上转换荧光材料在化学生物中的应用

基于上转换荧光纳米材料在化学生物中的应用

摘要：稀土掺杂氟化物上转换纳米材料因其特有的发光性能，使其在生物能源、化学、生物医学、光电子动力学等领域已经获得了广泛而重要的应用。本文对上转换纳米材料就当前的修饰、化学无机物的检测，以及在生物分子检测，生物成像标记，免疫分析，疾病诊断等方面的最新研究进展做一综述，并讨论了上转换材料在化学生物领域的应用前景。

关键词：上转换；无机物；生物分子；成像；标记；免疫；疾病诊断；

综述

1引言

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anti-St?kes发光。该类材料具有如下诸多优点[17, 40]：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，长时间在强光或激发光照射下仍具有很高的光学稳定性，且不易被光解；③上转换发光材料发光是anti-St?kes发光，其激发波长一般是近红外或红外光，而在生物体系中，大部分干扰物不会被激发，降低了检测背景，使得灵敏度获得很大的提高；④上转换发光材料的近红外或红外激发光波长长，能量低，所以可以很好的穿透一些生物组织而不会对其产生伤害；⑤上转换纳米材料是稀土掺杂材料，这相比于一些常用的荧光染料，价格低廉。而且其激发光源采用的是廉价高效的980 nm红外激光器，检测装置比较简单；⑥发光波长可调。例如选择NaYF4作为基质，合成过程中掺杂不同的稀土离子可以得到不同颜色的发射荧光。从以上优点可以看出上转换纳米材料是一类非常优越的生物标记材料。

目前稀土发光上转换纳米材料的制备方法很多，主要有共沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、微乳液法、燃烧法、喷雾热解法、气相沉积法等。只要合理调控掺杂离子，这些合成手段都可扩展到制备上转换。然而，为了满足尺寸、形貌可控、上转换发光效率高及生物应用的要求，目前发展了一些有效的方法来制备上转换，主要有油酸或者亚油酸协助的水热合成法、三氟乙酸稀土盐热分解法、液相共沉淀法。如果在合成过程当中加入一些金属、非金属或高

聚物还能获得一系列方便使用、更多性能的上转换材料。

目前上转换荧光纳米材料在很多领域已经获得广泛应用。通过对其掺杂一些其他物质，譬如金属，氧化物，非金属及高分子有机物，或在其合成后对其表面进行层层组装等修饰而获得了一系列具有很好水溶性和生物相容性的光敏材料。经过修饰后的材料设计成各种生物传感器已广泛用于化学无机物的检测，以及生物分子检测，生物成像标记，免疫分析，疾病诊断等领域。

本文主要基于上转换材料的应用，综述了今年来上转换材料在生物传感器等领域中的各种应用并讨论了其应用前景。

2 上转换荧光纳米材料在化学、生物中的应用

2.1 上转换材料的表面修饰

在诸多的合成方法中，大多数合成后表面通常是疏水的有机配体，导致他们不具有水溶性和生物相容性。要对上转换用于化学生物研究必须对其进行修饰，使其表面带有一定的亲水基团，例如氨基、羧基、醛基、巯基等。当这些基团修饰上去之后，上转换材料不仅具有一定的相容性，还能更方便的和其他物质进行连接，进一步做成生物传感器，用于化学、生物领域的多种应用。

表面氨基的修饰方法：SiO2包裹法是比较成熟，使用比较广泛的氨基修饰方法。其大概修饰过程是在含有上转换的有机溶剂中，依次加入氨水、水和正硅酸乙酯（TEOS）从而得到硅包裹的上转换，然后加入溶解在有机溶剂的氨丙基三乙氧基硅烷（APTES），最后得到表面氨基修饰的上转换。另外通过使用PAH对上转换进行层层组装得到表面带氨基的上转换材料。Wang等用聚乙烯亚胺(PEI)为稳定剂和表面修饰剂，在乙醇和水的混合溶剂中合成出粒径在50 nm左右、表面PEI修饰的N a Y F 4：Y b，E r／T m上转换纳米颗粒。

