生物医学成像中几种荧光纳米材料的运用研究

　　摘 要： 荧光成像是生物医学研究领域应用最广的成像技术之一。随着纳米技术的快速发展，具有优良特性的荧光纳米材料不断涌现。相比于传统的荧光分子，荧光纳米材料具有光学稳定性高、形貌尺寸易调控、多功能化等优点。利用荧光纳米材料作为探针的生物荧光成像能够为研究者提供从细胞、离体组织到活体生物样本的结构和动态信息等方面全面细致的探测方法，成为当前材料、光学、生物医学等多学科交叉领域的研究热点。结合近年来荧光纳米材料及其生物成像应用的发展趋势以及本课题组前期的研究工作基础，归纳概述了几种类型荧光纳米材料的特性，包括基于有机荧光染料的纳米颗粒、半导体量子点、碳基荧光纳米材料以及稀土掺杂上转换发光纳米材料，结合具体例子介绍了荧光纳米材料在生物医学成像中的应用，并对其发展前景进行了展望。
　　
　　关键词： 荧光纳米材料； 半导体量子点； 碳基量子点； 上转换发光纳米颗粒； 生物成像。
　　
　　Abstract: Fluorescence imaging is one of the most widely used imaging techniques in biomedical research. Along with therapid development of nanotechnology,different kinds of fluorescent nanomaterials with excellent properties are constantly emer-ging. Compared to traditional fluorescent molecules,fluorescent nanomaterials show many advantages,such as superior photo-stability,tunable morphology and size,as well as multifunction. Fluorescence imaging based on nanomaterials offers a uniqueapproach that can be used to visualize morphological details for bio-species,ranging from living cells to animals,forming amajor thrust in the fields of materials,optics,biomedical and so on. In this article,we will present a focused review on varioustypes of fluorescent nanomaterials,including organic dye doped nanoparticles,semiconductor quantum dots,and fluorescentcarbon nanomaterials. The applications of these nanomaterials in bioimaging will be summarized with examples. We will alsodiscuss some challenges and opportunities for the use of fluorescent nanomaterials in biomedical diagnosis and therapy.
　　
　　Key words: fluorescent nanomaterials; semiconductor quantum dots; carbon dots; upconversion nanophosphors;bioimaging.
　　
　　1 前 言。
　　
　　生物影像信息时生命科学研究中最重要、最直接的研究证据之一，有时甚至是唯一的证据。随着各种先进影像学方法和技术的发展，人们能够获得生命体实时、定量、原位、活体和高灵敏的生物学信息，为现代生命科学研究的快速发展奠定了基础[1].目前生物影像技术如 X 射线、B 超、电子计算机断层扫描（ CT） 、正电子发射型计算机断层显像（ PET） 、磁共振成像（ MRI） 等，存在辐射大、成本高、操作复杂的缺点。光学成像尤其是生物荧光成像因其组织破坏性小、无有害电磁辐射、成像设备成本低等优点，表现出取代上述成像手段的潜力[2].
　　
　　生物荧光成像是利用生物体荧光特性的变化来获得光学图像。由于在很多生物结构和生物过程中都缺少内源荧光材料，很难利用生物样本的本征荧光进行成像和探测，因此多数情况下需要引入外源荧光材料作为造影剂，对特定细胞或组织器官进行标定[3].荧光蛋白作为一种无损的活细胞荧光标记物，在光学生物成像领域占有举足轻重的地位，为细胞生物学和神经生物学的研究带来了革命性的变化[4].利用荧光蛋白标记与双光子荧光成像、活体荧光成像等技术相结合，能够“看到”生物活体内特定蛋白的表达，原位、动态跟踪细胞内部的分子事件。但是荧光蛋白存在抗光漂白性差、红外吸收和发射荧光蛋白研发困难等问题，制约了荧光蛋白在长时间荧光成像及活体深度成像的应用[5].
　　
　　荧光纳米材料是具有荧光性质且至少有一维的尺寸处于 1~100 nm 量级的超微小材料[6].在离体细胞层面，荧光纳米材料足够小的尺寸使其能够通过扩散或经内吞进入细胞，作为细胞荧光成像探针； 在活体动物层面，纳米颗粒进入血液循环后，能够从高通透性的肿瘤血管渗出并在肿瘤部位富集，作为肿瘤诊断的探针。另外，通过纳米技术将荧光材料与治疗药物相结合，开发具有靶向性、多功能的诊疗一体化纳米颗粒，为疾病的早期检测和更加有效的治疗提供了新的技术手段[7].
　　
　　近年来，荧光纳米材料及其生物医学成像研究已成为新材料领域科研工作者关注的热点。本文结合我们前期的研究工作基础，归纳概述了几种类型荧光纳米材料，包括基于有机荧光染料的纳米颗粒、半导体量子点、碳基荧光纳米材料以及稀土掺杂上转换发光纳米材料，结合具体例子介绍了荧光纳米材料在生物医学成像中的应用，并对这些材料的发展前景进行了展望。
　　
　　2 基于有机荧光染料的纳米颗粒。
　　
　　有机荧光染料，包括荧光素类以及罗丹明类染料，是目前生物医学研究中最常用的荧光探针。以有机荧光材料作为荧光剂的荧光纳米颗粒制备主要有两种方式，一种是利用有机聚合物或者无机纳米颗粒把有机染料分子包裹到纳米颗粒内部[8-10],一种是通过化学或者物理的方法使有机染料分子吸附在纳米颗粒的表面[11,12].将有机染料分子同纳米颗粒相结合，能够提高染料分子在生物体环境的稳定性，防止有机染料分子在生物组织内的扩散[8].另外通过表面修饰在纳米颗粒表面连接蛋白或者生物分子，能够实现对细胞及活体肿瘤组织的特异性生物标记与荧光成像[9].图 1 展示了钱骏等[8]利用二氧化硅纳米颗粒包覆有机荧光分子（ PpIX） 的过程示意图。包裹有荧光染料分子的二氧化硅纳米颗粒（ PpIX@SiO2） 平均尺寸为 25 nm,在水中具有良好的分散性，适于用作离体细胞和活体成像的纳米探针。我们利用对PpIX@ SiO2纳米探针与 HeLa 细胞共同孵育，随后采用双光子荧光显微镜对细胞进行观察，结构表明在波长为800 nm 的飞秒激光激发下，细胞内部能够观察到 PpIX分子的双光子荧光信号，表明该荧光纳米颗粒能够进入细胞内部，可以用作细胞标记和荧光成像的探针。