光及光熱納米材料在生物傳感、藥物靶向運輸和生物成像中的應用

鄭力榕 羅云波，2 許文濤，2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學食品科學與營養(yǎng)工程學院，北京 100083；2. 中國農(nóng)業(yè)大學 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083）

納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度特征的材料，有“21世紀最有前途的材料”的美譽。當物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級時，會產(chǎn)生特異的表面效應、宏觀量子隧道效應、體積效應以及量子尺寸效應［1］，因而表現(xiàn)出一些新異的獨特的理化及光學性質(zhì)，在光電學、環(huán)境科學及生物醫(yī)學等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。

納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)晶態(tài)和非晶態(tài)材料有很大差別，突出地表現(xiàn)在小尺寸顆粒和龐大的體積百分數(shù)的界面，界面原子排列和鍵的組態(tài)的較大無規(guī)則性，使納米材料出現(xiàn)了一些不同于常規(guī)材料的光學性質(zhì)［2］。納米材料能吸收紅、紫外線的特征是很多普通材料不具備的，這主要是基于納米粒子的尺寸變化，從而導致其發(fā)生不同程度的物理或化學變化，能盡量避免紅、紫外線給人體帶來的傷害。

一些納米材料還具有良好的光熱轉(zhuǎn)化能力，可用于臨床上癌癥的光熱治療。然而，由于機體組織缺乏在近紅外區(qū)域有顯著光熱效應的物質(zhì)，不能將照射的光能充分轉(zhuǎn)化為熱能，在安全的激光功率范圍內(nèi)無法實現(xiàn)溫度的有效升高。因此，光熱治療的實施需要在近紅外區(qū)域（700-1 100 nm）有強吸收的光熱劑（光熱轉(zhuǎn)換材料）的輔助。為促使光熱治療技術(shù)的快速應用，開發(fā)高生物相容性高光熱轉(zhuǎn)化效率的光熱劑是當前的一個研究重點。大部分光熱劑為納米材料，根據(jù)材料類型的不同，可分為無機和有機納米光熱劑兩大類［3］。

本文主要介紹了不同的納米材料及其光學和光熱應用。

1 光學納米材料

納米粒子的一個明顯特征是尺寸小。當納米粒子的粒徑與超導相干波長、玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當、甚至更小時，其量子尺寸效應將十分顯著，使得納米材料呈現(xiàn)出與眾不同的光學特性，并且納米材料對可見光具有反射率低、吸收率高的特性。

1.1 多孔硅

多孔硅是一種呈海綿狀結(jié)構(gòu)、同時擁有較大比表面積的新型多孔硅基納米材料。其獨特的海綿狀結(jié)構(gòu)導致多孔硅呈現(xiàn)出很多與單晶硅不同的物理化學性質(zhì)，在傳感器技術(shù)、光電子器件、微加工、生物技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應用。此外，多孔硅在室溫時就具有可發(fā)光的特點，又因為多孔硅的多孔結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的吸附特性，其光電性質(zhì)因其多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)吸附物質(zhì)的不同而隨之變化。1997 年Lin和Sailor 等［4］基于多孔硅的吸附特性研制出了多孔硅光學生物傳感器。此后，在生物傳感器的研究領(lǐng)域中，多孔硅作為基體的生物傳感器研究得到廣泛的關(guān)注［5-6］。

1.2 半導體量子點

半導體量子點是三個維度的尺寸均在納米量級的一種熒光納米顆粒。其中典型的范例是由 IIB 和VIA 族元素（如 CdS、CdSe、ZnS、CdTe 等）組成的［7］。由于存在量子尺寸效應，半導體量子點會表現(xiàn)出與多環(huán)芳烴等有機大分子相似的光學性質(zhì)，可以發(fā)射熒光［8］。半導體量子點不僅具有高效的可靈活調(diào)控的光學性質(zhì)，還具備傳統(tǒng)有機染料不具備的特性，使其在催化、傳感、光電器件、光學材料、生物標記、生命分析等領(lǐng)域具有可觀的應用前景［9-10］。

1.3 碳、石墨烯量子點

2004，Xu 等［11］在利用電弧放電法制備單壁碳納米管時，發(fā)現(xiàn)了一類粒徑在10 nm 以下具有良好分散性且可以發(fā)射熒光的準球形碳納米顆粒。這些碳納米顆粒被稱之為碳量子點（碳納米點），簡稱碳點。眾多文獻報道碳點具有較小的尺寸、良好的生物相容性、多光子激發(fā)性質(zhì)、優(yōu)異的光穩(wěn)定性、電化學發(fā)光性能、易與生物分子結(jié)合以及良好的化學惰性，是一種優(yōu)異的熒光材料［12］。

