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纳米光技术 精选

已有 6668 次阅读 2016-3-3 14:54 |个人分类:自然科学|系统分类:海外观察

 在新加坡启奥生物医药园,Chi Ching Goh博士给一只麻醉小鼠注入一个亮黄色溶液,然后在显微镜下观察动物耳朵,打开紫外线开关后,显微镜视野中皮下血管内血液发出绿色荧光,说明这个溶液可以作为一种活体成像显色剂。Goh是新加坡国立大学的博士研究生,她希望用这个方法作为炎症时血管通透性增加的标志物,用于诊断疟疾或预测中风发生。

这个方法中注射试剂是用发光病毒颗粒,这种颗粒直径大小只有几十纳米,这就是所谓“纳米光技术”,科学家利用这个技术可以灵活调整光学性质,这种颗粒可以吸收特定波长光线,然后可发生另外一个波长光线。许多天然化合物如水母蛋白质和某些稀土化合物也具有这种特征。但纳米光更稳定,有更多特性,也更方便制备,使这种材料在工业和学术界受到广泛重视。

纳米光线也属于量子点范畴,量子点(Quantum Dot)是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。量子点,电子运动在三维空间都受到了限制,因此有时被称为“人造原子”、“超原子”或“量子点原子”,是20世纪90年代提出来的一个概念。有些纳米光颗粒具有大量吸收低能光子,然后产生少数高能光子的性能,这样可以具有释放多种颜色光线的特征。也可以用聚合物或有机小分子制造,这样可以比量子点毒性低。过去科学家一般习惯于用紫外线和碳基化合物进行这种研究。

Goh使用的这种新材料是新加坡国立大学的化学工程师Bin Liu设计的,难得的是,这种方案可以让有机粒子比无机粒子发射的光线都强。

这种材料目前已经开始有了应用,从新一代电视显示器到生物化学分析,科学家正在对这种材料用于太阳能、DNA序列分析、运动感知和外科手术等领域。研究荧光纳米颗粒的华盛顿大学教授Daniel Chiu说,这一领域发展十分迅速。发明第一个量子点的加州大学化学家Paul Alivisatos说,这个领域的应用潜力巨大,而且十分好玩。

现代量子点技术要追溯到上世纪70年代中期,它是为了解决全球能源危机而发展起来的。通过光电化学研究,开发出半导体与液体之间的结合面,以利用纳米晶体颗粒优良的体表面积比来产生能量。初期研究始于上世体80年代早期2个实验室的科学家,贝尔实验室的Louis Brus博士和前苏联Yoffe研究所的Alexander EfrosVictor.I.Klimov博士。Brus博士与同事发现不同大小的硫化镉颗粒可产生不同的颜色。这个工作对了解量子限域效应很有帮助,该效应解释了量子点大小和颜色之间的相互关系,也同时也为量子点的应用铺平了道路。

新加坡国立大学Yin Thai Chan说,量子点漂亮的色彩吸引了大量关注,但是在应用方面并不理想。2000年代早期,这种纯粹的色彩吸引了许多电视制造商和生物医学研究者。生物医学主要是希望将这种材料用于蛋白质和DNA片段的示踪标记。Liu说,量子点有百般优点,但有一个明显的缺点,就是毒性比较大。最常见的量子点材料含镉,有很强的生物毒性。这大大限制了量子点的生物医学应用,一些国家严格限制在家用电器中使用含镉材料。解决问题的办法是用锌和铟代替镉,后者的毒性相对小一些。或者用生物相容性的多聚物将含镉材料进行包裹起来。但是毒性仍然让科学家在生物医学上的应用倍加小心,如在肿瘤周围进行荧光标记识别肿瘤细胞的外科手术方法。

