中國(guó)粉體網(wǎng)訊 由硒化鎘制成的量子點(diǎn)溶液通過(guò)釋放特定波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，對(duì)紫外光線作出響應(yīng)。
在新加坡龐大的研究基地——啟奧生物醫(yī)藥園，Chi Ching Goh彎下腰靠近一只躺在面前一張桌子上的被麻醉的小鼠，并且小心翼翼地將一種亮黃色溶液注射進(jìn)它的體內(nèi)。隨后，Goh輕輕地把小鼠耳朵放到顯微鏡下，并打開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)，讓耳朵“沐浴在”紫外線中。透過(guò)顯微鏡的目鏡，照明使皮膚下的血液發(fā)出綠光，并且得以追蹤攜帶溶液穿過(guò)小鼠身體的毛細(xì)血管。
最終，身為新加坡國(guó)立大學(xué)博士生的Goh希望，這種方法將幫助她尋找由于炎癥而出現(xiàn)滲漏的血管，從而可能有助于檢測(cè)瘧疾或者預(yù)測(cè)中風(fēng)。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于能賦予溶液顏色的病毒大小顆粒物。它們僅有幾十納米大，是不斷壯大的“納米燈泡”陣列成員。研究人員正在為能在一個(gè)波長(zhǎng)上吸收光線并在另一個(gè)波長(zhǎng)上重新將其釋放的特定類型熒光，量身定制這種“納米燈泡”。
很多自然生成的化合物能做到這一點(diǎn)，從水母的蛋白到一些稀土化合物。不過(guò)，納米燈泡往往更加穩(wěn)定、通用，并且更容易制備。這使得它們對(duì)工業(yè)和學(xué)術(shù)界的用戶更具吸引力。
大小是關(guān)鍵
納米燈泡時(shí)代從1981年量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始。俄羅斯物理學(xué)家在硅酸鹽玻璃上生長(zhǎng)出半導(dǎo)體氯化亞銅的微小晶體，并且觀察到玻璃的顏色取決于顆粒物的大小。這些晶體太小了，以至于量子效應(yīng)開(kāi)始生效，并且在一定程度上表現(xiàn)得像原子一樣：它們僅能吸收或釋放特定顏色的光線，具體頻率視顆粒物的大小或形狀而定。
在新加坡國(guó)立大學(xué)研究量子點(diǎn)的Yin Thai Chan介紹說(shuō)，它們明亮而美麗，但“沒(méi)有明顯的用途”。不過(guò)，到本世紀(jì)初，這些純正的顏色開(kāi)始吸引電視機(jī)制造商以及發(fā)現(xiàn)其在標(biāo)記特定蛋白和DNA片段方面擁有潛力的生物醫(yī)學(xué)研究人員。
“對(duì)于量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，一切都很好�！毙录悠聡�(guó)立大學(xué)化學(xué)工程師、Goh正在使用的熒光納米顆粒物的設(shè)計(jì)者Bin Liu表示，除了一件事：毒性。表現(xiàn)最好的量子點(diǎn)含有會(huì)毒害細(xì)胞的鎘。這限制了其在生物學(xué)以及諸如家用電器等方面的有用性，因?yàn)橐恍﹪?guó)家不允許將這種元素用到此類設(shè)備中。從某種程度上說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題能通過(guò)把鎘替換成鋅或銦得以解決——后兩者的毒性要小很多，或者將聚合物中基于鎘但具有生物相容性的量子點(diǎn)包裹起來(lái)。不過(guò)，毒性仍然掣肘一些研究人員，因?yàn)樗麄冏穼さ氖侵T如熒光指導(dǎo)的外科手術(shù)等雄心勃勃的應(yīng)用。比如，納米顆粒物被注射進(jìn)腫瘤中，以便使其發(fā)光并幫助醫(yī)生追蹤腫瘤的所有蹤跡。
