稀土細胞活體成像資料

稀土摻雜的上轉(zhuǎn)換

(Upconverting)納米材料應(yīng)用于細胞、活體成像徐成

2012.2.7一s稀土元素的發(fā)光特性：

稀土元素：鑭系元素（15種）——鑭(La)s鈰(Ce)s鐠(Pr)s釹(Nd)s钷(Pm)s釤(Sm)s銪(Eu)s釓(Gd)s鋱(Tb)s鏑(Dy)s鈥(Ho)s鉺(Er)s銩(Tm)鐿(Yb)s镥(Lu)，+鈧(Sc)和釔(Y)，共17種。

稀土元素具有獨特的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s生物標(biāo)記。

1s發(fā)射光譜豐富，可發(fā)射紅外到可見到紫外各種光譜。大多數(shù)稀

土元素可在7個4f軌道上任意排布，發(fā)光基于f-fsf-d組態(tài)能級躍遷最多能發(fā)射3萬多條光譜。2s熒光壽命長，一般原子10-10-10-8S，稀土元素可達到10-6-10-2S3s4f電子層吸收激發(fā)能量強，轉(zhuǎn)化效率高。4sf-f層躍遷呈現(xiàn)尖銳線狀光譜，發(fā)光純度高。二、常見生物成像、生物標(biāo)記納米材料的優(yōu)劣：1、有機熒光染料：如羅丹明(Rhodamine)、FITC。熒光持續(xù)時間短，細胞毒性小，易進入細胞。2、半導(dǎo)體量子點：如CdS,CdSe,CdTe。優(yōu)點:(1)熒光持續(xù)時間長；較大的stokes位移，避免了激發(fā)光譜和發(fā)射光譜重疊；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。缺點：不穩(wěn)定，在細胞內(nèi)分解，釋放出重金屬離子，使用受到限制。不同大小的CdSe

QD發(fā)光情況——Nature

Material,

2005,4羅丹明6G量子點羅丹明——Nature

Material,

2010,9CdSe量子點連接多巴胺，對不同的pH值，顏色變化。細胞核量子點染色，細胞質(zhì)有機染料染

色。與上相反。2、有機染料和半導(dǎo)體量子點無法克服的缺陷：大多有機染料和半導(dǎo)體量子點的激發(fā)和發(fā)射光波長均處于紫外及可見光區(qū)。在這個區(qū)域內(nèi)激發(fā)熒光，生物體內(nèi)的核酸、多肽、蛋白質(zhì)等也會產(chǎn)生較強的熒光背景，即自熒光。使檢測的靈敏度降低。生物體對紫外激發(fā)光的吸收很強，使得紫外光的穿透能力減弱。無法進行深層次生物組織成像。紫外光對細胞或生物體本身有較大的傷害。使用近紅外量子點，豬表皮下成像——Nature

Biotechnol.,

200三、稀土元素摻雜的上轉(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：受到一個高能量的光子激發(fā)，發(fā)射一個低能量的光子。如紫外光激發(fā)，發(fā)射可見光。缺點：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)生可見或近紅外光。合成NaYF4納米晶(20-30

nm)摻雜稀土離子Tm3+銩Yb3+鐿。近紅外激發(fā)（975nm）發(fā)光，475nm藍光和800nm近紅外光——Nano

letters,2008,

11,

38342、上轉(zhuǎn)換稀土納米材料生物成像優(yōu)勢：：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。：深層次生物組織成像。激發(fā)光為近紅外激發(fā)易于穿過生物組織，減少了光散射。更好的用于活體成像。：低毒性、低傷害。比之量子點，稀土元素的毒性較低。不采用紫外光激發(fā)，對細胞、組織傷害小。：發(fā)光壽命較長，穩(wěn)定。普通熒光顯微鏡的汞燈為紫外-近紫外激發(fā)細胞、活體成像：人胰腺癌細胞近紅外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，可見近紅外熒光來自肝臟和脾臟。組織器官對其有高的攝入?！狽ano

letters,2008,

11,

3834深層次組織成像復(fù)旦大學(xué)，李福友3、上轉(zhuǎn)換稀土納米材料靶向成像：

合成了葉酸(FA)修飾的稀土摻雜納米顆粒(NaYF4:20

mol%Yb鐿,2

mol%Er鉺)。980nm近紅外激發(fā)，514nm-560nm，635nm-680nm發(fā)射光譜——Biomaterials,2009,30,

5592復(fù)旦大學(xué)，李福友20nm左右的納米球。靶向細胞、活體成像：Yb鐿，Er鉺摻雜NaYF4顆粒，進入Hela細胞成像圖活體熒光成像（將Hela細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。復(fù)旦大學(xué)，李福友

——ACS

NANO,

2011,5,3146肝臟積累29.4%（10min）脾臟積累

30.5%(10min)980nm激發(fā)800nm發(fā)射TEM5、915nm激發(fā)Tm3+/Er3+/Ho3+-Doped

NaYbF4上轉(zhuǎn)換納米材料。

經(jīng)作者計算，使用915nm激發(fā)，更易穿透生物組織，實現(xiàn)深層成像，同時，產(chǎn)生更熱量。980nm——ACS

NANO,2011,5,3744915nm20-30nm顆粒活體成像：NaYbF4:Yb3+/Tm3+注射入裸鼠——ACS

NANO,2011,5,3744