姚翠萍，董艷花，王 晶，張 虹，王萌萌，張鎮(zhèn)西*

(西安交通大學(xué) a.生物醫(yī)學(xué)信息工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;b.電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

激光與生物組織相互作用，可產(chǎn)生熱效應(yīng)、光化學(xué)效應(yīng)、壓強(qiáng)效應(yīng)、電磁場(chǎng)效應(yīng)和生物刺激效應(yīng)等，在臨床應(yīng)用中熱效應(yīng)最為普遍。伴隨著納米技術(shù)的發(fā)展，金屬納米粒子因其良好的光學(xué)特性、表面共振特性、波長(zhǎng)可調(diào)性等被應(yīng)用到這一領(lǐng)域，在成像技術(shù)、疾病尤其是腫瘤的診斷和治療等方面發(fā)揮了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。激光、金屬納米粒子、組織之間的相互作用也成為科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。納米金具有突出的表面等離子體共振光吸收特性，易控的表面修飾能力，良好的生物相容性，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)及臨床研究已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史［1］，因此納米金的光熱效應(yīng)研究是這一領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

激光與納米金的相互作用在納米金內(nèi)部和納米金與周圍的介質(zhì)之間會(huì)誘導(dǎo)出不同的效應(yīng)，衍生出嶄新的生物醫(yī)學(xué)成像方法和治療應(yīng)用。在不同條件下，激光照射納米金后，納米金與周圍介質(zhì)會(huì)經(jīng)歷不同的熱物理效應(yīng)(圖1)，從而導(dǎo)致在宏觀、微觀和納觀三個(gè)層次上產(chǎn)生很多生物學(xué)反應(yīng)和應(yīng)用，如圖2所示。宏觀應(yīng)用通常指組織的光熱治療;微觀應(yīng)用主要指對(duì)單個(gè)細(xì)胞的消融等;納觀應(yīng)用則包括對(duì)細(xì)胞膜納米級(jí)穿孔，DNA快速消融，納米金可控釋放藥物，選擇性蛋白質(zhì)失活以及DNA分子手術(shù)等［2］。

對(duì)于非常精確的分子操作，或者在生物系統(tǒng)內(nèi)研究大分子行為，納米金的激光納觀熱效應(yīng)是一種非常獨(dú)特而有效的工具。與其他傳統(tǒng)的微觀或者納觀方法(比如原子力顯微鏡)相比，這種效應(yīng)效率非常高且并行化，比如原子力顯微鏡每天通常只能處理10個(gè)分子，而且還需要特殊的專業(yè)人才和成熟的儀器［3］。此外，通過(guò)靶向納米金可以選擇性地標(biāo)記到與其尺寸相當(dāng)?shù)拇蠓肿由?，比如脂類，蛋白質(zhì)和DNA等，從而實(shí)現(xiàn)非常精確的分子手術(shù)。

本文綜述了納米金激光納觀效應(yīng)的研究進(jìn)展，包括各種物理學(xué)機(jī)理及其模型的建立，比較了納米金激光納觀熱效應(yīng)的測(cè)量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)。最后，從生物學(xué)應(yīng)用角度出發(fā)，指出進(jìn)一步發(fā)展的可能趨勢(shì)。

圖1 激光照射納米金光熱效應(yīng)原理示意圖。圖中上半部分顯示當(dāng)照射納米金顆粒的激光能量從左至右不斷上升時(shí)，納米金表面溫度不斷升高并發(fā)生不同的熱效應(yīng)。下半部分相變示意圖用實(shí)線標(biāo)注了水和納米金顆粒的熱力學(xué)平衡態(tài)，用虛線標(biāo)注了水的旋節(jié)線。插入的楔形圖表示在此區(qū)域內(nèi)納米金顆粒周圍的氣壓可能會(huì)因?yàn)榧す獾恼丈涠黾覨ig.1 Schematic for thermophysical responses of laser GNP heating including the phase diagrams.The top part shows that as the laser power increases from left to right，the particle surface temperature increases and leads to different thermophysical responses.The bottom phase diagram schematic shows the equilibrium thermodynamic states with the solid lines and the spinodal curve of water(nonequilibrium)in the dashed line.The wedge indicates that the pressure may increase near the particle when laser energy is applied

圖2 激光納米金光熱效應(yīng)不同層次應(yīng)用示意圖Fig.2 Scaling of characteristic size and times for laser GNP heated systems