石墨烯量子點（Graphene quantum dots，GQDs）是繼富勒烯［13］、碳納米管［14］及石墨烯［15］之后最熱門的新型納米材料之一。GODs 具有比表面積大、功能化位點豐富等特性，—般是由單層、雙層或多層石墨烯片組成的粒徑小于 100 nm 的零維納米顆粒［16-17］。零維的GQDs與二維的石墨烯相比具有明顯的邊緣效應和量子效應，因而具有特殊的光學性質(zhì)、導電性和化學惰性，其在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥、生物成像和光電器件等領(lǐng)域有著良好的應用前景［18］。GQDs 與傳統(tǒng)量子點相比，不僅具有優(yōu)良的光學性能（如熒光強度高、抗光漂白性好、發(fā)光顏色可調(diào)等）與小尺寸特性，而且生物相容性好，易于實現(xiàn)表面功能化。

1.4 金納米顆粒

金納米顆粒（Gold nanoparticles，AuNPs）有著十分顯著的表面等離子體共振效應（SPRE），已逐漸在新型生物傳感器的構(gòu)建中占據(jù)一席之地，目前被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、生化分析、藥物輸送、蛋白質(zhì)檢測等領(lǐng)域［19-20］。AuNPs 的聚集會導致溶液顏色從紅色變?yōu)樗{色，當聚集的 AuNPs 再分散時，溶液的顏色又會從藍色變?yōu)榧t色。AuNPs 的這種由于團聚狀態(tài)和分散狀態(tài)的改變而引起的顏色變化，可被用來構(gòu)建基于被測物直接或間接地誘導 AuNPs 聚集或再分散的比色分析平臺?；?AuNPs比色法的一般設(shè)計策略是通過在 AuNPs 表面組裝上可特異性識別待測物質(zhì)的組分，然后通過特異性識別過程使AuNPs 之間的距離減小或增大，造成 AuNPs 發(fā)生聚集與分散狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，同時伴隨著溶液顏色的變化，紫外-可見吸收光譜也會出現(xiàn)吸收峰的變化，從而實現(xiàn)對待測物質(zhì)的檢測［21］。

1.5 金納米團簇

金納米團簇（Nanoclusters，AuNCs）是指在有機分子層（如硫醇類化合物或者蛋白質(zhì)等）的保護下，由幾個到幾百個金原子組成的相對穩(wěn)定的聚集體，粒徑通常在 2nm 以下［22］。金納米團簇由于神奇的小尺寸效應，自身可發(fā)出不同顏色的熒光，通過對 AuNCs 粒徑大小的調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)其熒光發(fā)射光譜在可見光到近紅外光區(qū)范圍內(nèi)的變化，同時保護基團也可以對其熒光性質(zhì)產(chǎn)生影響，特定的保護基團可以影響特定的發(fā)射波長［23］（圖1）。

AuNCs 具有光物理性質(zhì)好、比表面積大、表面易于修飾以及熒光性質(zhì)可調(diào)等優(yōu)點，使其在功能材料學、光電子學、生物傳感與成像、分析檢測、生物醫(yī)學和其它領(lǐng)域有著十分廣泛的應用前景［24-25］。

2 光熱納米材料

光熱納米材料能吸收某種光尤其是近紅外光（因為它的波長范圍可透過人體皮膚和深層組織而不被吸收）的能量，通過等離子體共振或者能量躍遷帶，將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導致局部高溫。根據(jù)這一性質(zhì)，光熱納米材料被廣泛用來殺死腫瘤細胞。圖2總結(jié)了常用光熱納米材料的發(fā)展歷史。

2.1 無機納米材料

2.1.1 貴金屬納米粒子 用于腫瘤光熱治療的貴金屬納米粒子包括金、銀、鉑和鈀等。這些貴金屬納米材料均有著較強的局部LSPR效應，通過進一步調(diào)節(jié)尺寸、形狀，能將這些材料的等離子體共振峰延伸到近紅外區(qū)域，使其可以將吸收的近紅外光轉(zhuǎn)化為熱能。