上转换表面羧基的修饰主要有配体交换法、直接合成法，层层组装法、配体氧化法等。Chow课题组利用两端为羧酸的聚乙二醇取代上转换表面的油胺配体，制备了亲水性的、羧酸功能化的上转换，配体上自由的羧酸可用于连接生物分子。另外使用聚丙烯酸（PAA）对上转换进行后修饰或者在合成中使用PAA做稳定剂和包裹剂，对在合成中加入PAA的上转换，其表面羧基进行活化就可以进一步加以应用。另外在APTES修饰的上转换溶液中加入PB（pH11.0）适量缓冲溶液溶解后的琥珀酸酐也可以得到羧基修饰的上转换。配体氧化法对上转换进

行羧基修饰就是利用Lemieux-von Rudloff试剂(KMnO4 + NaIO4水溶液)将上转换表面的油酸配体氧化成壬二酸配体从而得到亲水性的、羧酸功能化的上转换材料。

上转换表面醛基和巯基的修饰：其修饰过程是在臭氧存在的特定条件下直接氧化其表面的油酸从而使其表面带有羧基或醛基。这种氧化修饰过程对上转换的形态、组成、光学性能没有太大影响。其巯基的修饰过程就是在醛基的基础上加入巯基乙胺（HEMA）从而获得巯基修饰的上转换纳米材料。

另外为了满足需要，比如在应用过程中需要对目标物进行分离、提高上转换的光学性质，因此引入了无机壳层修饰法。一般是采用无机物（Ag、Au等）为壳来钝化量子点的表面，这样能大大提高了量子点的荧光量子产率，从而使量子点具有较强的荧光发射。或者在合成后的上转换材料表面在包裹一层磁性Fe2O3，实现了在检测过程中对目标物的分离定性。在上转换材料中掺杂一些碱土金属离子（Li和K），根据碱土金属的数量可以调制上转换的荧光。

2.2基于上转换材料传感器检测无机物

利用上转换纳米荧光材料做成的传感器实现了对一些重金属离子及有害无机阴离子的检测，并且还应用于生物体内的离子成像等。

Zhang等把氨基修饰的DNA通过共价键连接在羧基修饰的上转换纳米材料上，然后加入染料和Hg2+，利用DNA与Hg形成T-Hg-T结构的原理把染料嵌入其中，从而实现了上转换与染料之间的共振能量转移达到检测Hg2+的目的。Liu 等首先通过化合物N719与上转换表面的油胺（OM）链交换，当Hg2+加进去结合到化合物N719上，实现了上转换与化合物N719之间的能量转移，这种传感器达到了对Hg2+1.95ppb的检测限，并且还能应用于体内Hg2+的成像。Zhou等设计一种对Ce4+离子检测的传感器。达到了5×10-6mol/L至5×10-4mol/L的检测范围。Zhang等利用上转换与RB-酰肼设计了一种检测Cu2+的传感器，该种检测Cu2+的方法无荧光背景干扰，容易操作且具有很好的选择性。

Chen等通过sulfanilamide与NO2-、N-(1-naphtyl)-ethylenediamine dihydrochloride(N1NED)在酸性条件下形成在550nm有强烈吸收的化合物4-((4-(2-aminoethylamino)naphthalen-1-yl)diazenyl) benzenesulfonic acid dihydrochloride(ANDBS)，然后使其连接到上转换材料上利用ANDBS对荧光的

猝灭实现了对痕量NO2-的检测。L iu等利用含钇的发色团包裹的上转换利用在加入CN-之后上转换荧光的复现原理实现了对CN-的检测，并用于体内CN-的成像。Yao等同样利用钇化合物修饰的上转换基于其LRET原理成功检测了纯水中的CN-。

Heike等把苯酚红和上转换固定在聚苯乙烯材料中，利用氨的特定穿透性质设计了检测氨的传感器。Xie等利用双荧光的上转换纳米棒设计了对体内pH和金属离子的检测。Sun等基于BTB在不同pH中具有不同强度可见光吸收，利用上转换荧光纳米棒设计了检测范围在6-10的pH传感器。Daniela E. Achatz把上转换和氧探针固定在乙基纤维素（EC）当中，利用氧较强的渗透EC的能力做成了检测氧的传感器，该对氧的传感器避免了生物体内荧光背景干扰。Reham Ali 等基于含有上转换材料和长波长吸收的pH探针BTB的聚苯乙烯薄片的光学讯号，设计了检测CO2的传感器，该传感器对CO2的检测范围为0-3%。Garry Glaspell 等将2,4,6-三硝基甲苯（TNT）加入到抗体连接的上转换和染料构成的传感器中，利用TNT替代淬灭剂利用上转换荧光复现检测了TNT。

