Small :基于镧系元素掺杂纳米材料的时间分辨生物传感和生物成像研究进展

随着纳米科技的不断发展,研究者制备出了多种多样的具有丰富光学性质和表面物理化学性质的纳米发光材料:无机量子点、上转换纳米材料、长余辉纳米材料、有机聚合物、钙钛矿纳米材料等。由于纳米材料具有与生物分子相近的尺寸,生物分子与纳米材料结合可引起光学性质的显著变化,所以纳米材料在生物传感和生物成像等领域得到了大量研究。虽然纳米发光材料拥有很好的生物应用前景,但是纳米发光材料在生物传感和成像中也面临一些问题:背景荧光干扰和激发光散射信号干扰使得探针信号难以分辨和检测,显著降低检测灵敏度和成像的分辨率。时间分辨荧光分析是一种可以有效消除背景荧光和激发光散射信号干扰的方法。由于背景荧光的寿命通常较短,在背景荧光衰减完之后再采集长寿命探针的荧光信号,可以有效消除背景荧光干扰,同时由于测量时没有激发光的存在,可以很好地消除激发光散射信号干扰,显著提高检测灵敏度和成像分辨率。

发展长寿命纳米发光材料对推进纳米发光材料在生命科学领域的应用具有重要意义。镧系元素具有独特的[Xe]4fN电子结构,使得镧系元素成为非常好的发光中心离子。当镧系元素掺杂到纳米材料中时,这样的镧系元素掺杂纳米材料具有很多独特的光学性质:长寿命、多个发射带、窄发射宽度、大的斯托克斯位移等。镧系元素掺杂纳米材料的发光是基于镧系元素的4f电子在f-f组态之内跃迁引起的,由于f-f跃迁是禁阻跃迁,因此镧系元素掺杂纳米材料具有长的荧光寿命(us-ms别)。这样的荧光寿命是显著长于背景荧光的寿命(ns级别),因此镧系元素掺杂的纳米材料很适合用作长寿命探针用于时间分辨荧光分析。在过去的一二十年里,镧系元素掺杂纳米材料广泛应用于时间分辨生物分析和生物成像中。

武汉大学化学与分子科学学院袁荃课题组对镧系元素掺杂纳米材料在时间分辨生物传感和生物成像方面的应用进展进行了概述。文章内容包括:1.时间分辨荧光分析消除背景荧光和激发光散射信号干扰的基本原理;2.镧系元素的电子结构给掺杂的纳米材料带来的独特光学性质;3.镧系元素掺杂上转换纳米材料、镧系元素掺杂下转换纳米材料、镧系元素掺杂长余辉纳米材料、镧系元素掺杂有机聚合物纳米材料、镧系元素掺杂二氧化硅纳米材料发光寿命调控方法及其在时间分辨生物传感和生物成像方面的应用;4. 对镧系元素掺杂纳米材料在时间分辨生物传感和生物成像方面的应用前景做出展望。未来,长寿命镧系元素掺杂纳米材料用于时间分辨生物传感和生物成像的发展需要依靠材料科学家、化学家和仪器专家的通力合作。通过新的时间分辨荧光分析系统,基于长寿命的镧系元素掺杂纳米探针,可以实现具有更高灵敏度的生物传感和具有更高对比度的生物成像。相关论文在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201804969)上。