圖1 不同金屬納米團簇的結(jié)鉤和發(fā)射波長示意圖［23］

圖2 光熱納米材料發(fā)展歷史

金納米材料具有局域表面等離子體共振（Localized surface plasmon resonance，LSPR）效應，能在激光照射下迅速升溫，再加上其易合成、易表征、易修飾等優(yōu)點，是腫瘤光熱治療的研究熱點之一。目前用于光熱治療的金納米粒子包括金納米棒、金納米殼、金納米籠和金納米星［26］。2006 年， Huang等［27］最早將金納米棒應用于細胞成像和治療，取得了很好的治療效果。金納米殼以二氧化硅為電解質(zhì)內(nèi)核，通過調(diào)節(jié)殼核比例，可使表面共振現(xiàn)象（也被稱為“生物窗口 ”）從可見光區(qū)調(diào)整到近紅外區(qū)，利用該性質(zhì)可將金納米殼用于惡性腫瘤的診斷與光熱治療［28］。2003 年，美國萊斯大學的 Halas 課題組［29］最早將金納米殼應用于腫瘤光熱治療中。2002 年Sun 等［30］首先制備了金納米籠結(jié)構(gòu)，并探索了這種大小形狀可控的結(jié)構(gòu)在藥物傳遞、納米封裝和腫瘤光熱治療方面的應用。Pallavicini 等［31］制備了一種關(guān)于金納米星的新型結(jié)構(gòu)，先將金納米星聚乙二醇化再結(jié)合上銅離子，這種新型結(jié)構(gòu)可用于正電子發(fā)射計算機斷層顯像（Positron emission computed tomography，PET）和近紅外激光的光熱治療。

除了金基納米粒子，銀、鉑和鈀等貴金屬納米粒子在腫瘤光熱治療中的應用也得到了較多關(guān)注。Boca 等［32］制備了一種殼聚糖包裹的三角狀銀納米粒子，通過體內(nèi)外實驗證明了它是一種有效的光熱治療劑，相比于聚乙二醇修飾的金納米棒，光熱效果更好。Manikandan 等［33］通過成核還原反應來還原鉑前體物，制備出一種無毒的鉑納米粒子，表現(xiàn)出對腫瘤細胞有效的光熱殺傷能力。鈀有更高的熔點和光熱穩(wěn)定性，在近紅外光區(qū)域具有可控的局部表面等離子體共振作用，因此鈀納米粒子具有很好的近紅外光吸收能力和較高的光熱轉(zhuǎn)換效率［34］。2011 年廈門大學鄭南峰課題組利用一氧化碳作為表面控制劑合成了“鈀藍 ”［35］，在近紅外光照射下對QGY-7703 人肝癌細胞具有很好的光熱治療效果。為了促進其進入細胞的能力，他們又發(fā)展了 Pd@SiO2、Pd@Ag 和 Pd@Ag@SiO2等鈀基納米材料用于光熱治療［36］都取得了良好的治療效果。

2.1.2 碳基納米材料 碳納米材料在可見-近紅外區(qū)具有較強的光吸收，能將光能快速轉(zhuǎn)化為熱能，具有顯著的光熱效應。碳納米材料經(jīng)靶向修飾后可定位到腫瘤組織，近紅外光照射后產(chǎn)生熱量殺死腫瘤細胞，近年來廣泛應用于腫瘤的光熱治療［37］。

2005年，斯坦福戴宏杰課題組［38］首次報道將碳納米管應用于腫瘤的光熱治療。之后，許多課題組開始研究不同的靶向分子修飾的碳納米管用于細胞和活體光熱治療。Chakravart 等［39］合成的CD22/CD25 抗體靶向單壁碳納米管能特異性靶向人惡性淋巴瘤細胞（Daudi 細胞），在激光照射下能有效殺傷腫瘤細胞。Hashida 等［40］合成的肽修飾碳納米管 SWCNT-（KFKA）7 在近紅外光照射下能快速升溫到 43℃，有效抑制皮下接種的結(jié)腸癌生長，表現(xiàn)出良好的細胞水平和動物水平上的光熱治療效果。

