微米和纳米

点亮纳米“灯泡”

点亮纳米“灯泡”
纳米颗粒物有望使从显示器到癌症治疗的一切应用发生变革

点亮纳米“灯泡”

由硒化镉制成的量子点溶液通过释放特定波长的可见光,对紫外光线作出响应。图片来源:SPL

在新加坡庞大的研究基地——启奥生物医药园,Chi Ching Goh弯下腰靠近一只躺在面前一张桌子上的被麻醉的小鼠,并且小心翼翼地将一种亮黄色溶液注射进它的体内。随后,Goh轻轻地把小鼠耳朵放到显微镜下,并打开一个开关,让耳朵“沐浴在”紫外线中。透过显微镜的目镜,照明使皮肤下的血液发出绿光,并且得以追踪携带溶液穿过小鼠身体的毛细血管。

最终,身为新加坡国立大学博士生的Goh希望,这种方法将帮助她寻找由于炎症而出现渗漏的血管,从而可能有助于检测疟疾或者预测中风。这项技术的关键在于能赋予溶液颜色的病毒大小颗粒物。它们仅有几十纳米大,是不断壮大的“纳米灯泡”阵列成员。研究人员正在为能在一个波长上吸收光线并在另一个波长上重新将其释放的特定类型荧光,量身定制这种“纳米灯泡”。

很多自然生成的化合物能做到这一点,从水母的蛋白到一些稀土化合物。不过,纳米灯泡往往更加稳定、通用,并且更容易制备。这使得它们对工业和学术界的用户更具吸引力。

大小是关键

纳米灯泡时代从1981年量子点的发现开始。俄罗斯物理学家在硅酸盐玻璃上生长出半导体氯化亚铜的微小晶体,并且观察到玻璃的颜色取决于颗粒物的大小。这些晶体太小了,以至于量子效应开始生效,并且在一定程度上表现得像原子一样:它们仅能吸收或释放特定颜色的光线,具体频率视颗粒物的大小或形状而定。

在新加坡国立大学研究量子点的Yin Thai Chan介绍说,它们明亮而美丽,但“没有明显的用途”。不过,到本世纪初,这些纯正的颜色开始吸引电视机制造商以及发现其在标记特定蛋白和DNA片段方面拥有潜力的生物医学研究人员。

“对于量子点来说,一切都很好。”新加坡国立大学化学工程师、Goh正在使用的荧光纳米颗粒物的设计者Bin Liu表示,除了一件事:毒性。表现最好的量子点含有会毒害细胞的镉。这限制了其在生物学以及诸如家用电器等方面的有用性,因为一些国家不允许将这种元素用到此类设备中。从某种程度上说,这个问题能通过把镉替换成锌或铟得以解决——后两者的毒性要小很多,或者将聚合物中基于镉但具有生物相容性的量子点包裹起来。不过,毒性仍然掣肘一些研究人员,因为他们追寻的是诸如荧光指导的外科手术等雄心勃勃的应用。比如,纳米颗粒物被注射进肿瘤中,以便使其发光并帮助医生追踪肿瘤的所有踪迹。

走向有机化

作为对此项挑战的部分回应,研究人员开始研制能够自然发出荧光的物质的纳米颗粒物。由于这些纳米灯泡的发光特性来自其成分而不是大小或形状,因此它们更容易产生特定颜色。“事实上,这很有用,因为合成任何一样大小相同的东西都存在困难。”在美国华盛顿大学研究荧光纳米颗粒物的Daniel Chiu介绍说。

它还让纳米灯泡研究人员得以解脱,去研究诸如半导体聚合物等可替代材料。此类聚合物含有被连接到一个长链中的简单化合物,其中电子能自由移动,但仅能在由长链成分决定的特定能量下。自上世纪50年代起,其在电子学中的应用潜力便得到研究。

当电子被诸如紫外线等一些外部光源“踢到”更高的能级上时,光线便会释放出来,然后再降到较低的能级。这些聚合物还能被侧链装饰,从而赋予其特定属性,比如使它们瞄准癌细胞,或者帮助它们在水中溶解。当链条被聚集形成聚合物纳米颗粒或者聚合物点时,它们能比类似尺寸的量子点发出高30倍的光亮。

和量子点中使用的非有机半导体相比,半导体聚合物确实没那么稳定。不过,由于它们是基于碳的,且不含有金属,因此更容易具有生物相容性。聚合物点被用于为细胞着色和成像,还能用作探测氧气、酶或者诸如铜等金属离子的传感器。

例如,Chiu及其合作者在2013年报告称,同铽离子结合的聚合物点能探测到细菌孢子产生的生物分子。在紫外线灯下,聚合物点发出深蓝色的光,而铽离子释放出柠檬绿的微光。不过,当通过的生物分子附着在铽上时,这种离子发出的光增强到明亮的绿色。聚合物点的光仍保持不变,因此它能充当内部标准。

借助红外光线

限制纳米灯泡生物学应用的另一件事情是,大多数纳米灯泡吸收紫外线或可见光,而后两者仅能往组织中渗透几毫米。波长更长的近红外线辐射最多能向组织中渗透3厘米——对于释放药物等应用来说,这是一个更好的深度。不过,红外光线并未拥有足够的能量,将在纳米颗粒物表面持有药物的键断开,因此很多研究人员正转向一种被称为“上转换”的过程。这涉及到制造一种材料,其能吸收多种低能量红外光子,积蓄能量,然后以更高能量的紫外或可见光子的形式重新将其释放。

名为镧系元素的重金属元素家族在这方面尤其擅长。2011年,来自新加坡国立大学的Xiaogang Liu报告称,他的实验室创建了一种通用性很好的纳米颗粒物。它含有一系列同心球壳层,其中每个包含一种不同的镧系元素组合。来自红外光线的能量被中心吸收,然后逐层向外迁移,出现滚雪球式增长,并且最终在靠近表面处以高能级出现。

15种镧系元素能以很多种不同方式结合,以产生释放所有颜色,有时甚至一次释放多种颜色的纳米颗粒物。在一次展示中,Liu所在实验室的学生发射了一束红外激光,并使其穿过含有透明纳米颗粒物溶液的烧杯:紫色和绿色光线出现在烧杯中,而红外光束则穿了过去。

Liu认为,这些“上转换”纳米颗粒物在太阳能光伏中拥有巨大潜力,因为它们能帮助捕捉几乎占据太阳辐射一半的近红外光线。不过,这距离变成现实还有很长的道路:能获得的最亮纳米颗粒物仅能转换其吸收光线的10%。Liu团队正致力于建造一个由这些纳米颗粒物组成的库,以系统性地研究它们的属性并使其变得更亮。然而,考虑到镧系元素的数量,这并不是一项轻松的任务。

去年12月,加拿大麦吉尔大学生物材料学家Marta Cerruti报告了一个概念验证系统,其中一种含有镧系元素的纳米颗粒被一种含有“药物”的凝胶包裹,测试的目标则是一种致密、稳定的蛋白。在吸收近红外光线后,纳米颗粒物同时释放出红外光、可见光和紫外线。红外线辐射使研究人员得以追踪纳米颗粒物的位置;紫外线会断开蛋白同凝胶的连接,并将其释放。目前,Cerruti团队正计划在动物身上进行这种测试。(宗华)

《中国科学报》 (2016-04-13 第3版 国际)

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