荧光纳米测温学是一种基于具有温度敏感的荧光特性材料实现高灵敏度、亚微尺度分辨率的非接触式温度测量技术。该技术在纳米流体学、催化反应、微电子学得到了广泛应用。

近年来，最为热门的应用方向则是将纳米测温学引入到细胞生物学、药物开发、以及疾病早期诊断和治疗研究中。

在过去十年中，温度敏感荧光材料被广泛开发和应用于非接触式细胞内和体内温度监测。这些温度敏感的荧光材料分为有机物和无机物。有机物种类主要包括荧光蛋白(FPs）、有机染料(dyes)、镧系配合物和染料掺杂的聚合物。无机纳米颗粒包括量子点(QDs)、镧系离子掺杂纳米颗粒(Ln-NPs)、纳米金刚石色心(NDs)和碳点(CDs)等。纳米温度计显示其分子、原子甚至电子尺度的动态特性对温度的响应。

这些动力学现象所体现的可测量光学指标包括发射强度、峰位置、发射或激发强度比值、寿命、极化各向异性、电子自旋共振(ESR)和光学检测磁共振(ODMR)。

图1 不同纳米温度计的典型测温工作机理

纳米温度计可以通过内吞作用、化学扩散或微注射的方式进入细胞内测量温度。它们还可以作为标记细胞器的靶标，实时检测局部温度变化，并将之与细胞器功能关联，从而促进细胞生物学知识的探索。除了基于小分子的纳米温度计外，大多数纳米温度计都需要进行表面修饰，以克服其在尺寸、生物相容性和表面亲水性方面的限制。然后通过激光或药物刺激进行局部加热以改变外部介质的温度来验证其功能。

纳米温度计在活体内的应用仍处于起步阶段。在动物模型中对纳米温度计的概念验证演示包括温控光热疗法，肿瘤、炎症事件和心血管疾病的诊断。无机纳米颗粒具有近红外(NIR)激发/发射特性，允许生物组织的高穿透深度。近红外光可以穿透骨组织数百微米，使经颅测温成为可能。

图2 荧光纳米温度计进行细胞内和体内温度传感实例

研究人员指出某些与温度无关的因素同样会影响纳米温度计的荧光，这就可能带来温度测量偏差。理解这些非温度相关的荧光信号波动是避免温度误读的关键。荧光信号的功率依赖性、不同细胞器之间的折射率值的变化、生物组织自发荧光及吸收和散射效应引起的荧光畸变等因素都可能引起温度误读。为了减少这些不必要的误读，应严格确保在校准曲线获取和真实测试场景时使用一致的关键参数条件。

图3 代表性的温度误读情况

研究人员预计新一代的纳米温度计的开发将充分利用先进纳米技术和光谱学手段，并将测温与其他新的功能（如制冷、加热）集成在一起。

细胞内温度传感的不确定性通常是由于周围环境的复杂性和细胞器的动态结构变化引起的。未来更准确的测量温度需要开发能够定位于特定细胞器的纳米温度计，并结合新的成像技术，如超分辨成像，来实时监控纳米温度计的分布。

图4 活细胞中线粒体的温度监测、新型线粒体靶向分子设计方案和超分辨成像技术观察线粒体结构

研究人员进一步统计了通过荧光测温技术进行典型疾病监控所需的理想温度分辨率和时间分辨率，并阐述了一些有望满足需求的测温策略，为推进这一多学科交叉领域的研究指明方向。

研究人员表明随着可靠和高分辨率纳米测温技术的发展，未来生物学研究手段有望从以往的结构性成像主导转为以关注细胞内和细胞间互作动力学为主的功能性成像。

这些进步将促进基础生物学研究关注生命体系中的热波动，通过检测异常的生理温度，使得实时监控癌症、神经紊乱等疾病进程成为可能。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41592-020-0957-y