生物医学成像中几种荧光纳米材料的运用研究(3)

　　目前生物医学应用中半导体量子点主要通过化学方法制备，分为从有机相出发的高温热解法合成和从水相出发的水相沉淀法两种途径，其中高温热解法是最常用也是最经典的量子点化学制备方法[20].Murray C B等[21]首次系统地提出了高温热解法制备 CdE（ E=S,Se,Te）量子点的基本流程，他们将Se粉末分散到正三辛基膦（ TOP）中制备TOPSe溶液，再将 TOPSe 与二甲基镉（ Me2Cd） 加入到三辛基氧膦（ TOPO）溶液中，在惰性气体保护下，将混合溶液加热到230~260 ℃反应制备CdSe量子点纳米晶体，通过控制反应时间长短，能够得到不同尺寸的量子点纳米晶体。彭笑刚 等[22]使用氧化镉（ CdO）、醋酸镉（Cd（Ac）2）等更为稳定的镉盐代替Me2Cd,制备了可控尺寸的 CdSe 量子点纳米晶体。总体而言，高温热解法制备量子点是利用 TOPO、TOP、十八烯等作为反应溶剂，使用不同的前驱体进行反应，通过控制反应时间和反应温度条件制备量子点纳米晶体。中国科学院唐芳琼教授等[23]首次提出在无毒的油酸-液体石蜡体系中合成 CdSe 量子点的方法，相比于 TOPO 等有机溶剂的毒性和污染，油酸和液体石蜡是无毒、无害的绿色试剂，唐教授等的研究为 II-VI 族量子点的“绿色”制备开辟了新的方向，对半导体量子点的产业化具有重要意义[24].
　　
　　与传统的有机荧光染料相比，量子点具有吸收谱宽、发射谱窄、无光漂白、易于表面修饰等优点。1998 年，Alivisatos 教授[25]和 Nie 教授[26]在 Science 杂志的同一期发表了各自课题组利用量子点作为生物探针用于活细胞荧光成像的研究论文，开启了量子点在生物医学成像领域应用的新篇章。经过近 20 年的发展，半导体量子点除了作为生物成像的造影剂[19,25-29],在光学生物传感应用方面也有许多令人欣喜的研究成果[20,30-32].多种类型半导体量子点的化学制备和表面修饰技术日趋成熟，已经有许多商业公司能够为研究者提供性能良好量子点探针，特别是在可见光波段具有荧光发射的量子点。图 4 展示了本课题组采用油酸-液体石蜡的“绿色”合成工艺制备 PbS 量子点过程示意图，通过对所得油性 PbS 量子点进行二氧化硅和聚乙二醇双层包覆，制备了能够在水溶液中稳定分散的近红外荧光纳米探针，利用这种纳米荧光探针实现了小鼠活体前哨淋巴结（ SLN） 定位[33].Ag2S 量子点是近年来受到极大关注的一种新型量子点，并被发展作为一种新型的近红外II 区（ 1. 0~ 1. 4 μm） 生物荧光成像探针，应用于淋巴管成像、肿瘤治疗实时成像、干细胞在体内的迁移和分布成像以及干细胞肝损伤示踪等应用研究[34].武汉大学 Pang等[35]设计制备了用于瞬时高效标签和全身细胞衍生微泡的高分辨率多模式实时追踪的 Ag2Se@ 锰量子点，所得Ag2Se @ 锰量子点具有优良的近红外荧光和磁共振成像能力，可用于体内微囊泡的高分辨率双模式实时有效的标记跟踪，对体内追踪外泌体的行为、寻找外泌体倾向的靶器官等方面的研究具有重要推动作用。
　　 　　随着半导体量子点材料在多个领域的广泛应用，它们的毒性与生物安全性也引起了科研人员的高度重视[36].由于多数半导体量子点含重金属元素（ Cd,Pb,Ag 等） ,当量子点的晶格由于某些作用被破坏以后会释放出游离的重金属离子，而大多数重金属离子对细胞和生物组织有很强的毒性作用。尽管能够通过表面包覆的方法降低量子点中重金属离子的泄露，其潜在的生物毒性和环境污染仍旧是无法回避的问题。因此，环境友好的量子点是一个重要的发展方向。
　　
　　4 碳基荧光纳米材料。
　　
　　碳元素因其独特的结构和优异的物理性质，一直都是物理学、材料科学以及电子技术领域研究人员关注的焦点。碳基荧光纳米材料包括纳米金刚石、碳纳米管、氧化石墨烯纳米颗粒、碳基量子点等几种类型[37].纳米金刚石是尺寸在 100 nm 以下具有纳米金刚石结构的碳材料，通过对纳米金刚石进行氮、硼等元素掺杂，能够获得具有优良荧光特性纳米金刚石颗粒[38].在生物体内，可以通过单个纳米颗粒的追踪和检测，研究特定的活细胞行为[39].然而纳米金刚石制备、元素掺杂困难等问题，限制了纳米金刚石作为荧光探针的应用。碳纳米管（ CNT） 在近红外波段的荧光特性[40 -43],使其作为近红外二区（ 1000~1700 nm） 的荧光成像探针，在活体动物荧光成像领域得到了广泛应用。美国斯坦福大学 Dai 等[44]将水溶性碳纳米管注射到活体小鼠血液中，然后利用近红外二区荧光成像技术，能够获得活体动物血管成像信息。尽管碳纳米管近红外荧光特性在生物医学成像研究中具有独特优势，由于碳纳米管尺寸较大难以在体内代谢并且有潜在的毒性问题[45,46],限制了其在作为生物探针在活体动物中的应用，发展具有更高生物兼容性的近红外二区纳米荧光探针具有重要价值。
　　
　　氧化石墨烯（ GO） 纳米材料是只有一层碳原子的典型的二维纳米结构材料，它的边缘边缘和基面带有丰富的羧基、羟基等含氧基团，因此这种材料具有良好的生物相容性其易于表面功能化。对于不含氧化基团的石墨烯材料而言，由于没有能带间隙，所以基本上不能发荧光，而 GO 材料由于表面存在一些缺陷和含氧基团，使得 GO产生了带隙，因此能够产生荧光现象[47].Sun 等[48]研究并报道了 GO 在近红外波段的荧光特性，利用聚乙二醇修饰的 GO 作为近红外荧光成像探针，实现了离体细胞的荧光成像。Li 等[49]报道了 GO 的双光子荧光特性，并且利用转铁蛋白和聚乙二醇共同修饰的 GO 作为探针，实现了离体细胞的双光子荧光成像。本课题组[50]报道了GO 在飞秒激光激发下的双光子 /三光子荧光效应，并且利用双光子荧光成像技术观察到了 GO 荧光纳米颗粒在活体小鼠静脉内的分布与代谢（ 如图 5） .