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1、荧光生物纳米传感器荧光生物纳米传感器彭彭 洪洪 尚尚北京交通大学北京交通大学第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议于苏州于苏州第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议生物生物传感器传感器荧光荧光纳米纳米sensoranalytel 生物分子生物分子l 电解质离子电解质离子l 溶解气体溶解气体l 温度温度signalprocessing灵敏度高灵敏度高无损伤无损伤响应速度快响应速度快二维平面成像二维平面成像生物材料的大小：生物材料的大小：l 细胞：细胞：100-10 uml 细胞器：细胞器：10-1 um活活体体线线粒粒体体中中NADH的的多多光光子子成成像像。Karl Kas
2、ischke,et al.,Cornell University.第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议测测量量细细胞胞中中Ca2+浓浓度度。Tsien,R.Y.et al.Science 280,19541955(1998).无内源荧光无内源荧光有内源荧光有内源荧光生物检测对象生物检测对象直接测定直接测定引入荧光探针引入荧光探针l荧荧光光分分子子易易被被细细胞胞内内某某种种细细胞胞器器封封存存，或或与与胞胞内内成成分分发发生生非非特特异异结结合合，造造成成荧光信号失真荧光信号失真l稳定性差，存在荧光漂白稳定性差，存在荧光漂白l单单一一的的荧荧光光波波长长,受受探探针针浓浓度度分分布
3、布、光光电电子子系系统统的的随随机漂移影响机漂移影响l为为适适应应自自由由进进出出细细胞胞膜膜，分子结构需特殊的功能化分子结构需特殊的功能化第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议荧光探针分子荧光探针分子荧光纳米颗粒荧光纳米颗粒l基基质质具具有有保保护护作作用用，防防止止了了荧荧光光分分子子与与细细胞胞内内成成分分发发生生作用，同时提高了稳定性作用，同时提高了稳定性l提提高高了了荧荧光光强强度度（大大量量荧荧光光分分子子封封装装于于一一个个颗颗粒粒中中），即即高高信信噪噪比比；同同时时封封装装两两种种以以上上荧荧光光分分子子，实实现现比比率率荧荧光传感光传感l多多种种成成熟熟进进入入细
4、细胞胞方方法法：基基因因枪枪、皮皮量量注注射射枪枪、细细胞胞内内吞作用吞作用第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议胞内检测温度、胞内检测温度、pH的意义的意义l 认识细胞内的复杂的生理过程：细胞分裂、基因表达、认识细胞内的复杂的生理过程：细胞分裂、基因表达、新陈代谢等新陈代谢等l 疾病诊断：病态细胞温度高于正常细胞，酸化的疾病诊断：病态细胞温度高于正常细胞，酸化的pHpH值与值与组组织织缺缺氧以及等其他疾病态相关氧以及等其他疾病态相关l 肿瘤治疗：光热肿瘤治疗：光热pHpH值与肿瘤细胞值与肿瘤细胞耐耐药药性有性有关系关系Part I.荧光温度纳米传感器荧光温度纳米传感器Hydroph
5、ilic Fluorescent Nanogel Thermometer for Intracellular Thermometry，C.Gota et al.，J.Am.Chem.Soc.2009,131,2766.第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Temperature-sensitive PolymerWater-sensitive Fluorophore纳纳米米温温度度传传感感器器的的横横截截面面示示意意图图。温温度度探探针针分分子子Eu-DT随随机机分分布布于于纳纳米米颗颗粒粒内内部部（由由BTD-PMMA组组成成），纳纳米米颗颗粒粒表表面面覆覆盖盖着着完完整整（或或间
