光学探针

记者从中国科学院云南天文台了解到，该台与美国亚利桑那大学研究人员合作，发现光学波段的信号可以作为探测热木星大气逃逸的探针。国际著名期刊《天体物理杂志快报》发表了这一成果。　　早在2003年，人们通过观测远紫外波段的信号，发现离主星很近的热木星大气中处在低能态的较冷氢原子以一种剧烈的形式向外逃逸。这种逃逸可对行星演化造成严重影响。　　“近几年，人们在光学波段成功探测到行星大气中较热氢原子对主星遮挡时产生的微弱吸收信号，如氢的光学波段透射光谱。”云南天文台郭建恒研究员说，然而研究者一直缺乏有力的模型，来论证这些较热的氢原子产生的吸收信号与大气逃逸之间的关系。　　郭建恒与博士研究生闫冬冬以及亚利桑那大学黄辰亮博士等人合作，基于自主开发的流体动力学逃逸大气模型和辐射转移模型，在细致地计算了冷热氢原子的分布后，模拟了热木星WASP-121b在不同观测时刻光学波段透射光谱的数据。研究表明，这颗行星周围存在数量巨大的逃逸中性氢气体，每年损失物质以10万亿吨计。这些被行星抛射的物质中，热氢原子的速度比声速更快，并造成了光学波段的吸收。这也说明，光学波段的信号可以用作探测大气逃逸探针。　　进一步研究发现，行星大气在不同时刻的吸收水平变化，反映了主星不同的活动特性，恒星更强的活动水平可导致行星大气更深的吸收。这一发现有助于更好地理解主星活动性对行星大气逃逸的影响。

性能优良的光学探针是构建高灵敏度、高时空分辨能力的光学传感与活体成像分析方法的物质基础，其发展一直受到人们的关注。中国科学院化学研究所活体分析化学实验室马会民课题组长期从事该方面的研究，并取得了一系列的成果 (Angew. Chem. Int. Ed., 2012, 51, 6432 Anal. Chem., 2014, 86, 6115 Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 10916 Chem. Sci., 2016, 7, 788 Chem. Sci., 2016, 7, 4694)。近年，该课题组还应邀系统总结并评述了光学探针的各种设计方法(Chem. Rev., 2014, 114, 590-659 Chem. Sci., 2016, 7, 6309-6315)。　　酪氨酸酶是黑色素癌的重要标志物，并与白化病、帕金森等疾病密切相关。因此，发展酪氨酸酶的光学传感与成像分析方法对相关疾病的诊断研究具有重要的意义。传统的检测酪氨酸酶荧光探针均包含4-羟基苯单元，在用于细胞等生物体系成像分析时受到活性氧物种的干扰，从而严重影响检测结果的准确性。最近，在国家自然科学基金委、科技部和中科院的大力支持下，该课题组提出了新的酪氨酸酶识别单元(3-羟基苄基)，并结合稳定的半菁母体，发展出了适用于细胞及活体斑马鱼成像的近红外光学探针(如图)，有效解决了现有荧光探针受活性氧物种的干扰问题。相关结果发表在《德国应用化学》(Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 14728-14732)上。

镧系发光纳米温度探针及光学测温技术胡倩1 朱幸俊11上海科技大学物质科学与技术学院生物体温度监测在医学诊断和治疗方面有着重要意义。传统的生物体测温方式依赖于侵入式探头或者局限于体表检测的热成像设备。对于体内深层组织的无损温度探测仍然是一项挑战。光学测温技术基于温度敏感的发光材料和器件，以光信号作为输出实现温度检测。在发光材料中，镧系发光纳米材料（LLNs）具有光稳定性好、发射谱带丰富、低自发荧光干扰等独特优点，在体内成像检测和疾病诊断方面具有广泛应用。目前已报道了一系列LLNs的发光信号的强度、寿命等光学性质与温度相关，因此可以作为温度检测探针。与此同时，LLNs本身的纳米级尺寸有别于传统温度检测的宏观设备，因此可以胜任亚细胞级别的微观热效应检测以及热传递过程研究，提升测温的空间精度，借助LLNs的近红外发光，能进一步提高光信号在组织中穿透深度，更好的实现深组织、非侵入性温度检测。（一）LLNs温度探针的测温策略温度可以改变LLNs的发光强度比、带宽、光谱偏移、寿命等方式影响LLNs的发光特性[1]-[3]。其中，发光强度比和发光寿命这两种策略受生理环境的干扰更小，从而具有更高的测温准确性[4]-[5]。基于发光强度比率构建温度探针电子在两个相邻激发能级（能级差一般小于1000 cm-1）中的分布与温度有关，满足Boltzmann分布，因此具有热依赖性的两个能级发光强度比与温度之间的关系可描述为, [6]-[7]，其中I2/I1为两个能级的发射强度比；ΔE是两个能级能量差，C是由发光基质材料确定的常数,T为温度,kB为玻耳兹曼常数。因此，通过在不同温度下检测两条发射峰的比值，可得到温度以发射强度比值的关系，作为温度检测的校正曲线。