石墨烯納米粒子對紫外到近紅外區(qū)域的激光均有較強的吸收能力和光熱效應，因此在腫瘤光熱治療領(lǐng)域也得到了不少關(guān)注［34］。Novoselov 等［41］報道發(fā)現(xiàn)一種二維結(jié)構(gòu)的金屬石墨烯，其顯示出很強的場效應。Zhu 等［42］采用殼聚糖包被的氧化石墨烯進行細胞和動物水平上的光熱治療，并取得了良好的效果。為了提高治療效果，氧化石墨烯可以進一步被還原成還原石墨烯，其在近紅外區(qū)域的吸光度提高近 7-8 倍［43］。經(jīng)聚乙二醇修飾后，通過尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)，達到同樣的光熱治療效果，所用激光功率更低，所需材料劑量更小［44］。Su和Qiu 等［45］設(shè)計了一種卟啉官能化的氧化石墨烯用于光熱治療，其在808 nm光照下具有高吸收度。生物相容性卟啉作為收集光子能量并將其轉(zhuǎn)移到氧化石墨烯以增強光熱效應的介導物，卟啉固定氧化石墨烯的光熱轉(zhuǎn)換效率比純氧化石墨烯高1.6倍。

2.1.3 金屬硫族化合物 硫化銅（CuS）納米粒子是金屬硫族化合物納米粒子中的典型代表，其特點為成本低、光熱穩(wěn)定性好、細胞毒性低以及粒徑形貌可控等。Li 等［46］首次報道了 CuS 納米顆粒在近紅外區(qū)特別是 900 nm 波長處有強烈吸收，用 808 nm激光照射硫化銅納米粒子水溶液聚集的地方溫度升高，可用于光熱治療。除了上述的 CuS 納米粒子，近年來還有一種新的金屬硫族化合物作為光熱治療劑進入了研究者的視野。這種新型的納米光熱材料被統(tǒng)稱為二維過渡金屬硫化物［Two-dimensional（2D）transition-metal dichalcogenides，TMDCs］，包括二硫化鉬（MoS2）、二硒化鉬（MoSe2）、二硒化鎢（WSe2）和二硫化鎢（WS2）等［34］。Chou 等［47］首次證明，MoS2納米片可用作一種新型的近紅外吸收納米光熱治療劑；Wang 等［48］設(shè)計了一種二維 MoS2/Bi2Se3復合診療納米系統(tǒng)，可用于腫瘤的光熱治療、CT 及光聲成像；Cheng等［49］用莫里森法制備單層 WS2納米片，然后在 WS2納米片表面修飾聚乙二醇，大大提高了該材料的生物穩(wěn)定性和生物相容性。

2.1.4 磁性納米材料 常見的磁性納米材料有納米Fe3O4顆粒、磁性脂質(zhì)體、磁流體、鐵磁微晶玻璃、碳鐵復合物和超順磁性氧化鐵。將磁性納米材料注射到腫瘤組織，在外加激光作用下發(fā)熱。腫瘤組織中血液供給不足，使得腫瘤細胞中熱量擴散較慢，導致局部高溫，從而殺死腫瘤細胞［50］。有研究報道，聚硅氧烷包覆的結(jié)晶態(tài)氧化鐵納米粒子在功率為 2.5 W/cm2的激光下表現(xiàn)出極高的溫度提升（33℃）作用，比商用磁性納米粒子具有更好的光熱療效［51］。

2.1.5 其它無機納米材料 除了上述幾大類無機納米光熱材料外，還有其它幾種無機納米材料也可用于腫瘤的光熱治療，如量子點和上轉(zhuǎn)換納米粒子（Upconversion nanoparticles，UCNPs）等。Sun等［52］制備了一種超小黑磷量子點，該量子點可表現(xiàn)出高達 28.4% 的光熱轉(zhuǎn)換效率、良好的光熱穩(wěn)定性和較低的細胞毒性，提示這是一種極具潛力的納米光熱治療劑。此外，Liu 等［53］制備了一種基于銫的 UCNPs，可以實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光（Upconversion luminescence，UCL）/CT 雙模態(tài)成像引導的化學-光熱協(xié)同治療。

2.2 有機納米材料

2.2.1 近紅外染料 近紅外染料的優(yōu)點是近紅外區(qū)吸收高、生物相容性較好和能熒光成像等，缺點是存在濃度依賴性、穩(wěn)定性較差、在生物體內(nèi)易與生物大分子發(fā)生作用等［54］。