6、间断的）二氧化硅薄层。断的）二氧化硅薄层。第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Luminescent europium(III)nanoparticles for sensing and imaging of temperature in the physiological range.Peng Hongshang et al.,Adv.Mater.2010,22:716.有有机机硅硅氧氧烷烷BTD：碱碱性性环环境境下下，硅硅氧氧烷烷基基团团迅迅速速水水解解，以以及及硅硅醇醇缩缩聚聚，在在纳纳米米颗颗粒粒表表面面生生成成带带负负电二氧化硅薄层电二氧化硅薄层聚聚甲甲基基丙丙烯烯酸酸甲
7、甲酯酯（PMMA）：减减少少温温度度探探针针的的掺掺杂杂浓浓度度，从从而而降降低低浓浓度度猝猝灭灭以以获获得得较较强强的的发发光光和和较较长长的的荧荧光光寿寿命命。PMMA的的折折射射率率(1.49)与与二二氧氧化化硅硅(1.46)匹匹配配，这这也也使使得得生生成成的的纳纳米米颗颗粒粒拥拥有有较较好的光学透明度。好的光学透明度。Eu-DT荧光特性荧光特性：l大的斯托克斯位移大的斯托克斯位移(200-300 nm)l 针状发射峰针状发射峰l 5D0发射具有强的温度依赖特性发射具有强的温度依赖特性l 可见光激发可见光激发荧光温度探针分子荧光温度探针分子铕铕-三（二萘甲酰甲烷三（二萘甲酰甲烷)-二二
8、(三辛基氧化磷三辛基氧化磷)（Eu-DT）第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议温度纳米传感器的制备及表征温度纳米传感器的制备及表征再再沉沉淀淀-封封装装方方法法制制备备纳纳米米颗颗粒粒示示意意图图第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Eu-DT掺杂浓度对纳米颗粒荧光强度和寿命的影响掺杂浓度对纳米颗粒荧光强度和寿命的影响根根据据温温度度敏敏感感度度的的定定义义I/(IrefT),纳纳米米颗颗粒粒在在生生理理温温度度范范围围内内（25-45 oC）的的敏敏感感度度为为-3.07%/oC。假假设设荧荧光光强强度度测测量量的的精精确
9、确度度为为1%，那那么么Eu-DT纳纳米米传传感感器器的的温温度度分分辨辨率率可以达到可以达到 0.3 oC。荧光纳米传感器的温度依赖特性之荧光纳米传感器的温度依赖特性之荧光强度荧光强度25-45oC之间，荧光寿命温度敏感度为之间，荧光寿命温度敏感度为-2.2%/oC。第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议荧光纳米传感器的温度依赖特性之荧光纳米传感器的温度依赖特性之荧光寿命荧光寿命第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议基于基于Eu-DT纳米颗粒的生物温敏薄膜的荧光成像纳米颗粒的生物温敏薄膜的荧光成像Eu-DT纳纳米米颗颗粒粒置置入入生生物物相容性薄膜相容性薄膜聚乙烯醇中。聚
10、乙烯醇中。不不同同温温度度、不不同同压压力力下下的的荧荧光光寿寿命命伪伪彩彩色色成成像像。蓝蓝色色相相应应于于最最长长寿寿命命（400 s），红红色色对对应应于于最最短短寿寿命（命（122 s）。）。第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Ratiometric fluorescent nanoparticles for sensing temperature,Peng Hongshang et al.,J.Nanopart.Res.2010,.第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议比率荧光纳米传感器的荧光强度的温度依赖特性比率荧光纳米传感器的荧光强度的温度依赖特性根据温度敏
11、感度的定义，纳米颗粒的比率荧光强度在生理温度范围根据温度敏感度的定义，纳米颗粒的比率荧光强度在生理温度范围内（内（25-45 oC）的敏感度为）的敏感度为-4%/oCPart II.比率荧光比率荧光pH纳米水凝胶纳米水凝胶第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Honghao Sun，et al.,Chem.Mater.,2006,18(15),3381比率荧光比率荧光pH纳米传感器研究进展纳米传感器研究进展Preston T.S.et al.,J.Am.Chem.Soc.,2006,128(41),13320Hilderbrand S.