走向有機(jī)化
作為對(duì)此項(xiàng)挑戰(zhàn)的部分回應(yīng)，研究人員開(kāi)始研制能夠自然發(fā)出熒光的物質(zhì)的納米顆粒物。由于這些納米燈泡的發(fā)光特性來(lái)自其成分而不是大小或形狀，因此它們更容易產(chǎn)生特定顏色�！笆聦�(shí)上，這很有用，因?yàn)楹铣扇魏我粯哟笮∠嗤臇|西都存在困難�！痹诿绹�(guó)華盛頓大學(xué)研究熒光納米顆粒物的Daniel Chiu介紹說(shuō)。
它還讓納米燈泡研究人員得以解脫，去研究諸如半導(dǎo)體聚合物等可替代材料。此類聚合物含有被連接到一個(gè)長(zhǎng)鏈中的簡(jiǎn)單化合物，其中電子能自由移動(dòng)，但僅能在由長(zhǎng)鏈成分決定的特定能量下。自上世紀(jì)50年代起，其在電子學(xué)中的應(yīng)用潛力便得到研究。
當(dāng)電子被諸如紫外線等一些外部光源“踢到”更高的能級(jí)上時(shí)，光線便會(huì)釋放出來(lái)，然后再降到較低的能級(jí)。這些聚合物還能被側(cè)鏈裝飾，從而賦予其特定屬性，比如使它們瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞，或者幫助它們?cè)谒腥芙�。�?dāng)鏈條被聚集形成聚合物納米顆粒或者聚合物點(diǎn)時(shí)，它們能比類似尺寸的量子點(diǎn)發(fā)出高30倍的光亮。
和量子點(diǎn)中使用的非有機(jī)半導(dǎo)體相比，半導(dǎo)體聚合物確實(shí)沒(méi)那么穩(wěn)定。不過(guò)，由于它們是基于碳的，且不含有金屬，因此更容易具有生物相容性。聚合物點(diǎn)被用于為細(xì)胞著色和成像，還能用作探測(cè)氧氣、酶或者諸如銅等金屬離子的傳感器。
例如，Chiu及其合作者在2013年報(bào)告稱，同鋱離子結(jié)合的聚合物點(diǎn)能探測(cè)到細(xì)菌孢子產(chǎn)生的生物分子。在紫外線燈下，聚合物點(diǎn)發(fā)出深藍(lán)色的光，而鋱離子釋放出檸檬綠的微光。不過(guò)，當(dāng)通過(guò)的生物分子附著在鋱上時(shí)，這種離子發(fā)出的光增強(qiáng)到明亮的綠色。聚合物點(diǎn)的光仍保持不變，因此它能充當(dāng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。
借助紅外光線
限制納米燈泡生物學(xué)應(yīng)用的另一件事情是，大多數(shù)納米燈泡吸收紫外線或可見(jiàn)光，而后兩者僅能往組織中滲透幾毫米。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的近紅外線輻射最多能向組織中滲透3厘米——對(duì)于釋放藥物等應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)更好的深度。不過(guò)，紅外光線并未擁有足夠的能量，將在納米顆粒物表面持有藥物的鍵斷開(kāi)，因此很多研究人員正轉(zhuǎn)向一種被稱為“上轉(zhuǎn)換”的過(guò)程。這涉及到制造一種材料，其能吸收多種低能量紅外光子，積蓄能量，然后以更高能量的紫外或可見(jiàn)光子的形式重新將其釋放。
名為鑭系元素的重金屬元素家族在這方面尤其擅長(zhǎng)。2011年，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)的Xiaogang Liu報(bào)告稱，他的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一種通用性很好的納米顆粒物。它含有一系列同心球殼層，其中每個(gè)包含一種不同的鑭系元素組合。來(lái)自紅外光線的能量被中心吸收，然后逐層向外遷移，出現(xiàn)滾雪球式增長(zhǎng)，并且最終在靠近表面處以高能級(jí)出現(xiàn)。