基于发光寿命构建温度探针在LLNs体系中，温度敏感的能量转移也会导致激发态寿命的变化，从而可以测量在脉冲激发下特定能级跃迁的寿命与温度的依赖关系，通过发光衰减曲线推断温度信息[8]-[9]。（二）LLNs测温技术与设备基于发光强度比率的测温技术较为直观，相关设备的设置与光谱检测系统类似，主要特点是恒温控制系统的附加。其装置如图1所示，由半导体激光器、样品台、控温器、滤光片、光谱检测器和计算机组成，其中激光器、样品台、滤光片、光谱检测器用于发光材料的光信号激发与收集，控温器件用于样品的恒温与变温进而得到不同温度的光谱。类似的基于发光强度比率的成像检测设备的光谱检测器被替换为CCD相机，通过滤光片系统采集不同波段的发射带，通过光强度成像图的计算得到温度分布结果。光强比率测温技术的设备较为简单，但这项测温方法易受生物环境引起的光散射或吸收的干扰[4]，需在组织或模拟组织的假体中对温度曲线进行校正来减小误差[10]；基于发光比率的温度检测其优点是检测速度较快，对于快速变化的温度具有更好的实时跟踪能力。发光寿命作为荧光团固有特性，受环境干扰较小，因此可以提高测量准确性[11]-[12]，而且LLNs的发光寿命相对小分子荧光探针更长，对于基于成像的寿命检测系统的构建相对短寿命检测难度较低。具体的设备构建如图2所示，将常规的荧光成像代替为时间门控荧光成像系统，配合波形发生器、斩波器等，对相机的分辨率要求高，并且由于寿命衰减曲线的测试需要借助时间门控单元，对光信号进行多次采集，因此获取完整衰减曲线的图像时间较长，不利于检测快速变化的温度信号[8]。两种发光温度检测技术各有优势，目前研究工作中所报道的比率型温度检测技术较为成熟，寿命检测的测温技术仍然处于优化阶段，主要难点是长波长近红外发射的寿命检测技术尚不成熟。图1. 基于发光强度比率温度计的实验设备图2. 基于发光寿命温度计的实验设备[8]（三）LLNs温度探针的生物应用LLNs体内无创温度监测的特性促使了一些新兴的生物医学领域应用，尤其在疾病诊断和指导治疗方面[4],[13]-[16]。我们最近总结了基于镧系发光纳米复合材料的温度检测技术及其生物学应用的研究工作，并梳理了不同测温技术在生物应用上的特点（Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104237），希望和大家一起探讨光学测温技术的应用空间以及相关设备的研制。基于LLNs的生物体温度检测，近年来我们开展了一系列的应用。例如我们曾经报道了一种以上转换发光材料为核心（NaLuF4:Yb,Er@NaLuF4)，以光热材料（碳）作为外壳的LLNs，其中上转换发光材料的Er3+发光中心特征的525与545 nm发射强度的比值与温度呈现相关性，因此可作为光学温度探针。通过检测光热过程中的微观温度变化，进一步发现光热效应下纳米颗粒的升温幅度和速率大于常规的外部加热方式。利用这一特性，可以实现温和宏观温度下的微观高温，进而在保证光热治疗剂标记的恶性细胞被有效杀伤的同时，减少不必要的热扩散而损伤病灶周边的正常组织，提升治疗的精度（如图3a）[17]。寿命检测技术上，复旦大学李富友课题组利用PAA-PEG包裹的NaNdF4:Yb@CaF2纳米颗粒，此种材料的Yb3+离子能够发射980 nm光信号，由于Nd3+与Yb3+在不同温度下的能量传递效率不同，Yb3+的980 nm发光寿命随着温度发生线性变化。在活体动物光学成像仪上进行了时间门控系统的附加，利用脉冲激光器对材料进行照射，然后采集材料的发光衰减，最终获得温度-寿命曲线，进一步在活体动物的血管部位进行光信号的采集，考察血管内血液温度与血流相关性，为心血管疾病的诊断和疗效评估提供了重要途径（如图3b）[8]。图3. (a)基于强度比率的Er3+掺杂上转换光热LLNs用于光热治疗过程微观温度监测[17]。(b) 基于寿命的Yb3+-Nd3+共掺杂的LLNs温度计用于心血管疾病[8]。（四）LLNs温度探针的展望合成可调控的LLNs温度探针的发展加速了其作为体内潜在温度传感工具的应用，但为了使其具有更准确的读数结果，还需进一步优化。其中，减少外部干扰和校准通过组织的发光衰减是亟待解决的重要问题。同时进一步探索波长更长的光谱区域，可实现更深层次的组织传感，促进LLNs在体内疾病诊断和治疗方面的生物应用。参考文献1. C. D. S. Brites, S. Balabhadra, L. D. Carlos, Adv. Opt. Mater., 2019, 7, 1801239. 