吲哚菁綠（ICG）是美國食品和藥物管理局（FDA）批準的可用于臨床近紅外成像的有機小分子，同時它也是一種理想的光熱試劑［55］。Zheng 等［56］設(shè)計了磷脂聚乙二醇（PL-PEG）修飾的 ICG，并在其表面偶聯(lián)上葉酸（FA）和整合素 RGD 雙重靶向分子，實現(xiàn)了對 U87 腫瘤細胞很好的光熱治療。最近，Qian 等［57］發(fā)現(xiàn)一種新的 pH 敏感染料吲哚克酮酸（Croconine）在和白蛋白（HSA）自組裝后，成為新型的 pH 響應的光熱試劑。Lovell 等［58］在 2011 年首次報道了卟啉脂質(zhì)體的光熱治療效果，他們把卟啉脂質(zhì)體通過尾靜脈注射到小鼠體內(nèi)后發(fā)現(xiàn)，這種納米顆粒的血液循環(huán)壽命長達 8.5 h，近紅外光照射后顯著抑制腫瘤生長；而且這種顆?？杀簧锝到?，生物安全性極高。普魯士藍是 FDA 批準作為臨床上治療鉈等放射性元素中毒的解毒劑，也是一種古老的藍色染料，有著良好的生物相容性。它在近紅外區(qū)有較強的吸收，其摩爾消光系數(shù)與納米金處于同一個數(shù)量級，比碳納米管、硫化銅等光熱劑要高 2-3個數(shù)量級。2012 年 Fu 等［59］首次報道了普魯士藍可作為新一代的光熱劑，并將其應用于細胞水平的癌癥治療。隨后Cheng和Liu 等［60］將普魯士藍納米管經(jīng)聚乙二醇修飾后注射入小鼠體內(nèi)，實現(xiàn)了光聲/核磁雙模式成像指導下的光熱治療。最新的研究中，Cai 等［61］成功制備了尺寸均一且穩(wěn)定分散的空心介孔普魯士藍納米粒子，并實現(xiàn)抗癌藥物阿霉素（DOX）的共裝載，首次成功實現(xiàn)了紫外/光聲雙模式下的光熱與化療的協(xié)同腫瘤治療。

2.2.2 共軛聚合物 有機共軛高分子在近紅外區(qū)域有較強光吸收，光熱穩(wěn)定性較好，光熱轉(zhuǎn)換效率較高，在光熱治療的應用中具有良好的穩(wěn)定性和生物相容性［54］。

2011 年，Yang 等［62］首次報道聚苯胺聚合物在808 nm 激光作用下可以殺死腫瘤細胞。聚苯胺在近紅外光照射下，產(chǎn)生的高溫可以失活合成 DNA 或者RNA 所需要的細胞成分，從而阻斷細胞的生長和增殖，最終導致細胞死亡［54］。聚吡咯在近紅外區(qū)域表現(xiàn)出較強的光學吸收，可用于腫瘤的光熱治療，這一作用是由 Yang 等［63］報道的。他們利用聚吡咯的近紅外吸收作用進行了體內(nèi)和體外的腫瘤光熱治療實驗，結(jié)果表明聚吡咯集中在瘤內(nèi)，經(jīng)超低劑量的近紅外光照射后，腫瘤顯著減小甚至消失，且沒有明顯的副作用。Cheng 等［64］報道了另一種共軛高分子納米材料聚噻吩（PEDOT：PSS），該納米材料經(jīng)尾靜脈注射后富集在腫瘤區(qū)域，激光照射后可完全消除腫瘤。Liu 等［65］合成的多巴胺包裹的黑色素有機納米粒子在近紅外區(qū)域有很好的光學吸收，其主要的優(yōu)點是體內(nèi)可降解、光熱轉(zhuǎn)換效率高，且已在活體水平取得良好的治療效果。Huang 等［66］報道了一種由小分子染料靛藍形成的新型光熱膠體納米粒子，該粒子具有良好的光熱穩(wěn)定性，可將近紅外光的能量轉(zhuǎn)化為熱能，且長期使用對細胞毒性較小。

3 光學生物傳感器

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，基于納米材料的信號放大系統(tǒng)實現(xiàn)了高靈敏度和高選擇性的原位或在線生物分子檢測。與傳統(tǒng)檢測手段相比，納米信號放大系統(tǒng)檢測過程速率快且簡單易行［67-68］。一般而言，利用納米材料構(gòu)建信號放大系統(tǒng)是通過在納米材料的表面修飾生物功能分子，識別靶標的過程中利用光學信號進行反應現(xiàn)象的放大，從而實現(xiàn)對靶標分子的檢測。