15種鑭系元素能以很多種不同方式結(jié)合，以產(chǎn)生釋放所有顏色，有時(shí)甚至一次釋放多種顏色的納米顆粒物。在一次展示中，Liu所在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生發(fā)射了一束紅外激光，并使其穿過(guò)含有透明納米顆粒物溶液的燒杯：紫色和綠色光線出現(xiàn)在燒杯中，而紅外光束則穿了過(guò)去。
Liu認(rèn)為，這些“上轉(zhuǎn)換”納米顆粒物在太陽(yáng)能光伏中擁有巨大潛力，因?yàn)樗鼈兡軒椭蹲綆缀跽紦?jù)太陽(yáng)輻射一半的近紅外光線。不過(guò)，這距離變成現(xiàn)實(shí)還有很長(zhǎng)的道路：能獲得的最亮納米顆粒物僅能轉(zhuǎn)換其吸收光線的10%。Liu團(tuán)隊(duì)正致力于建造一個(gè)由這些納米顆粒物組成的庫(kù)，以系統(tǒng)性地研究它們的屬性并使其變得更亮。然而，考慮到鑭系元素的數(shù)量，這并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。
去年12月，加拿大麥吉爾大學(xué)生物材料學(xué)家Marta Cerruti報(bào)告了一個(gè)概念驗(yàn)證系統(tǒng)，其中一種含有鑭系元素的納米顆粒被一種含有“藥物”的凝膠包裹，測(cè)試的目標(biāo)則是一種致密、穩(wěn)定的蛋白。在吸收近紅外光線后，納米顆粒物同時(shí)釋放出紅外光、可見(jiàn)光和紫外線。紅外線輻射使研究人員得以追蹤納米顆粒物的位置；紫外線會(huì)斷開(kāi)蛋白同凝膠的連接，并將其釋放。目前，Cerruti團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃在動(dòng)物身上進(jìn)行這種測(cè)試。（宗華）
在新加坡龐大的研究基地——啟奧生物醫(yī)藥園，Chi Ching Goh彎下腰靠近一只躺在面前一張桌子上的被麻醉的小鼠，并且小心翼翼地將一種亮黃色溶液注射進(jìn)它的體內(nèi)。隨后，Goh輕輕地把小鼠耳朵放到顯微鏡下，并打開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)，讓耳朵“沐浴在”紫外線中。透過(guò)顯微鏡的目鏡，照明使皮膚下的血液發(fā)出綠光，并且得以追蹤攜帶溶液穿過(guò)小鼠身體的毛細(xì)血管。
最終，身為新加坡國(guó)立大學(xué)博士生的Goh希望，這種方法將幫助她尋找由于炎癥而出現(xiàn)滲漏的血管，從而可能有助于檢測(cè)瘧疾或者預(yù)測(cè)中風(fēng)。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵在于能賦予溶液顏色的病毒大小顆粒物。它們僅有幾十納米大，是不斷壯大的“納米燈泡”陣列成員。研究人員正在為能在一個(gè)波長(zhǎng)上吸收光線并在另一個(gè)波長(zhǎng)上重新將其釋放的特定類型熒光，量身定制這種“納米燈泡”。
很多自然生成的化合物能做到這一點(diǎn)，從水母的蛋白到一些稀土化合物。不過(guò)，納米燈泡往往更加穩(wěn)定、通用，并且更容易制備。這使得它們對(duì)工業(yè)和學(xué)術(shù)界的用戶更具吸引力。
大小是關(guān)鍵
