 NO2的檢測(cè)。 Liu等利用含釔的發(fā)色團(tuán)包裹的上轉(zhuǎn)換利用在加入 CN之后上轉(zhuǎn)換熒光的復(fù)現(xiàn)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì) CN的檢 測(cè)，并用于體內(nèi) CN的成像。 Yao 等同樣利用釔化合物修飾的上轉(zhuǎn)換基于其 LRET 原理成功檢測(cè)了純水中的 CN。 Heike 等把苯酚紅和上轉(zhuǎn)換固定在聚苯乙烯材料中，利用氨的特定穿透性質(zhì)設(shè)計(jì)了檢測(cè)氨的傳感器。 Xie 等利用雙熒光的上轉(zhuǎn)換納米棒設(shè)計(jì)了對(duì)體內(nèi) pH 和 金屬離子 的檢測(cè)。 Sun 等基于 BTB 在不同 pH 中具有 不同強(qiáng)度可見(jiàn)光吸收，利用上轉(zhuǎn)換熒光納米棒設(shè)計(jì)了檢測(cè)范圍在610 的 pH 傳感器。 Daniela E. Achatz 把上轉(zhuǎn)換和氧探針固定在乙基纖維素（ EC）當(dāng)中，利用氧較強(qiáng)的滲透 EC 的能力做成了 檢測(cè)氧 的傳感器，該對(duì)氧的傳感器避免了生物體內(nèi)熒光背景干擾。 Reham Ali等基于含有上轉(zhuǎn)換材料和長(zhǎng)波長(zhǎng)吸收的 pH 探針 BTB 的聚苯乙烯薄片的光學(xué)訊號(hào)，設(shè)計(jì)了 檢測(cè) CO2 的傳感器，該傳感器對(duì) CO2 的檢測(cè)范圍為 03%。 Garry Glaspell 等將 2,4,6三硝基甲苯（ TNT）加入到抗體連接的上轉(zhuǎn)換和染料構(gòu)成的傳感器中， 利用 TNT 替代淬滅劑利用上轉(zhuǎn)換熒光復(fù)現(xiàn) 檢測(cè)了 TNT。 上轉(zhuǎn)換納米材料傳感器對(duì)生物分子的檢測(cè) 上轉(zhuǎn)換對(duì) 核酸 的生物傳感 Wang等首先用探針 DNA包被的磁性納米粒子和捕獲 DNA包被的綠色上轉(zhuǎn)換納米材料共同與目標(biāo) DNA 進(jìn)行雜交，然后磁分離實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA 的檢測(cè)。另外，利用 mRNA 進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄并通過(guò)處理后得到生物素修飾的 cDNA， cDNA 與目標(biāo) DNA 進(jìn)行雜交然后通過(guò)鏈霉親和素與生物素修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料進(jìn)行共價(jià)結(jié)合得到一類檢測(cè) DNA 的傳感器。Shan Jiang 等把染料 BOBO3 或 POPO3 嵌入雜交后的 siRNA、質(zhì)粒DNA 中，與修飾后后表面帶正電荷的上轉(zhuǎn)換納米材料通過(guò)靜電作用實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換與染料之間的能量轉(zhuǎn)移從而獲得一類檢測(cè)核酸的傳感器。Zhang 等首先把適體 DNA 連接到上轉(zhuǎn)換上，該 DNA 與另一條染料修飾的 DNA 共同和目標(biāo)寡核苷酸進(jìn)行雜交，利用上轉(zhuǎn)換與染料 TAMRA 之間的能量轉(zhuǎn)移達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)核酸的目的。同時(shí)他把單鏈 DNA 共價(jià)連接到上轉(zhuǎn)換上，當(dāng)加入目標(biāo) DNA 和染料時(shí)，染料嵌入 DNA 雙鏈中，利用上轉(zhuǎn)換和染料之間的能量轉(zhuǎn)移也得到一類檢測(cè) DNA的傳感器。 Moritz M. Rubner 等把疊氮丙基三 乙氧基硅烷修飾在上轉(zhuǎn)換納米材料表面，然后與乙炔基修飾的單鏈核酸進(jìn)行連接做成了可以識(shí)別互補(bǔ) DNA 及非特異性的交聯(lián)細(xì)胞膜的水溶性材料并用于了細(xì)胞成像。 Minna 等利用上轉(zhuǎn)換熒光標(biāo)記技術(shù)檢測(cè)了寡核苷酸并標(biāo)記了遺傳人體腺病毒。 上轉(zhuǎn)換對(duì)蛋白質(zhì)類生物分子檢測(cè) 張等利用氨基修飾的上轉(zhuǎn)換作為能量供體，帶有羧基的藻紅蛋白作為受體，利用共振能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)了對(duì) 藻紅蛋白 的檢測(cè)，該傳感器對(duì)藻紅蛋白達(dá)到了 。 