龚亮副教授《Journal of Biomedical Nanotechnology》：双光子荧光纳米材料及其应在生物医学领域的应用
传统的单光子激发材料在生物医学应用中存在组织穿透浅、光毒性大、自荧光干扰等问题。而双光子激发(TPE)材料由于其深层组织穿透、三维空间选择性和低光毒性等优势，为生物医学影像和治疗提供了新的解决方案。随着科学技术的不断进步，纳米材料在生物医学领域的应用越来越受到重视。湖南工业大学生命科学与化学学院龚亮副教授综述了近年来双光子荧光纳米材料的研究进展，包括有机分子、量子点(QDs)、碳点(CDs)和金属纳米簇(MNCs)。相关成果“Two-Photon Fluorescent Nanomaterials and Their Applications in Biomedicine”发表在2021年2月21日的Journal of Biomedical Nanotechnology期刊上。
本文详细介绍了这些纳米材料的光学性质、合成方法，并探讨了它们在生物医学领域的应用，例如在生物传感方面的高灵敏度检测、在成像方面的高分辨率和对比度，以及在治疗方面作为药物载体和光动力治疗中的应用。
值得注意的是，双光子荧光的抗stokes荧光避免了来自生物物种的自身荧光或背景荧光，以提供灵敏和高分辨率的生物成像或生物传感。Zhang等人的研究小组报道了一种基于双光子荧光染料的探针，用于细胞和组织中的硫化氢检测和成像。为了克服有机荧光染料所固有的缺陷，该小组随后将染料掺杂到二氧化硅纳米颗粒中，形成低毒、水溶性好的复合发光硅材料，成功用于体内检测抗坏血酸（AA），如图1所示。在该纳米体系中，双光子染料在硅纳米颗粒表面形成带负电荷的双光子纳米颗粒（TPNPs），然后通过静电吸附结合氢氧氢氧化钴纳米片，由于电子转移（ET）的影响，双光子纳米颗粒的荧光显著降低。当加入AA，将CoOOH还原为Co2+，导致Co-OOH纳米片解体，TPNPs的荧光恢复。该纳米系统检测AA的LOD值达到170 nM。
图1 CoOOH修饰TPNPs的制备和在体内AA检测和成像的原理图。
CDs因其成本低、稳定性好、毒性低而被用于生物分子检测的生物传感器。据报道，杂原子掺杂CDs能够增强其光荧光和扩展了其应用。Zhang等设计了一种荧光免疫传感器。以苯二胺为前驱体，合成了荧光发射波长可切换的o-CDs。然后将氨基修饰的树突状介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSN）与AuNPs共轭形成DMSN-AuNPs复合材料。用该复合材料作为纳米酶水解葡萄糖，生成过氧化氢。o-CDs的荧光被亚铁离子有效猝灭，而过氧化氢的存在恢复了荧光（图2）。
图2 Fenton反应诱导的荧光变色碳点和仿生无机纳米酶的双光子荧光免疫分析法。
最后，双光子纳米材料在癌细胞传感和成像中的成功应用为其在癌症治疗中的进一步应用提供了巨大的潜力。由于其独特的特性，双光子纳米材料在癌症治疗中发挥着多种作用。Qi等报道了量子点-卟啉复合物利用量子点作为双光子激发PDT（图3(A)）。用9,10-蒽二丙酸（ADPA）二钠盐构建探针，用化学方法测定了这些量子点光敏剂在水溶液中产生1O2的效率。图3(B)显示了在相同的ADPA浓度下，QD、卟啉和QD卟啉产生的1O2。QD-卟啉生成的1O2产率高于卟啉，说明QD-卟啉在TPE作用下是一种有效的光敏剂，有望用于PDT治疗肿瘤。量子点还与纳米材料（有机硅、两亲性聚合物等）结合形成复合纳米材料，以获得更高的1O2产量和更有效的癌症治疗。
图3 (A)CdSe/ZnS量子点结合水溶性卟啉的示意图。(B)9,10-蒽二丙酸（ADPA）在PBS缓冲液中QD、卟啉和QD卟啉存在下随时间的荧光强度曲线。
本文不仅为双光子荧光纳米材料的进一步研究和应用提供了及时的综述，而且对于推动相关领域的科学发展和技术创新具有重要意义。随着纳米技术和生物技术的快速发展，预计这些新型纳米材料将在不久的将来应用于临床实践。
该文章得到了国家自然科学基金项目（21705043）、湖南省自然科学基金项目（2019JJ60058,2018JJ3117,2020JJ6102）、湖南省教育厅科研基金项目（19A144、18C0529、18C0498、17C0157）等的经费支持。
原文链接：https:// doi:10.1166/jbn.2021.3052