納米燈泡時(shí)代從1981年量子點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始。俄羅斯物理學(xué)家在硅酸鹽玻璃上生長(zhǎng)出半導(dǎo)體氯化亞銅的微小晶體，并且觀察到玻璃的顏色取決于顆粒物的大小。這些晶體太小了，以至于量子效應(yīng)開(kāi)始生效，并且在一定程度上表現(xiàn)得像原子一樣：它們僅能吸收或釋放特定顏色的光線，具體頻率視顆粒物的大小或形狀而定。
在新加坡國(guó)立大學(xué)研究量子點(diǎn)的Yin Thai Chan介紹說(shuō)，它們明亮而美麗，但“沒(méi)有明顯的用途”。不過(guò)，到本世紀(jì)初，這些純正的顏色開(kāi)始吸引電視機(jī)制造商以及發(fā)現(xiàn)其在標(biāo)記特定蛋白和DNA片段方面擁有潛力的生物醫(yī)學(xué)研究人員。
“對(duì)于量子點(diǎn)來(lái)說(shuō)，一切都很好�！毙录悠聡�(guó)立大學(xué)化學(xué)工程師、Goh正在使用的熒光納米顆粒物的設(shè)計(jì)者Bin Liu表示，除了一件事：毒性。表現(xiàn)最好的量子點(diǎn)含有會(huì)毒害細(xì)胞的鎘。這限制了其在生物學(xué)以及諸如家用電器等方面的有用性，因?yàn)橐恍﹪?guó)家不允許將這種元素用到此類設(shè)備中。從某種程度上說(shuō)，這個(gè)問(wèn)題能通過(guò)把鎘替換成鋅或銦得以解決——后兩者的毒性要小很多，或者將聚合物中基于鎘但具有生物相容性的量子點(diǎn)包裹起來(lái)。不過(guò)，毒性仍然掣肘一些研究人員，因?yàn)樗麄冏穼さ氖侵T如熒光指導(dǎo)的外科手術(shù)等雄心勃勃的應(yīng)用。比如，納米顆粒物被注射進(jìn)腫瘤中，以便使其發(fā)光并幫助醫(yī)生追蹤腫瘤的所有蹤跡。
走向有機(jī)化
作為對(duì)此項(xiàng)挑戰(zhàn)的部分回應(yīng)，研究人員開(kāi)始研制能夠自然發(fā)出熒光的物質(zhì)的納米顆粒物。由于這些納米燈泡的發(fā)光特性來(lái)自其成分而不是大小或形狀，因此它們更容易產(chǎn)生特定顏色�！笆聦�(shí)上，這很有用，因?yàn)楹铣扇魏我粯哟笮∠嗤臇|西都存在困難�！痹诿绹�(guó)華盛頓大學(xué)研究熒光納米顆粒物的Daniel Chiu介紹說(shuō)。
它還讓納米燈泡研究人員得以解脫，去研究諸如半導(dǎo)體聚合物等可替代材料。此類聚合物含有被連接到一個(gè)長(zhǎng)鏈中的簡(jiǎn)單化合物，其中電子能自由移動(dòng)，但僅能在由長(zhǎng)鏈成分決定的特定能量下。自上世紀(jì)50年代起，其在電子學(xué)中的應(yīng)用潛力便得到研究。
當(dāng)電子被諸如紫外線等一些外部光源“踢到”更高的能級(jí)上時(shí)，光線便會(huì)釋放出來(lái)，然后再降到較低的能級(jí)。這些聚合物還能被側(cè)鏈裝飾，從而賦予其特定屬性，比如使它們瞄準(zhǔn)癌細(xì)胞，或者幫助它們?cè)谒腥芙�。�?dāng)鏈條被聚集形成聚合物納米顆粒或者聚合物點(diǎn)時(shí)，它們能比類似尺寸的量子點(diǎn)發(fā)出高30倍的光亮。
和量子點(diǎn)中使用的非有機(jī)半導(dǎo)體相比，半導(dǎo)體聚合物確實(shí)沒(méi)那么穩(wěn)定。不過(guò)，由于它們是基于碳的，且不含有金屬，因此更容易具有生物相容性。聚合物點(diǎn)被用于為細(xì)胞著色和成像，還能用作探測(cè)氧氣、酶或者諸如銅等金屬離子的傳感器。
