鑭系發光材料用于生物成像的研究進展

李夢夢 焦靜靜 楊仕平

摘 ?要： 鑭系元素因其特殊的4f電子層結構而具有優異的光譜特性，如尖銳的線狀譜帶和相對較長的激發態壽命，這大大提高了其光學成像性能，是一類新型的成像元素.但其電子躍遷幾率低，表現出較差的發光強度及較低的吸光效率，這對鑭系發光材料作為生物成像探針的發展有一定的阻礙.近些年，研究者們通過設計鑭系材料組成與結構，對其發光性能進行調控，使其成像性能得到了極大的提升.該文分別綜述了鑭系配合物、鑭系納米粒子作為成像探針的發光原理、材料類型及生物應用.

關鍵詞： 鑭系元素; 配合物; 納米材料; 生物發光成像

中圖分類號： O 614.33;R 318.51 ?文獻標志碼： A ?文章編號： 1000-5137（2021）06-0737-08

Abstract： Due to the special structure of 4f electron layer， lanthanides have excellent spectral characteristics， such as sharp linear bands and relatively long excited state lifetime， which greatly improves their optical imaging performance and makes them a new type of imaging elements. However， their low electron transition probability， low light absorption efficiency， and low luminescence intensity have hindered the development of lanthanide luminescent materials as biological imaging probes. In recent years， numerous researchers have tried to resolve this problem through designing luminescence materials based on lanthanides elements. This article summarizes the recent advance in the luminant mechanism， material types， and biological applications of lanthanide coordination complexes and lanthanide nanoparticles as bioluminescence imaging agents.

Key words： lanthanide; coordination complexes; nanomaterials; bioluminescence imaging

0 ?引 言

鑭系元素具有4f電子軌道，其多樣的電子構型、豐富的電子能級賦予了鑭系材料優異的光學性質[1-3].每種鑭系金屬離子均具有獨特的躍遷能級，特殊的4f-4f能級的躍遷禁阻使其發射光譜表現出狹窄、尖銳的譜帶（半峰寬通常小于10 nm），產生的單個峰很容易區分，且其發光光譜具有特異性.同時，鑭系元素具有相對較長的發光壽命，如小型有機熒光團和熒光蛋白發光僅幾納秒，鑭系元素發光可以持續幾毫秒.但躍遷禁阻也使其電子躍遷幾率較小，表現出較低的吸光效率以及較差的發光強度，消光系數遠低于常用的熒光團（鑭系元素的消光系數小于10 L·mol-1·cm-1，有機熒光團和熒光蛋白的消光系數為10 000～100 000 L·mol-1·cm-1）[4].直接、高效地激發鑭系金屬所需的光強度會對生物樣品產生破壞性[5].因此，需要對鑭系材料進行各種合理的設計，以敏化鑭系元素發光.

目前應用廣泛的鑭系發光材料主要為鑭系配合物、鑭系納米粒子.由于鑭系配合物材料兼具無機物良好的穩定性和有機物量子產率高等優點，由此被認為是具有廣泛應用和發展前景的新型稀土有機發光材料.配體與鑭系金屬離子的類型均多種多樣，這賦予了鑭系配合物獨特的電、光、磁、熱等性能，其中以發光性能最為突出[6-7].由于該系列納米材料被認為是一種新興的納米發光材料，上轉換發光納米粒子利用其獨特的上轉換發光性質，吸收了低能量的近紅外光，產生高能量的可見光或紫外光（反斯托克斯發光）.與普通下轉換材料相比，其在生物成像方面優勢顯著，如可用紅外光激發、穿透性更好、毒性更低、半峰寬更窄等[8-10].相較于傳統的熒光材料，上轉換發光材料可避免光漂白，背景熒光干擾性低，檢測也幾乎可實現無損傷[11-12].鑭系摻雜的納米粒子材料經過一定的表面修飾還可實現特定的生物學應用，如改善生物相容性、穩定性、靶向性、傳感性等[13-16].