Wang 等用碳球作為能量受體，上轉(zhuǎn)換作為供體，基于二者之間 FRET 原理先后設(shè)計(jì)了檢測(cè) 凝血酶你和金屬蛋白酶 的 傳感器。 Wang 等利用生物素修飾的上轉(zhuǎn)換納米粒作為供體和 AuNPs 作為受體，設(shè)計(jì)的檢測(cè) 抗生物素蛋白 的傳感器。 Terhi Rantanen 等利用染料對(duì)上轉(zhuǎn)換的熒光猝滅設(shè)計(jì)了 檢測(cè)核苷酸內(nèi)切酶和水解酶活性 的生物傳感器。 上轉(zhuǎn)換對(duì)其他生物分子的檢測(cè) 由于上轉(zhuǎn)換納米材料在生物的檢測(cè)過(guò)程中不產(chǎn)生氧化物中間體，因此在生物領(lǐng)域具有其特有的優(yōu)勢(shì)。 Song 等把抗生物素蛋白修飾在上轉(zhuǎn)換表面使其與生物素修飾的適體主鏈 DNA 連接，該適體鏈與帶染料 TAMRA 的 DNA 雜交，當(dāng) ATP 加入時(shí)利用其熒光恢復(fù)實(shí)現(xiàn)對(duì) ATP 的靈敏檢測(cè) 。 Liu 等利用單鏈 DNA 與石墨烯的特定作用，以石墨烯為能量受體也設(shè)計(jì)了一種檢測(cè) ATP 的傳 感器，使其檢測(cè)限達(dá)到 。 Zhang等把伴刀豆蛋白修飾在上轉(zhuǎn)換材料上，把殼聚糖固定在石墨烯上，構(gòu)建了從上轉(zhuǎn)換到石墨烯能量轉(zhuǎn)移 檢測(cè)葡萄糖的 傳感器。 Deng 等把KMnO4還原后得到的 MnO2納米片固定在上轉(zhuǎn)換材料上，谷胱甘肽把 MnO2還原使之變成 Mn2+離開(kāi)上轉(zhuǎn)換表面從而實(shí)現(xiàn)了對(duì) 谷胱甘肽靈敏檢測(cè) 。Katri Kuningas 等利用抗體、染料、上轉(zhuǎn)換納米材料構(gòu)建了一種檢測(cè) 雌二醇 的生物傳感器。 Terhi Rantanen 等基于 串聯(lián)染料受體和上轉(zhuǎn)換納米材料之間的 FRET 原理構(gòu)建了同質(zhì)生物親和性分析的傳感器。 上轉(zhuǎn)換納米材料在免疫分析中的應(yīng)用 上轉(zhuǎn)換納米熒光材料也廣泛用于抗原抗體分析，其傳感器用于多種細(xì)菌、霉素的檢測(cè)。基于抗原抗體的特異性結(jié)合，該類傳感器不僅用于細(xì)胞成像，生物標(biāo)記，也用于作為中間連接體檢測(cè)其他物質(zhì)。其一般過(guò)程是首先用 Si、 PEI 或 PAA 修飾上轉(zhuǎn)換納米顆粒，再在其上連接抗原或抗體使其具有生物相容性或獲得與其他物質(zhì)的特異性結(jié)合位點(diǎn)。 Wang 等把人類免疫球蛋白 G（ IgG）固定在氨基修飾的 Au NPs 上，并以此 為受體，把兔抗山羊 IgG 固定在氨基修飾的上轉(zhuǎn)換納米材料上，當(dāng)加入山羊抗人 IgG 時(shí)，在 Au NPs 和上轉(zhuǎn)換納米粒之間構(gòu)成了LRET 系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)了 檢測(cè)山羊抗人 IgG。 圖： NaYF4： Yb， Er UCNPs (供體 ) 和 Au NPs (受體 )之間的共振能量轉(zhuǎn)移原理示意圖 Schematic Illustration for the LRET Process between NaYF4:Yb, Er UCNPs (Donor) and Au NPs (Acceptor) Katri Kuningas 等以 上轉(zhuǎn)換熒光體為供體，熒光蛋白或小分子熒光染料為受體構(gòu)建了檢測(cè)整個(gè)血液中的 17β雌二醇生物 傳感器。 Huang等以抗體修飾的磁性納米粒子作為捕獲探針，抗體修飾的上轉(zhuǎn)換納米粒子作為檢測(cè)探針，構(gòu)建了一種靈敏檢測(cè)人體血清中的 癌胚抗原（ CEA）。 Wang 等使用抗原、抗體修飾上轉(zhuǎn)換熒光納米粒子實(shí)現(xiàn)了對(duì)海拉細(xì)胞的免疫標(biāo)記和熒光成像。 Li 等基于上轉(zhuǎn)換側(cè)向流動(dòng)分析技術(shù)快速、定量檢測(cè)了 乙型肝炎 B 表面抗體 。 Paul . Corstjens等使用同種技術(shù)檢測(cè)了體液和細(xì)胞中的 IL10，對(duì)血清中 IL10 的檢測(cè)限達(dá)到 100pg/ml。 Qu 等基于該方法快速定量檢測(cè)了 布魯氏菌 。 Paul L. A. M. Corstjens 等基于此檢測(cè)了 吸血蟲(chóng)血清中的抗體 。 Nuo Duan 等設(shè)計(jì)