例如，Chiu及其合作者在2013年報(bào)告稱，同鋱離子結(jié)合的聚合物點(diǎn)能探測(cè)到細(xì)菌孢子產(chǎn)生的生物分子。在紫外線燈下，聚合物點(diǎn)發(fā)出深藍(lán)色的光，而鋱離子釋放出檸檬綠的微光。不過(guò)，當(dāng)通過(guò)的生物分子附著在鋱上時(shí)，這種離子發(fā)出的光增強(qiáng)到明亮的綠色。聚合物點(diǎn)的光仍保持不變，因此它能充當(dāng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)。
借助紅外光線
限制納米燈泡生物學(xué)應(yīng)用的另一件事情是，大多數(shù)納米燈泡吸收紫外線或可見(jiàn)光，而后兩者僅能往組織中滲透幾毫米。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的近紅外線輻射最多能向組織中滲透3厘米——對(duì)于釋放藥物等應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)更好的深度。不過(guò)，紅外光線并未擁有足夠的能量，將在納米顆粒物表面持有藥物的鍵斷開(kāi)，因此很多研究人員正轉(zhuǎn)向一種被稱為“上轉(zhuǎn)換”的過(guò)程。這涉及到制造一種材料，其能吸收多種低能量紅外光子，積蓄能量，然后以更高能量的紫外或可見(jiàn)光子的形式重新將其釋放。
名為鑭系元素的重金屬元素家族在這方面尤其擅長(zhǎng)。2011年，來(lái)自新加坡國(guó)立大學(xué)的Xiaogang Liu報(bào)告稱，他的實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一種通用性很好的納米顆粒物。它含有一系列同心球殼層，其中每個(gè)包含一種不同的鑭系元素組合。來(lái)自紅外光線的能量被中心吸收，然后逐層向外遷移，出現(xiàn)滾雪球式增長(zhǎng)，并且最終在靠近表面處以高能級(jí)出現(xiàn)。
15種鑭系元素能以很多種不同方式結(jié)合，以產(chǎn)生釋放所有顏色，有時(shí)甚至一次釋放多種顏色的納米顆粒物。在一次展示中，Liu所在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生發(fā)射了一束紅外激光，并使其穿過(guò)含有透明納米顆粒物溶液的燒杯：紫色和綠色光線出現(xiàn)在燒杯中，而紅外光束則穿了過(guò)去。
Liu認(rèn)為，這些“上轉(zhuǎn)換”納米顆粒物在太陽(yáng)能光伏中擁有巨大潛力，因?yàn)樗鼈兡軒椭蹲綆缀跽紦?jù)太陽(yáng)輻射一半的近紅外光線。不過(guò)，這距離變成現(xiàn)實(shí)還有很長(zhǎng)的道路：能獲得的最亮納米顆粒物僅能轉(zhuǎn)換其吸收光線的10%。Liu團(tuán)隊(duì)正致力于建造一個(gè)由這些納米顆粒物組成的庫(kù)，以系統(tǒng)性地研究它們的屬性并使其變得更亮。然而，考慮到鑭系元素的數(shù)量，這并不是一項(xiàng)輕松的任務(wù)。
去年12月，加拿大麥吉爾大學(xué)生物材料學(xué)家Marta Cerruti報(bào)告了一個(gè)概念驗(yàn)證系統(tǒng)，其中一種含有鑭系元素的納米顆粒被一種含有“藥物”的凝膠包裹，測(cè)試的目標(biāo)則是一種致密、穩(wěn)定的蛋白。在吸收近紅外光線后，納米顆粒物同時(shí)釋放出紅外光、可見(jiàn)光和紫外線。紅外線輻射使研究人員得以追蹤納米顆粒物的位置；紫外線會(huì)斷開(kāi)蛋白同凝膠的連接，并將其釋放。目前，Cerruti團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃在動(dòng)物身上進(jìn)行這種測(cè)試。（宗華）