2.3 上转换纳米材料传感器对生物分子的检测

2.3.1 上转换对核酸的生物传感

Wang等首先用探针DNA包被的磁性纳米粒子和捕获DNA包被的绿色上转换纳米材料共同与目标DNA进行杂交，然后磁分离实现对目标DNA的检测。另外，利用mRNA进行反转录并通过处理后得到生物素修饰的cDNA，cDNA 与目标DNA进行杂交然后通过链霉亲和素与生物素修饰的上转换纳米材料进行共价结合得到一类检测DNA的传感器。Shan Jiang等把染料BOBO-3或POPO-3嵌入杂交后的siRNA、质粒DNA中，与修饰后后表面带正电荷的上转换纳米材料通过静电作用实现了上转换与染料之间的能量转移从而获得一类检测核酸的传感器。Zhang等首先把适体DNA连接到上转换上，该DNA与另一条染料修饰的DNA共同和目标寡核苷酸进行杂交，利用上转换与染料TAMRA之间的能量转移达到检测目标核酸的目的。同时他把单链DNA共价连接到上转换上，当加入目标DNA和染料时，染料嵌入DNA双链中，利用上转换和染料之间的能量转移也得到一类检测DNA的传感器。Moritz M. Rubner等把叠氮丙基三乙氧基硅烷修饰在上转换纳米材料表面，然后与乙炔基修饰的单链核酸进行连接做成

了可以识别互补DNA及非特异性的交联细胞膜的水溶性材料并用于了细胞成像。Minna等利用上转换荧光标记技术检测了寡核苷酸并标记了遗传人体腺病毒。

2.3.2上转换对蛋白质类生物分子检测

张等利用氨基修饰的上转换作为能量供体，带有羧基的藻红蛋白作为受体，利用共振能量转移实现了对藻红蛋白的检测，该传感器对藻红蛋白达到了0.5μg/ml的检测限。Wang等用碳球作为能量受体，上转换作为供体，基于二者之间FRET原理先后设计了检测凝血酶你和金属蛋白酶的传感器。Wang等利用生物素修饰的上转换纳米粒作为供体和AuNPs作为受体，设计的检测抗生物素蛋白的传感器。Terhi Rantanen等利用染料对上转换的荧光猝灭设计了检测核苷酸内切酶和水解酶活性的生物传感器。

2.3.3上转换对其他生物分子的检测

由于上转换纳米材料在生物的检测过程中不产生氧化物中间体，因此在生物领域具有其特有的优势。Song等把抗生物素蛋白修饰在上转换表面使其与生物素修饰的适体主链DNA连接，该适体链与带染料TAMRA的DNA杂交，当ATP 加入时利用其荧光恢复实现对ATP的灵敏检测。Liu等利用单链DNA与石墨烯的特定作用，以石墨烯为能量受体也设计了一种检测ATP的传感器，使其检测限达到0.5μM。Zhang等把伴刀豆蛋白修饰在上转换材料上，把壳聚糖固定在石墨烯上，构建了从上转换到石墨烯能量转移检测葡萄糖的传感器。Deng等把KMnO4还原后得到的MnO2纳米片固定在上转换材料上，谷胱甘肽把MnO2还原使之变成Mn2+离开上转换表面从而实现了对谷胱甘肽灵敏检测。Katri Kuningas 等利用抗体、染料、上转换纳米材料构建了一种检测雌二醇的生物传感器。Terhi Rantanen等基于串联染料受体和上转换纳米材料之间的FRET原理构建了同质生物亲和性分析的传感器。

