镧系稀土掺杂纳米探针材料，助力生物标志物分析

  近年来，纳米材料和纳米技术取得了巨大的进展，大大有利于无机纳米颗粒（NPs）作为发光探针在各种生物医学应用中的发展。特别是这些发光纳米探针被广泛应用于疾病标记物等生物标记物的敏感分析。然而发光生物测定技术主要依赖于传统的分子探针，如镧系元素（Ln³⁺）螯合物或有机染料，其光化学稳定性差、光漂白率低、潜在的长期毒性或背景噪声高。

图1 三种镧系元素掺杂的纳米探针的制备流程

相比之下，掺杂Ln³⁺的NPs具有独特的物理化学性质，包括更好的光稳定性、较低的毒性和优越的光学性能，如长光致发光（PL）寿命、较窄的发射波段和从紫外到第二近红外（NIR-II）的可调光谱范围，这使它们成为非常理想的发光纳米探针。因此，近年来，Ln³⁺掺杂发光纳米探针这一领域掀起了巨大的研究热情。因此，通过采用Ln³⁺掺杂的NPs，具备长PL寿命的降频发光（DSL）、长波长发射的NIR-II发光或上转换发光（UCL），实现了高信噪比的无背景发光生物测定。然而，掺杂Ln³⁺的纳米探针由于低亮度和量子产量，在生物医学应用上受到极大限制。在过去的十年中，科研人员探索了高效合成的Ln³⁺掺杂纳米探针的方法，用于疾病标记物的超灵敏发光生物测定。

图2 一些稀土掺杂的纳米材料能量转移示意图

基于上述研究内容，中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员团队围绕高效稀土掺杂纳米探针的设计方法及检测手段展开了研究讨论，总结了他们最近对开发无机Ln³⁺掺杂NPs作为发光生物测定的敏感纳米探针的努力。该文章首先介绍了具有理想光学性能的稀土掺杂纳米颗粒的控制合成方法以及提高发光效率的调控手段，发展了通用的表面生物偶联方法以得到生物相容性高的纳米探针。

图3 利用Ln³⁺掺杂纳米探针的无背景生物测定策略综述

文章首先简要介绍了一些无机镧系元素(Ln³⁺)掺杂纳米探针的构建方案（图1），系统地讨论了控制合成和光学操作的策略（图2）以及利用Ln³⁺掺杂纳米探针进行无背景生物测定的策略（图3）。

图4 NaEuF₄纳米探针的合成及生物测试

在随后的稀土纳米探针检测技术的设计方案中，重点提出了基于稀土离子独特的下转移/上转换发光特性的三种无背景检测技术：时间分辨荧光检测（图4）、近红外二区荧光检测（图5）和上转换荧光检测（图6）。

图5 基于NaCeF₄:Er/Yb纳米探针的生物测定示意图

图6 NaGdF₄:Yb/ Er@NaGdF₄:Yb纳米探针进行细胞检测示意图

最后，文章总结讨论了稀土掺杂纳米探针Ln³⁺掺杂纳米探针的开发进展情况，提出了其对分析病变中的生物分子、跟踪药物性能和监测术后复发具有重要意义。并且，结合Ln³⁺掺杂纳米探针发光分析检测的实验条件，阐明了该发展方向在临床及市场化应用中所面临的一些机遇和挑战。