3.1 基于硅納米粒子的光學生物傳感器

二氧化硅納米粒子具有大的表面積、通用的官能團、生物相容性和多孔性質(zhì)等優(yōu)勢，使得硅納米粒子在基因和藥物運載、多通道生物成像、光動力、光療和化療等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。硅納米粒子還可以作為信號放大因子和載體用于構(gòu)建熒光偏振傳感體體系。Liu課題組［69］基于二氧化硅納米粒子放大的熒光偏振傳感分析檢測凝血酶，首先讓修飾有鏈霉親和素的二氧化硅納米粒子與修飾有生物素的一段凝血酶適配體鏈相互作用，此時加入另外一段標記熒光素的凝血酶識別適配體鏈，適配體鏈本身體積小，溶液只會產(chǎn)生微弱的偏振值，在此基礎(chǔ)上再加入凝血酶與其適配體序列特異性作用，形成一個夾心結(jié)構(gòu)，凝血酶和帶熒光素的適配體鏈都固定在納米粒子表面，偏振值增加，基于偏振值的變化，實現(xiàn)對凝血酶的靈敏檢測。

目前最新的研究表明石墨烯可以改變多孔硅表面態(tài)，極大提高多孔硅的光致發(fā)光性能。錢棟梁 等［70］通過電化學腐蝕法制備出不同孔徑的多孔硅，利用濕法轉(zhuǎn)移法將石墨烯轉(zhuǎn)移至多孔硅襯底上。結(jié)果表明石墨烯/多孔硅復合材料的光致發(fā)光性能遠遠好于多孔硅。這種提高多孔硅光致發(fā)光的方法簡便，為以后多孔硅應用于光學傳感器奠定了實驗基礎(chǔ)。

3.2 基于金納米粒子的光學生物傳感器

AuNPs的一個重要光學性質(zhì)是表面等離子體共振吸收特性。AuNPs 在分散態(tài)和聚集態(tài)具有不同的表面等離子體共振吸收而構(gòu)建的比色傳感體系［71-72］，采用紫外吸收光譜法或目視法對靶標分子進行定性和定量分析。Mirkin等［72］首次報道了基于寡聚核糖修飾的 AuNPs 比色法檢測核酸。AuNPs能猝滅大部分染料的熒光，近年來基于這一性質(zhì)構(gòu)建了大量的以 AuNPs 作為熒光受體的熒光傳感體系。Qiang［73］課題組利用 AuNPs 的熒光猝滅性質(zhì)，在 AuNPs 表面組裝適配體修飾的摻雜羅丹明的熒光硅納米粒子，當靶標RNA不存在時，羅丹明的熒光被 AuNPs 猝滅，當遇到信使 RNA（mRNA）的時候，適配體就會與相應的目標 mRNA 雜交，導致適配體的莖結(jié)構(gòu)被破壞，構(gòu)象發(fā)生變化，熒光硅納米粒子和金納米粒子間會發(fā)生熒光能量共振轉(zhuǎn)移，羅丹明的熒光就會恢復。通過對比目標mRNA加入前后熒光強度的變化，就能對多種 mRNA 進行定性、定量分析。

3.3 基于石墨烯的光學生物傳感器

石墨烯具有良好的熒光猝滅效應，可以與熒光染料之間發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移（ Fluorescenct resonance energy transfer，F(xiàn)RET），從而猝滅染料的熒光。Sun和He 等［74］利用石墨稀和熒光素之間的 FRET 構(gòu)建了檢測金色葡萄球菌胞外核酸酶的傳感體系。由于石墨烯對單鏈 DNA 的吸附使其熒光素FAM的熒光被猝滅，當加入核酸酶時，剪切單鏈DNA 至寡核苷酸碎片，由于石墨烯對寡核苷酸碎片的弱吸附，使得熒光素 FAM 標記的寡核苷酸碎片的熒光恢復，從而實現(xiàn)了核酸酶的檢測。

石墨烯具有高的熱力學穩(wěn)定性、易于合成和修飾，以及較大的體積等性質(zhì)［75］。Liu［75］課題組使用石墨烯作為納米信號放大因子和納米支架設(shè)計了一種簡單、靈敏的實時檢測三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）的熒光各向異性生物傳感器。當無 ATP 存在時，熒光素吸附在石墨烯上具有較高的偏振值，當存在 ATP 時，熒光素脫離 GO 表面而使偏振值降低，通過監(jiān)測體系的各向異性的變化，實現(xiàn)ATP 的靈敏檢測。