2.4 上转换纳米材料在免疫分析中的应用

上转换纳米荧光材料也广泛用于抗原抗体分析，其传感器用于多种细菌、霉素的检测。基于抗原抗体的特异性结合，该类传感器不仅用于细胞成像，生物标记，也用于作为中间连接体检测其他物质。其一般过程是首先用Si、PEI或PAA

修饰上转换纳米颗粒，再在其上连接抗原或抗体使其具有生物相容性或获得与其他物质的特异性结合位点。

Wang等把人类免疫球蛋白G（IgG）固定在氨基修饰的Au NPs上，并以此为受体，把兔抗山羊IgG固定在氨基修饰的上转换纳米材料上，当加入山羊抗人IgG时，在Au NPs和上转换纳米粒之间构成了LRET系统从而实现了检测山羊抗人IgG。

图：NaYF4：Yb，Er UCNPs (供体) 和Au NPs (受体)之间的共振能量转移原理示意图Schematic Illustration for the LRET Process between NaYF4:Yb,

Er UCNPs (Donor) and Au NPs (Acceptor)

Katri Kuningas等以上转换荧光体为供体，荧光蛋白或小分子荧光染料为受体构建了检测整个血液中的17β雌二醇生物传感器。Huang等以抗体修饰的磁性纳米粒子作为捕获探针，抗体修饰的上转换纳米粒子作为检测探针，构建了一种灵敏检测人体血清中的癌胚抗原（CEA）。Wang等使用抗原、抗体修饰上转换荧光纳米粒子实现了对海拉细胞的免疫标记和荧光成像。Li等基于上转换侧向流动分析技术快速、定量检测了乙型肝炎B表面抗体。Paul L.A.M. Corstjens等使用同种技术检测了体液和细胞中的IL-10，对血清中IL-10的检测限达到100pg/ml。Qu等基于该方法快速定量检测了布鲁氏菌。Paul L. A. M. Corstjens等基于此检测了吸血虫血清中的抗体。

Nuo Duan等设计了基于磁性Fe2O3纳米粒子和上转换纳米粒子的适体传感器同时、快速、特异性的检测了鼠伤寒沙门氏菌和金黄色葡萄球菌。Wu等以抗原修饰的磁性纳米粒子作为免疫传感探针，以抗体修饰的上转换纳米材料作为多

色信标探针，基于其免疫分析同时检测了黄曲霉毒素和棕曲霉毒素。同时，他还以上转换纳米粒子检测赭曲霉毒素A和基于上转换双光的标记技术及磁性纳米粒子的磁性生物分离、浓缩技术实现了同时检测肠病毒71和柯萨基病毒A16。

2.5 上转换荧光纳米粒子的细胞、活体成像及在医学领域中的应用

基于上转换的光学优势、对细胞的无毒性以及其激发光对生物体的无伤害作用，上转换相比量子点更适合用于疾病的诊断、生物体内物质的检测。目前报道了很多关于上转换在细胞、生物体内的成像应用。通过各种修饰及在上转换材料中掺杂其他物质逐步提高了上转换的成像优势和扩大了成像范围。

Liu等通过热分解方法合成了直径在10nm以下的上转换荧光纳米材料，其高的荧光量子产率实现了对白鼠整个身体的荧光成像，同时他还以18F标记的磁性上转换纳米荧光粒子用于生物体内的组织成像。Zhang等合成了Ag@SiO2@Y2O3:Er纳米结构用于生物成像。Xia等合成了NaYF4：Yb3+，Tm3+@Fe x O y纳米晶体用于小动物淋巴结的荧光成像。Guo等使用表面修饰的上转换荧光纳米粒子基于LRET原理检测质粒DNA在活体细胞中的释放。Wang 等用Si包裹的上转换用于癌细胞的免疫标记及荧光成像。Zhan等使用在915nm 激发的上转换纳米粒子用于体内体外的生物成像而避免了过热辐射。