本文作者將從發光原理、發光材料的組成及優化、生物成像的研究應用等方面對鑭系配合物、鑭系納米粒子發光材料分別進行綜述.

1 ?鑭系配合物發光

1.1 鑭系配合物發光原理

有機分子配體由于具有較高的吸收系數，所需激發能量低，熒光發射效率高，因此可通過設計成鑭系元素配合物實現優化鑭系元素的發光性能.這樣的有機配體通過更高效率的吸收光并將能量傳遞給鑭系金屬離子，實現鑭系材料發光性能的增強[17]，因此被稱為天線分子.天線分子通常用于將能量轉移到鑭系金屬離子來實現其光學性能轉換效率及成像性能的提升.利用天線分子敏化鑭系金屬離子發光，形成的鑭系金屬配合物既表現出良好的發光性能，同時其狹窄的發射譜帶不會受到激發光源強度、發光中心濃度以及光學檢測器靈敏度的影響[18].大多數天線分子吸收波長為300～400 nm的光，并具有大于10 000 L·mol-1·cm-1的消光系數，少數還可響應可見光[19]，所得到的光致發光也與斯托克斯位移有關，有明顯的激發和發射信號的分離（幾百納米）.但并非所有的有機配體都適合作為天線分子，優異的天線分子需要具有較強的吸光能力、較寬的吸收譜帶、較長的三重態激發態發光壽命，同時其能級需要與鑭系金屬離子的4f激發態能級相匹配才能實現能量的有效傳遞，如圖1（a）所示[20].其發光原理為：首先，天線分子在紫外區吸收光能后進行電子躍遷，即π→π*，基態的電子則可以躍遷至最低激發單重態（S0-S1）;然后，三重態T1中能量開始逐漸轉移至其中心離子——鑭系離子，基態的電子即被激發躍遷至最高激發態;最后，離子高能態的電子重新返回基態時，電子所吸收的多余能量以可見光方式進行輻射，即產生人類肉眼可識別的特征性熒光，如圖1（b）所示.

1.2 鑭系配合物發光材料及其生物成像

最早的光致發光鑭系配合物之一是吡啶-2，6-二羧酸鋱Tb〖（DPA）〗_3^（3-）[20]，分子結構如圖2（a）所示.后續又開發了新的基于鑭系元素的配合物光學探針來實現摩爾吸光系數最大化及提高天線分子到鑭系金屬的轉移效率、量子產率、光穩定性和體內穩定性[21].MOORE等[22]研發了針對三價鋱離子（Tb3+）和三價銪離子（Eu3+）的最小發色配體2-羥基苯甲酰胺（IAM）和1-羥基吡啶-2-酮（1，2-HOPO），均為吡啶二羧酸（DPA）的二齒配體衍生物，如圖2（b）所示.后續又開發了包含4個IAM分子的Tb3+穴狀化合物，其中最亮、最長壽命的Tb3+復合物之一是Tb3+-Lumi4 [23]，如圖2（c）所示，其具有優異的消光系數（23 700 L·mol-1·cm-1）、量子產量（50%）和熒光壽命（2.45 ms）.