4 光及光熱納米材料的藥物靶向遞送

如何將藥物分子高效集中在病灶部位并發(fā)揮作用是疾病治療過程中的關(guān)鍵因素，尤其是一些疏水性或水溶性差的藥物分子?；诩{米材料的載藥系統(tǒng)的引入，實現(xiàn)了藥物分子只在病灶部位定點釋放的目的，降低了藥物分子對其它組織器官的副作用，大大提高了藥物分子運輸?shù)讲≡畈课坏男省?/p>

4.1 光響應型載體

許多材料對人體傷害不大的電磁輻射（主要有紫外光、可見光和近紅外光）具有敏感性，因此光響應性作為一種應用較為廣泛的外部刺激，具有潔凈、高效、無創(chuàng)等基本特征，在藥物控釋方面具有潛在的應用價值。2003 年，日本的 Mal和Tanaka 等［76］在自然雜志上報道了基于香豆素改性的介孔二氧化硅納米粒子的可逆光控藥物釋放系統(tǒng)。該系統(tǒng)第一次實現(xiàn)了光響應性對藥物的控制與釋放，為該領(lǐng)域的后續(xù)研究打下了良好的基礎(chǔ)。Yang 等［77］將熒光分子作為藥物模型載入介孔孔道，用一種對光敏感的硝基苯衍生物修飾金納米粒子表面，通過金納米粒子與介孔二氧化硅納米粒子之間的靜電相互作用，引入金納米粒子封堵介孔，研究了這種金-介孔二氧化硅復合納米粒子的光控效果。

4.2 光熱響應型載體

光熱藥物控釋系統(tǒng)是基于具有光吸收的納米粒子在光照之后通過光熱轉(zhuǎn)換使局部升溫，促使藥物從載體中釋放出來。光熱藥物控釋系統(tǒng)不僅能通過外加的光源控制藥物釋放，還可以通過光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能殺死癌細胞，同時具備藥物治療和光熱切除治療的功能。2010 年，美國德克薩斯大學的 Li 教授課題組［78］報道了可同時實現(xiàn)光熱癌癥切除和近紅外輻射藥物釋放的雙功能化的中空金納米球。浙江大學周民團隊［79］將抗癌藥物多柔比星裝載于介孔二氧化硅納米粒子中，再用 CuS 納米點封裝介孔二氧化硅的介孔。該載體遞送至體內(nèi)后，在近紅外光的照射下，CuS 產(chǎn)生光熱效應使二氧化硅解體，釋放多柔比星，實現(xiàn)藥物的遞送。

4.3 近紅外光-pH響應型載體

腫瘤部位呈酸性，其pH遠低于正常組織部位［80］，利用這種 pH 環(huán)境的差異可設(shè)計出眾多針對腫瘤組織進行藥物傳遞的 pH 敏感藥物載體。為了進一步提高藥物釋放效率，pH/NIR 響應型藥物載體也得到廣泛應用。2018年，Li 等［81］以磷酸鈣為殼，金納米棒為芯，合成了裝載有多柔比星的藥物載體。經(jīng)外部光源的照射，金納米棒產(chǎn)生光熱效應使載體溫度升高，同時腫瘤組織內(nèi)的酸性環(huán)境溶解磷酸鈣，二者的協(xié)同作用使得多柔比星大量釋放，其釋放效果遠遠優(yōu)于任何一種釋放方式單獨作用的效果。

5 光熱材料的生物成像

目前，利用影像學進行疾病診斷的方式主要有光學成像、核磁共振成像（MRI）、超聲成像（US）、正電子放射斷層造影術(shù)成像、單光子發(fā)射計算機化斷層顯像（SPECT）及計算機斷層掃描（CT）。每種成像方式都有各自的不足之處，納米材料在疾病診斷中的應用很大程度上彌補了傳統(tǒng)成像方式的不足。