量子点的这些局限迫使科学家从自然材料中寻找纳米颗粒。量子点等发光性质决定于材料组成,而非颗粒大小和形状。这给科学家降低了制造特定颜色材料的难度,因为不需要将所有材料制造程同样尺寸,也就是只需要在材料成分上下功夫。在备用材料方面,如从1950年代开始就开始研究的半导体多聚物。这种链式结构是简单成分组成,电子可以在其中自由移动,但是材料的成分决定只允许某种能量的电子自由移动。当外部能量如紫外线进入这种材料可以将电子释放出来,这导致材料的能级下降。这种多聚物可以进行修饰,以获得更多特性。例如可以靶向癌症细胞和增加水溶性。当这种聚合物被组装成为纳米颗粒或P点,其光亮度可以达到同样大小量子点的30倍。

用于量子点的半导体聚合物不如无机半导体稳定,但因为这种材料骨架为碳,没有任何金属成分,生物兼容性比较好。P点已经用于细胞成像,也用于氧气、蛋白酶活性或铜离子的分析。2013年,Chiu等报道P点结合铽离子可以探测细菌孢子释放的生物分子。在紫外灯照射下,P点发暗蓝色光,而铽离子发微弱绿荧光。当这种材料与生物分子结合后,铽离子发光增强为亮绿色,而P点发光特征没有变化,后者可以作为内参标准。不幸的是,P-dots也有一个缺点,密切拥挤在一起的聚合物分子会发生淬灭现象,这种现象导致大部分外来能量迅速消散,无法长时间持续激发荧光。

台湾中山大学化学家Yang-Hsiang Chan说,淬灭是工作效率的重要影响因素,一个方案是加入一些聚合物骨架避免这些聚合物过于紧凑。但是这会导致颗粒体积增多,增加扩散进入细胞的难度。如何把握平衡是这种工作的关键技术。

关键解决方案的线索最早是2001年被香港科技大学Ben Zhong Tang发现的,他们课题组发现一类有机物分子只有聚集在一起时可以发出荧光,这些分子的形状类似螺旋桨和纸风车,当聚合在一起时由于运动受到限制,能量损耗减少,用发光作为释放能量的方式。Tang已经给这种材料命名为聚合诱导激发aggregation-inducedemission (AIE),这种分子被称为AIEAIE-gens。随后几年,Tang和学生们改变这些分子基团,增加一些元素如氧和氮,AIE-gens能发射从紫外线到近红外全部波长的光线。现在已经实现任意调整光线,随时大量制备的技术。

2011年,在新加坡材料与工程研究院政府合作项目中,Tang遇到LiuTangAIE-gens那时除了没有水溶性外,已经制作非常完善,不溶解水是限制生物应用的障碍。Liu恰好是这方面的专家,于是两人开始合作。通过将聚合物进行水溶和脂溶双头修饰,Liu解决了这种材料无法水溶解的问题。AIE-gens材料的脂溶端朝内聚合在一起,水溶端朝外形成一个保护性外壳,形成一个能溶解于水的内部充满AIE-gens材料的微小胶囊。

这次材料被称为AIE点,这种材料也可以进行各种化学修饰,用于不同的目的。这种外壳能包裹各种类型的AIE-gens,这给筛选最佳分子提供了高效率。

AIE点已经被用于各种组织染色,从肿瘤血管到亚细胞结构。2015年,liuTang等报道了AIE用于光敏纳米材料疗法,这种材料携带两个分子,一个携带AIE点进入肿瘤细胞,另一个协助与线粒体结合。用外来光源照射后,AIE点在线粒体附近产生红色光制造氧自由基,将癌细胞破坏杀死。最好的AIE点亮度可以超过量子点40倍,Liu实验室的研究助理Guangxue Feng说,利用这种AIE点材料可在狭小空间内制造强光。这非常适合于组织显微成像和长期示踪的研究,理论上每次细胞分裂,这种材料浓度会下降一半。但是亮度增加也是有代价的,AIE点可以制造出大范围波长和更多色彩,但是光线的纯度和色彩的鲜艳度不如量子点。

Liu已经在新加坡创办了一家公司LuminiCell专门生产三种色彩和三种大小的AIE点材料。Tang也准备开一家公司,两人都希望能获得美国FDA授权,将这种材料用于人类外科手术精确切除的辅助分辨。

http://www.nature.com/news/the-nanolight-revolution-is-coming-1.19482



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