利用上转换在体内的成像优势还用于跟踪药物的释放（三篇）及癌细胞的监控等医疗领域。Wang等建立了一种水溶性的UCNP-Ce6超分子纳米化合物，其在近红外光激发下通过从上转换到光敏分子之间的能量转移产生了单线态氧。该化合物能进入癌细胞并在红外光照射下诱导细胞死亡，根据上转换在体内成像的特征发射光达到对癌细胞的光动治疗。Chatterjee等使用叶酸、聚乙酰亚胺包被的粒径为50nm的上转换与附酞菁锌非共价吸附应用于活体实验。在活体试验中研究表明，上转换纳米颗粒不仅细胞毒性小，还可以靶向识别癌细胞，并能杀死细胞。

2.6上转换荧光纳米材料在动力学中的应用

飞秒上转换光谱学很早就已经用于研究DNA、蛋白质、染料之间的快速衰减和质子或H转移的动力学。T. Fiebig等使用飞秒瞬间吸收和荧光上转化技术适时考察了7-吖吲哚二聚物和DNA碱基对模式的双质子转移动力学。Evrim Atas 等使用荧光上转换技术探讨了非对称亚苯基乙炔基聚合的电子基态能量转移。

Wang等使用掺杂上转换荧光剂的新型纳米TiO2催化剂使用可见光研究了酸性红B染料的讲解。同时，他还研究了在可见光和日光下有机染料对包被上转换荧光素的TiO2的有效光催化降解。Anjali Jha等使用荧光各向异性衰减动力学探讨了蛋白质溶解动力学和内滞力学。

2.7上转换纳米材料在其他领域上的应用

2.7.1上转换的生物系统发电

基于上转换的激发光是在近红外光区，而红外光的生物穿透性很好，对生物组织无破坏作用，因此该红外光进入生物体内能作为一种驱动能源。李等制备了掺Ho3+的TiO2上转换发光层，并将其组装在染料敏化太阳能电池中来分析上转换发光层的发光机理及其加入后对染料敏化太阳能电池性能的影响。他的结果表明，上转换发光层的引入有效地提高了DSSC 的光电性能，在80mW/ cm2红外光照射下最高光电转换效率达到了0. 12‰，比未加上转换发光层的DSSC 提高了360%。陈等在传统的染料敏化纳米晶太阳能电池内引入上转换纳米棒薄膜,构建了一种980 nm激光驱动的纳米发电机( 980 LDG)。该发动机在1~ 6 mm 厚的生物组织覆盖下，他的发出功率足够驱动许多纳米生物器件。

图：面向生物系统的980 nm激光驱动发电机

2.7. 2 基于上转换荧光纳米粒子的温度传感器

基于上转换的发光特点，几种基于该材料的温度传感器用于了不同温度范围的测量。

Li等把硅酸盐掺杂于Er3+的上转换材料中做成了一种光学温度传感器。该温

度传感器的最高灵敏度和温度分辨率分别为0.0033K-1和0.2K，检测到的温度范围为296K—723K。Lei等把Er3+的上转换材料中掺杂Al2O3做成了一种光学高温传感器，研究了温度范围在295–773K之间的523和545nm的光强度之比，得其最高灵敏度和温度分辨率分别为0.0052K-1和0.3K。Sergio F. León-Luis等设计了基于在氟代碲酸盐中的绿光上转换温度传感器，在540K时获得54?10-4K-1的最高灵敏度。P. Haro-Gonzàlez等研究了掺杂Er3+和Ho3+的上转换纳米材料分别在不同温度范围内的荧光强度之比和最大灵敏度。D.A. Rothamer等使用上转换荧光材料探讨了环境中和高温中的平面温度显像，在980激发下测量到了1100K 的温度。

3 结论与展望

上转换纳米荧光粒子作为新一代荧光标记材料展现了其许多优点，例如对生物体毒性小、化学稳定性高、光稳定性好、光穿透能力强、无背景荧光等。人们对上转换进行合成或合成后修饰进一步改变了其应用范围，满足了对多种物质的检测和生物应用。

基于上转换发光技术生物传感器已具备了稳定、可靠、灵敏的工作性能，基本符合实际检测与分析的要求。目前上转换纳米荧光材料在生物标记、生物检测、生物成像、疾病治疗以及信息存储等领域已得到广阔的应用。相信基于上转换荧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。但是解决上转换荧光材料分子量大、容易团聚沉淀，生物相容性等缺点是其得到进一步广泛应用的前提。