2. A. Bednarkiewicz, J. Drabik, K. Trejgis, D. Jaque, E. Ximendes, L. Marciniak, Appl. Phys. Rev., 2021, 8, 011317.3. H. Suo, X. Zhao, Z. Zhang, Y. Wang, J. Sun, M. Jin, C. Guo, Laser Photon. Rev. 2021, 15, 2000319.4. N. Kong, Q. Hu, Y. Wu and X. Zhu, Chem. Eur. J., 2022, 28, e202104237.5. M. Jia, Z. Sun, M. Zhang, H. Xu, Z. Fu, Nanoscale., 2020, 12, 20776-20785.6. J. Zhou, B. Del Rosal, D. Jaque, S. Uchiyama, D. Jin, Nat. Methods., 2020, 17, 967-980.7. A. Bednarkiewicz, L. Marciniak, L. D. Carlos, D. Jaque, Nanoscale., 2020, 12, 14405-14421.8. M. Kong, Y. Gu, Y. Chai, J. Ke, Y. Liu, X. Xu, Z. Li, W. Feng, F. Li, Sci. China Chem. 2021, 64, 974-984.9. L. Marciniak, K. Trejgis, J. Mater. Chem. C., 2018, 6, 7092-7100. 10. L. Labrador-Páez, M. Pedroni, A. Speghini, J. Garcí a-Solé , P. Haro-Gonzá lez, D. Jaque, Nanoscale., 2018, 10, 22319-22328.11. M. Tan, F. Li, N. Cao, H. Li, X. Wang, C. Zhang, D. Jaque, G. Chen, Small., 2020, 16, 2004118. 12. K. Maciejewska, A. Bednarkiewicz, L. Marciniak, Nanoscale Adv., 2021, 3, 4918-4925.13. M. Quintanilla, M. Henriksen-Lacey, C. Renero-Lecuna and L. M.Liz-Marzán, Chem. Soc. Rev., 2022.14. Z. Yi, Z. Luo,X. Qin, Q. Chen, X. Liu, Acc. Chem. Res., 2020, 53, 2692-2704.15. B. del Rosal, E. Ximendes, U. Rocha, D. Jaque, Adv. Opt. Mater., 2017, 5, 1600508.16. M. Tan, F. Li, N. Cao, H. Li, X. Wang, C. Zhang, D. Jaque, G. Chen, Small., 2020, 16, 2004118.17. X. Zhu, W. Feng, J. Chang, Y. W. Tan, J. Li, M. Chen, Y. Sun, F. Li, Nat. Commun. 2016, 7, 10437.【作者简介】胡倩 博士研究生2020年毕业于湖南师范大学，获化学专业学士学位。目前是上海科技大学物质科学与技术学院博士研究生，师从朱幸俊教授，主要从事近红外发射镧系纳米复合材料的温度传感和生物成像应用的研究。朱幸俊 研究员上海科技大学物质科学与技术学院研究员、博士生导师。2017年博士毕业于复旦大学生物研究院（导师李富友教授），2017-2019年在美国斯坦福大学材料科学与工程系作为博士后学者从事生物医学成像以及神经调控材料与器件的研发工作。目前已在Nature Communications, Chemical Society Reviews, Nano Letters, ACS Nano, PNAS, Biomaterials等国际著名期刊上发表研究论文30余篇，他引3500余次（H因子26），并持有多项专利。多项研究成果入选科睿唯安ESI化学和材料领域前1%高被引论文(Highly Cited Paper)。研究项目获国家自然科学基金、上海市浦江人才计划资助。课题组致力于发展适用于生物医学的新型纳米材料和技术，通过构建纳米复合材料，利用其光、热、磁、声等性质，实现高选择性、低侵入性的生物成像、疾病治疗和生理功能调控。欢迎感兴趣的同学报考上海科技大学研究生，课题组长期招聘化学、材料学以及生物学相关专业博士后。具体可邮件沟通咨询，zhuxj1@shanghaitech.edu.cn（本文编辑：刘立东）专家约稿招募中若您有生命科学相关研究、技术、应用、经验等愿意以约稿形式共享，欢迎自荐或引荐投稿联系人：刘编辑邮箱：liuld@instrument.com.cn微信/电话：13683372576扫码关注【3i生仪社】，解锁生命科学行业资讯！