Zhu 等［82］研究發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)良生物學性能的近紅外核交聯(lián)聚合膠束納米粒子（NIRF-CCPM），對其表面糖基化（氨基葡萄糖修飾，DG）修飾后可獲得同時用于核素/紅外顯像的111In-DG-NIRF-CCPM 納米粒子。將具有腫瘤靶向性的多肽 RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）與該納米粒子偶聯(lián)，通過放射性核素111In 標記構(gòu)成核素顯像探針，111InCCPM-RGD分子探針表現(xiàn)出良好的放射標記/光學性質(zhì)同時兼具光學和核醫(yī)學顯像功能，通過 SPECT/CT 及活體熒光成像系統(tǒng)觀察到該納米分子探針在 U87 移植模型鼠中具有明顯的腫瘤攝?。?3］。性能優(yōu)良的新型雙模態(tài)納米分子探針，能夠提高腫瘤的診斷效能，為建立光學/核醫(yī)學用于腫瘤靶向雙模式成像奠定理論基礎(chǔ)。Wang 等［84］研究發(fā)現(xiàn)微泡可作為超聲造影劑呈現(xiàn)明顯的超聲影像，靶向納米微泡在腫瘤區(qū)的峰值強度及持續(xù)時間明顯增加，腫瘤局部超聲信號增強，證實納米微泡光學成像成為腫瘤診療的新手段。

6 成像指導的腫瘤光熱治療

Funkhouser［85］在 2002 年首次提出“theranostic”一詞，即診療一體化，定義為藥物集疾病診斷與治療為一體的復合體系，即在一個注射劑量下診療體系可以將診斷試劑和治療藥物同時運輸?shù)讲≡畈课?，得出診斷結(jié)果的同時進行疾病治療［86］，用一個公式可以很好地解釋：Theranostic=Diagnostic（診斷）+Therapeutic（治療），如圖3所示。

此外，在腫瘤光熱治療的過程中，為了提高納米材料體內(nèi)示蹤的靈敏度和腫瘤治療效果，多模態(tài)成像指導的聯(lián)合治療成為新的發(fā)展趨勢。Li 等［81］利用腫瘤內(nèi)的酸性環(huán)境，設(shè)計了金納米棒與磷酸鈣的復合納米顆粒，對 pH/NIR 敏感且具有 CT/PA 雙模式成像能力。體外實驗表明該納米顆粒在 808 nm光照射下，光療協(xié)同化療對癌細胞殺傷可達 90%。深圳大學黃鵬教授和溫州大學楊云研究員等［87］最近報道了一種生物可降解的光響應納米搖鈴，研究者將金納米棒（Gold nanorods，GNR）與全氟戊烷（Perfluoropentane，PFP）同時負載到介孔二氧化硅中，得到納米顆粒 GNR@SiO2-PFP。在激光激發(fā)下，GNR 的光熱效應激發(fā) PFP 產(chǎn)生微泡，進行超聲/光聲雙模態(tài)成像的同時實現(xiàn)對癌癥的光熱治療；另外，介孔二氧化硅作為載體，不僅可以延長納米顆粒的血液循環(huán)時間，還因其可生物降解的特性從而降低納米顆粒的體內(nèi)毒性。

圖3 診療一體化示意圖

7 總結(jié)與展望

納米材料具有常規(guī)材料所不能比擬的光學性質(zhì)，將其用于構(gòu)建光學生物傳感新體系，不僅可大大改善傳感器的檢測性能，還為發(fā)展高靈敏生物傳感器提供了新的思路。盡管許多納米材料廣泛應用于光學傳感器的構(gòu)建，但由于材料本身的性質(zhì)，如易聚集、易受環(huán)境影響等，限制了這些光學傳感器的實際應用。未來，研究者們需要解決應用過程中的現(xiàn)實問題，并將構(gòu)建的傳感器從實驗室轉(zhuǎn)換至實際應用的場景和市場中。

具有光熱轉(zhuǎn)換能力的納米材料及新型的治療方式在納米生物醫(yī)學中發(fā)揮重要的作用。雖然納米材料為腫瘤的光熱治療提供了新的途徑并取得了長足的發(fā)展，但是還有一些問題和挑戰(zhàn)需要面對。無機納米材料在體內(nèi)較難降解的問題對其臨床應用是一個巨大的挑戰(zhàn)，因此需要發(fā)展生物可降解的安全的納米材料用于光熱治療，納米材料的大小和表面修飾也需要進一步優(yōu)化，保證其在人體循環(huán)的安全時間內(nèi)得到清除。此外，通過化學方法將不同功能的材料有機結(jié)合在一起以發(fā)展成像模式指導下的腫瘤光學治療以及將新型的光熱治療和傳統(tǒng)的治療方式（手術(shù)、化療、放療）相結(jié)合，實現(xiàn)1+1＞2的協(xié)同效應，以提高腫瘤治愈的可行性并防止轉(zhuǎn)移復發(fā)，將為未來腫瘤治療新方法的發(fā)展帶來巨大的機遇。