聚酰胺羧酸連接一個天線分子是最常用的鑭系配合物，HEFFERN等[24]合成了幾種這類探針，如與喹諾酮天線連接的二乙基三胺五乙酸（DTPA）、三乙烯四胺六乙酸（TTHA）、1，4，7，10-四氮雜環十二烷-1，4，7，10-四羧酸（DOTA）和一氧化二氮（N2O），如圖2（d）所示.7-氨基-4-甲基喹諾酮（cs124）發色團與Tb3+和Eu3+的配合物也已經被研制出來[25]，其中，7-氨基-4-三氟甲基-2-（1氫）-喹啉酮（cs124-CF3）優先將能量轉移到Eu3+，360 nm處消光系數可達15 000 L·mol-1·cm-1.鑭系聚酰胺羧酸酯配合物種類繁多，在體內具有不同的生物穩定性，使某些種類更適應于生物應用.例如，DOTA和N2O配體可以在低濃度（mmol·L-1）核苷三磷酸的存在下，結合三價鑭系元素實現生物體內的靈敏穩定性檢測.TAKALO等[26]開創了鑭系元素配位的三聯吡啶和類三聯吡啶，在以三聯吡啶為骨架的鑭系絡合物中，2，2'，2″，2?-{[4'-（氨基聯苯）-2，2'：6'，2″-三吡啶-6，6″-二基]雙（亞甲基腈）}四（乙酸）}銪（Ⅲ）（Eu3+-ATBTA）穩定性較高且亮度強，如圖2（e）所示.這種鑭系配合物在360 nm處具有20 000 L·mol-1·cm-1的高消光系數，量子產率可達到9.1%.即使在磷酸鹽緩沖溶液時，例如，磷酸銪（EuPO4）的溶度積（Ksp）達到約25，仍能實現優異的光致發光[27].Eu3+-ATBTA的生化穩定性進一步通過其在斑馬魚胚胎中的天數和耐熱能力達到95 ℃而得到驗證[28-29].此外，含Tb3+和Eu3+的配合物已被用作定量檢測聚合酶鏈反應的TaqMan探針，采用時間門控光度法監測，提供了跨越6個數量級的線性檢測[30].

2 ?鑭系納米粒子發光

2.1 鑭系納米粒子發光原理

納米顆粒中的鑭系元素通過幾種不同機制促進光子上轉換，其中2個最常見的是激發態吸收和能量轉移上轉換.激發態吸收材料通常由基質和激活離子組成的單一摻雜材料構成（二元鑭系氟化物），具有梯狀能級結構的鑭系元素連續吸收激發光子，鑭系元素摻雜劑的中間激發態具有長壽命，利于其連續吸收光子，并于中間激發態連續發射.進行能量轉移上轉換的通常是多種鑭系元素摻雜的材料，此類鑭系納米粒子由基質材料、敏化離子和發光中心組成（三元鑭系氟化物）.敏化離子（供體）得到的激發能量被傳遞到發光中心（受體），從同一敏化離子或多個敏化劑到單個發光中心可發生多次轉移.三價鐿離子（Yb3+）被認為是目前最優的敏化劑，因其只有一個激發態能級，并且在960～990 nm具有強烈吸收，可以被幾種常見的紅外激光器高效地瞄準.Yb3+通常與三價鈥離子（Ho3+）、三價鉺離子（Er3+）或三價銩離子（Tm3+）活化劑偶聯，這些受體離子由紅外激發，隨上轉換程度產生紫色到紅色波長的光子，如圖3所示.近年來，許多生物材料研究者在研究合成高發光性能的上轉換發光材料，逐步使其被廣泛地應用在生物標志、生物成像、DNA檢測、病變等方面.此外，還可通過修飾鑭系摻雜的納米粒子的表面以實現特定的生物學應用，例如代謝物傳感和靶向遞送等[31].上轉化納米發光材料在生物上已經具有很強的應用潛力，某些鑭系納米顆粒可進行光子上轉換，特別適用于小動物活體全身成像[32].

2.2 鑭系納米粒子發光材料及其生物成像

為實現優異的發光性能，其基質材料應滿足光學透明和晶格聲子能量低的要求，目前的研究發現以氟化物為基質的光學性能最為優異.二元鑭系氟化物主要包括氟化釹（NdF3）、氟化釓（GdF3）、氟化鑭（LaF3）.MOON等[34]合成了核殼型的二氧化硅包覆的氟化釹（NdF3@SiO2），納米顆粒發出明亮的綠色熒光，實現了優異的成像效果，將100 μL質量濃度為1.0 μg·mL-1的納米材料靜脈注射于小鼠的大腿及腹部，用730 nm的近紅外光照射激發，即能檢測到皮下1 cm處的成像.SAYED等[35]將鑭系離子與GdF3摻雜而形成具有優異發光特征的材料，細胞成像結果顯示其具有高靈敏度.SIVAKUMAR等[36]將鑭系元素Eu與LaF3摻雜，Eu作為敏化劑，然后通過交聯作用將生物素修飾在LaF3上來用于生物分析.WANG等[16]通過一步法合成了直徑約20 nm的LaF3納米粒子，此外還通過修飾殼聚糖以改善材料的水溶性，提高其與生物的相容性，利用殼聚糖中含有的氨基功能團使材料容易和生物體內小分子相互作用，其被用作一種分子檢測探針，有利于生物學研究.