12、A.et al.,Bioconjugate Chem.,2008,19(8),1635纳纳米米水水凝凝胶胶的的截截面面示示意意图图及及组组成成成成分分化化学学结结构构式式。在在聚聚亚亚胺胺酯酯水水凝凝胶胶中中，溴溴百百里里酚酚兰兰，香香豆豆素素6 6和尼罗红随机分布。和尼罗红随机分布。第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议Nanogel for Ratiometric Fluorescent Sensing of Physiological pH Values.Hongshang Peng et al.,Angew.Chem.Int.Ed.,2010,49:4246-4249.l 聚
13、亚聚亚胺胺酯（酯（PU）：基质）：基质l 溴百里酚兰（溴百里酚兰（BTB）：）：pH指示剂，指示剂，pKal 香豆素香豆素6（C6)：绿色荧光：绿色荧光分子分子l 尼罗红（尼罗红（NR）：红色荧光）：红色荧光分子分子第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议比率荧光比率荧光pH纳米水凝胶的制备及表征纳米水凝胶的制备及表征再沉淀法：再沉淀法：将将PU,BTB,C6 和和NR按按照照一一定定比比例例溶溶于于乙乙醇醇/水水（9/1）的的混混合合溶溶液液中中，然然后后于于水水中中透透析析24小小时时，经经200nm的的膜膜过过滤滤，即即得得到到水水凝胶分散液凝胶分散液纳米水凝胶在纳米水凝胶在水溶
14、液中的粒水溶液中的粒径分布径分布比率荧光纳米水凝胶的比率荧光纳米水凝胶的pH传感机理传感机理第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议比率荧光纳米水凝胶的比率荧光纳米水凝胶的pH响应特性响应特性第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议比比率率荧荧光光纳纳米米水水凝凝胶胶的的pH校校正正曲曲线线。实实验验数数据据由由620nm 和和500nm处处的的荧荧光光强强度度比比计计算算得得到到，拟合方程为拟合方程为 450 nm激激发发下下，荧荧光光纳纳米米水水凝凝胶胶在在不同不同pH值（）下的荧光发射光谱值（）下的荧光发射光谱 BTB的离解平衡式可以表示为：的离解平衡式可以表示为：可相应
15、得到可相应得到BTB 的解离常数的解离常数Ka为为假定纳米水凝胶中荧光分子的荧光强度服从假定纳米水凝胶中荧光分子的荧光强度服从Beer-Lambert定律：定律：纳米水凝胶的荧光强度比率纳米水凝胶的荧光强度比率NR(620 nm)/C6(500 nm)可以写为可以写为通过常数设定，最后简化为下式通过常数设定，最后简化为下式 第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议纳米水凝胶纳米水凝胶pH荧光响应性的理论推导荧光响应性的理论推导在在505 nm和和620 nm处处的的荧荧光光强强度度变变化化分分别别为为+8%和和-8%，说明微量荧光分子的泄露。说明微量荧光分子的泄露。第十二届全国发光学术
16、会议第十二届全国发光学术会议比率荧光纳米水凝胶的稳定性比率荧光纳米水凝胶的稳定性CAB负负载载纳纳米米水水凝凝胶胶的的小小老老鼠鼠正正常常肾肾上上皮皮细细胞胞（）的的荧荧光光显显微微照照片片：绿绿色色通通道道（A）、红红色色通通道道（B）以以及及混混合合通通道道（C）。图图中中标标尺尺为为20微微米米。利利用用干干涉涉滤滤光光片片，C6用用470 nm光光激激发发，收收集集525 nm发发射射光光。NR用用 545 nm光激发，收集光激发，收集605 nm的发光。的发光。第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议活体细胞内纳米水凝胶的荧光成像活体细胞内纳米水凝胶的荧光成像Thanks for your attention！第十二届全国发光学术会议第十二届全国发光学术会议