摘 要： 熒光成像是生物醫學研究領域應用最廣的成像技術之一。隨著納米技術的快速發展，具有優良特性的熒光納米材料不斷涌現。相比于傳統的熒光分子，熒光納米材料具有光學穩定性高、形貌尺寸易調控、多功能化等優點。利用熒光納米材料作為探針的生物熒光成像能夠為研究者提供從細胞、離體組織到活體生物樣本的結構和動態信息等方面全面細致的探測方法，成為當前材料、光學、生物醫學等多學科交叉領域的研究熱點。結合近年來熒光納米材料及其生物成像應用的發展趨勢以及本課題組前期的研究工作基礎，歸納概述了幾種類型熒光納米材料的特性，包括基于有機熒光染料的納米顆粒、半導體量子點、碳基熒光納米材料以及稀土摻雜上轉換發光納米材料，結合具體例子介紹了熒光納米材料在生物醫學成像中的應用，并對其發展前景進行了展望。
關鍵詞： 熒光納米材料； 半導體量子點； 碳基量子點； 上轉換發光納米顆粒； 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。
生物影像信息時生命科學研究中最重要、最直接的研究證據之一，有時甚至是唯一的證據。隨著各種先進影像學方法和技術的發展，人們能夠獲得生命體實時、定量、原位、活體和高靈敏的生物學信息，為現代生命科學研究的快速發展奠定了基礎[1].目前生物影像技術如 X 射線、B 超、電子計算機斷層掃描（ CT） 、正電子發射型計算機斷層顯像（ PET） 、磁共振成像（ MRI） 等，存在輻射大、成本高、操作復雜的缺點。光學成像尤其是生物熒光成像因其組織破壞性小、無有害電磁輻射、成像設備成本低等優點，表現出取代上述成像手段的潛力[2].
生物熒光成像是利用生物體熒光特性的變化來獲得光學圖像。由于在很多生物結構和生物過程中都缺少內源熒光材料，很難利用生物樣本的本征熒光進行成像和探測，因此多數情況下需要引入外源熒光材料作為造影劑，對特定細胞或組織器官進行標定[3].熒光蛋白作為一種無損的活細胞熒光標記物，在光學生物成像領域占有舉足輕重的地位，為細胞生物學和神經生物學的研究帶來了革命性的變化[4].利用熒光蛋白標記與雙光子熒光成像、活體熒光成像等技術相結合，能夠“看到”生物活體內特定蛋白的表達，原位、動態跟蹤細胞內部的分子事件。但是熒光蛋白存在抗光漂白性差、紅外吸收和發射熒光蛋白研發困難等問題，制約了熒光蛋白在長時間熒光成像及活體深度成像的應用[5].
熒光納米材料是具有熒光性質且至少有一維的尺寸處于 1~100 nm 量級的超微小材料[6].在離體細胞層面，熒光納米材料足夠小的尺寸使其能夠通過擴散或經內吞進入細胞，作為細胞熒光成像探針； 在活體動物層面，納米顆粒進入血液循環后，能夠從高通透性的腫瘤血管滲出并在腫瘤部位富集，作為腫瘤診斷的探針。另外，通過納米技術將熒光材料與治療藥物相結合，開發具有靶向性、多功能的診療一體化納米顆粒，為疾病的早期檢測和更加有效的治療提供了新的技術手段[7].
近年來，熒光納米材料及其生物醫學成像研究已成為新材料領域科研工作者關注的熱點。本文結合我們前期的研究工作基礎，歸納概述了幾種類型熒光納米材料，包括基于有機熒光染料的納米顆粒、半導體量子點、碳基熒光納米材料以及稀土摻雜上轉換發光納米材料，結合具體例子介紹了熒光納米材料在生物醫學成像中的應用，并對這些材料的發展前景進行了展望。
2 基于有機熒光染料的納米顆粒。
有機熒光染料，包括熒光素類以及羅丹明類染料，是目前生物醫學研究中最常用的熒光探針。以有機熒光材料作為熒光劑的熒光納米顆粒制備主要有兩種方式，一種是利用有機聚合物或者無機納米顆粒把有機染料分子包裹到納米顆粒內部[8-10],一種是通過化學或者物理的方法使有機染料分子吸附在納米顆粒的表面[11,12].將有機染料分子同納米顆粒相結合，能夠提高染料分子在生物體環境的穩定性，防止有機染料分子在生物組織內的擴散[8].另外通過表面修飾在納米顆粒表面連接蛋白或者生物分子，能夠實現對細胞及活體腫瘤組織的特異性生物標記與熒光成像[9].圖 1 展示了錢駿等[8]利用二氧化硅納米顆粒包覆有機熒光分子（ PpIX） 的過程示意圖。包裹有熒光染料分子的二氧化硅納米顆粒（ PpIX@SiO2） 平均尺寸為 25 nm,在水中具有良好的分散性，適于用作離體細胞和活體成像的納米探針。我們利用對PpIX@ SiO2納米探針與 HeLa 細胞共同孵育，隨后采用雙光子熒光顯微鏡對細胞進行觀察，結構表明在波長為800 nm 的飛秒激光激發下，細胞內部能夠觀察到 PpIX分子的雙光子熒光信號，表明該熒光納米顆粒能夠進入細胞內部，可以用作細胞標記和熒光成像的探針。
關鍵詞： 熒光納米材料； 半導體量子點； 碳基量子點； 上轉換發光納米顆粒； 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。
生物影像信息時生命科學研究中最重要、最直接的研究證據之一，有時甚至是唯一的證據。隨著各種先進影像學方法和技術的發展，人們能夠獲得生命體實時、定量、原位、活體和高靈敏的生物學信息，為現代生命科學研究的快速發展奠定了基礎[1].目前生物影像技術如 X 射線、B 超、電子計算機斷層掃描（ CT） 、正電子發射型計算機斷層顯像（ PET） 、磁共振成像（ MRI） 等，存在輻射大、成本高、操作復雜的缺點。光學成像尤其是生物熒光成像因其組織破壞性小、無有害電磁輻射、成像設備成本低等優點，表現出取代上述成像手段的潛力[2].