目前，三元鑭系氟化物主要有四氟化釔鈉（NaYF4）和四氟化釓鈉（NaGdF4）.LIU等[37]合成了六方相的NaYF4，并將Yb或Er摻雜NaYF4制備的NaYF4∶Yb3+/Er3+與金（Au）進行組裝，這種把貴金屬與上轉換納米晶NaYF4進行結合的方式使上轉換納米材料的發光效率得到了明顯提升，因此引起了科研者的研究興趣.WEI等[38]合成了一種具有核殼結構的介孔SiO2包覆摻雜Yb的NaYF4（NaYF4∶Yb3+@mSiO2）納米粒子，并廣泛應用于活體醫學中的藥物釋放及實時影像.首先合成約80 nm的核殼結構的納米微粒，用聚乙二醇對其進行修飾以提高其生物相容性;然后再利用葉酸對其進行修飾以提高靶向性;最后將抗癌藥物阿霉素修飾在納米微粒子表面.由于阿霉素本身具有pH值特異響應性能，在腫瘤的酸性環境下，納米微粒中阿霉素被大量釋放，從而實現抑制和殺死腫瘤細胞的效果.同時，納米微粒被人體細胞捕獲和攝取，在980 nm紅外光的照射下發出了綠光，實現了細胞成像.LIU等[39]用分子影像探針NaGdF4對動物活體進行了成像.這個NaGdF4中的鑭系離子使材料具有光學信號，同時利用Gd的磁性來進行核磁共振成像，由于放射性的核素18F與Gd之間存在著相互作用，能將18F修飾在納米顆粒表面，使其也能產生一種放射性信號.最后再利用葉酸來修飾納米材料的表面，使納米探針具有良好的靶向性，修飾后的納米探針也能同時實現光學成像、核磁共振成像和正電子發射計算機斷層成像的性能，從而實現了對腫瘤的有效檢測.

通過時間門控可實現鑭系元素納米粒子成像的增強，因為它們的發光壽命（數十至數百微秒）是樣品自體熒光的數量級倍數，且這種檢測模式與上轉換和下轉換探針兼容.TAN等[40]合成了鑭系元素離子摻雜的NaGdF4和NaYF4納米粒子，具有優異的上轉換性能，可以用長波長808 nm激光激發，從而避免對生物樣本的熱損傷，給小鼠口服NaGdF4納米粒子，然后立即通過時間分辨成像確認其在胃中的存在，如圖4（a）所示.此外，將NaYF4納米粒子注入小鼠腦中，還可以通過時間門控高對比度檢測其發光，如圖4（b）所示.FAN等[41]通過控制能量中繼結構，產生具有不同發光壽命（微秒至毫秒）的Er3+基的納米顆粒.通過將這些時間壽命編碼的探針共聚到靶向腫瘤表面特定的抗體上，能夠實現同時成像小鼠毫米大小的腫瘤上的多個抗原，如圖4（c）所示.

3 ?結論與展望

本文作者通過向鑭系配合物引入天線分子、在鑭系無機納米材料進行上轉換設計等，實現了鑭系材料的優異發光，并將其應用到生物層次成像.然而，鑭系發光的應用仍存在一些缺陷，如熒光濃度猝滅、量子產率低、需要輔助敏化劑、與某些聚合物材料相容性不佳等，這些問題還需解決.相信隨著科研者的不斷探究，鑭系元素的性能會得到更大的提升，應用領域也會越來越廣泛.

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（責任編輯：郁慧，顧浩然）