生物熒光成像是利用生物體熒光特性的變化來獲得光學圖像。由于在很多生物結構和生物過程中都缺少內源熒光材料，很難利用生物樣本的本征熒光進行成像和探測，因此多數情況下需要引入外源熒光材料作為造影劑，對特定細胞或組織器官進行標定[3].熒光蛋白作為一種無損的活細胞熒光標記物，在光學生物成像領域占有舉足輕重的地位，為細胞生物學和神經生物學的研究帶來了革命性的變化[4].利用熒光蛋白標記與雙光子熒光成像、活體熒光成像等技術相結合，能夠“看到”生物活體內特定蛋白的表達，原位、動態跟蹤細胞內部的分子事件。但是熒光蛋白存在抗光漂白性差、紅外吸收和發射熒光蛋白研發困難等問題，制約了熒光蛋白在長時間熒光成像及活體深度成像的應用[5].
熒光納米材料是具有熒光性質且至少有一維的尺寸處于 1~100 nm 量級的超微小材料[6].在離體細胞層面，熒光納米材料足夠小的尺寸使其能夠通過擴散或經內吞進入細胞，作為細胞熒光成像探針； 在活體動物層面，納米顆粒進入血液循環后，能夠從高通透性的腫瘤血管滲出并在腫瘤部位富集，作為腫瘤診斷的探針。另外，通過納米技術將熒光材料與治療藥物相結合，開發具有靶向性、多功能的診療一體化納米顆粒，為疾病的早期檢測和更加有效的治療提供了新的技術手段[7].
近年來，熒光納米材料及其生物醫學成像研究已成為新材料領域科研工作者關注的熱點。本文結合我們前期的研究工作基礎，歸納概述了幾種類型熒光納米材料，包括基于有機熒光染料的納米顆粒、半導體量子點、碳基熒光納米材料以及稀土摻雜上轉換發光納米材料，結合具體例子介紹了熒光納米材料在生物醫學成像中的應用，并對這些材料的發展前景進行了展望。
2 基于有機熒光染料的納米顆粒。
有機熒光染料，包括熒光素類以及羅丹明類染料，是目前生物醫學研究中最常用的熒光探針。以有機熒光材料作為熒光劑的熒光納米顆粒制備主要有兩種方式，一種是利用有機聚合物或者無機納米顆粒把有機染料分子包裹到納米顆粒內部[8-10],一種是通過化學或者物理的方法使有機染料分子吸附在納米顆粒的表面[11,12].將有機染料分子同納米顆粒相結合，能夠提高染料分子在生物體環境的穩定性，防止有機染料分子在生物組織內的擴散[8].另外通過表面修飾在納米顆粒表面連接蛋白或者生物分子，能夠實現對細胞及活體腫瘤組織的特異性生物標記與熒光成像[9].圖 1 展示了錢駿等[8]利用二氧化硅納米顆粒包覆有機熒光分子（ PpIX） 的過程示意圖。包裹有熒光染料分子的二氧化硅納米顆粒（ PpIX@SiO2） 平均尺寸為 25 nm,在水中具有良好的分散性，適于用作離體細胞和活體成像的納米探針。我們利用對PpIX@ SiO2納米探針與 HeLa 細胞共同孵育，隨后采用雙光子熒光顯微鏡對細胞進行觀察，結構表明在波長為800 nm 的飛秒激光激發下，細胞內部能夠觀察到 PpIX分子的雙光子熒光信號，表明該熒光納米顆粒能夠進入細胞內部，可以用作細胞標記和熒光成像的探針。