1 納米金激光納觀熱效應(yīng)物理學(xué)機(jī)理研究及其模型

1.1 納米金激光納觀熱效應(yīng)機(jī)理

由于納米金熱效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，它的熱效應(yīng)機(jī)理也一直是人們研究的熱點(diǎn)。對(duì)于納米金的納觀熱效應(yīng)，人們已經(jīng)從原子水平對(duì)光與其相互作用進(jìn)行了分析［4-6］。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是入射激光的光子激發(fā)納米金中的電子到更高電子能級(jí)。電子在大約500飛秒后重新分布，能量達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，叫做費(fèi)米電子分布。新的電子溫度比晶格聲子溫度高，這樣在幾個(gè)皮秒之內(nèi)，熱電子把能量傳給晶格聲子。然后熱電子的能量通過(guò)聲子-聲子散射被耗散在周圍介質(zhì)中。圖3給出了不同時(shí)間范圍內(nèi)所發(fā)生現(xiàn)象的示意圖。但是必須注意，這些過(guò)程并不是按次序相繼發(fā)生的。比如，電子-聲子弛豫發(fā)生在熱電子到達(dá)費(fèi)米平衡分布之前。對(duì)小粒子而言，能量快速損耗到周圍介質(zhì)中發(fā)生在納米金內(nèi)部電子-聲子熱平衡之前。

要完整地描述上述的物理過(guò)程需要三個(gè)部分:納米金的熱分析，固體-液體界面上的熱分析以及周圍介質(zhì)的熱分析。對(duì)于納米金的熱效應(yīng)研究，目前存在三種模型，分別是:單溫度模型(One-temperature model，OTM)，雙溫度模型(Two-temperature model，TTM)和分子動(dòng)力學(xué)模型(Molecular dynamics，MD)。

1.2 單溫度模型

圖3 脈沖激光照射納米金后在不同時(shí)間范圍內(nèi)發(fā)生不同效應(yīng)示意圖Fig.3 Schematic of transient events in pulsed laser activated GNP systemswith schematic oftime scales involved

單溫度模型假設(shè)納米金內(nèi)部只存在一個(gè)溫度［7］。當(dāng)半徑為r0的金屬納米粒子與強(qiáng)度為I0，脈寬為τL的激光相互作用時(shí)，由于軔致輻射逆效應(yīng)激光能量被自由電子吸收，然后把能量傳遞給晶格內(nèi)的電子氣。在單溫度模型中，假設(shè)電子熱能傳遞給聲子子系統(tǒng)的過(guò)程特別快，即電子和晶格溫度在任意時(shí)刻都相等，Te=Ts。在這個(gè)近似中，我們可以只求晶格溫度分布Ts(t，r)，這可以從納米粒子和周圍介質(zhì)之間的熱質(zhì)傳輸方程的數(shù)值解中獲得:

是拉普拉斯算子;μs(Ts)，C(Ts)，L，ρs和 r0分別為納米粒子的熱導(dǎo)率，比熱，蒸發(fā)熱，密度和半徑;Q(t，r)為熱源;jD(Ts)為從納米粒子表面耗散到周圍介質(zhì)中的熱損耗;S0=4 r02為納米粒子的表面積。由于納米粒子對(duì)輻射能量的吸收而產(chǎn)生的內(nèi)部能量功率密度Q(t，r)通常在整個(gè)納米粒子體積內(nèi)是不均勻的，這種不均一性與納米粒子的尺寸和光學(xué)常數(shù)(Optical constants)有關(guān)。但是由于納米粒子的光學(xué)常數(shù) 2πr0/λ＜1，我們可以假設(shè) Q(t，r)在整個(gè)納米粒子內(nèi)部是均勻的［8-10］，可以用下列方式表示:

其中Kabs(r0，λ)為納米粒子的吸收效率，f(t)為激光脈沖隨時(shí)間變化的剖面形狀。

由于納米粒子表面和周圍介質(zhì)的熱交換非?？欤虼藢?duì)于相對(duì)長(zhǎng)的激光脈沖來(lái)說(shuō)，熱損失變得比較重要。假設(shè)納米粒子表面的熱損傷僅僅是由于向周圍介質(zhì)的熱擴(kuò)散造成的，從納米粒子表面損失的能流密度jD(Ts)可以表示為溫度的非線性函數(shù)［10］:

其中μ∞為常溫T∞下周圍介質(zhì)的熱導(dǎo)率，冪指數(shù)s為與周圍介質(zhì)熱性質(zhì)有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。

在對(duì)稱球形情況下，對(duì)整個(gè)粒子體積積分后并對(duì)其進(jìn)行平均作為粒子的平均溫度，方程式(1)中的納米粒子激光熱力學(xué)動(dòng)態(tài)方程可以轉(zhuǎn)化為如下形式(9):

這里，方程式右邊第一項(xiàng)代表的是由于納米粒子吸收激光能量而累積在球形體積內(nèi)的熱能。第二項(xiàng)代表的是由于熱擴(kuò)散作用，熱量從粒子表面擴(kuò)散到周圍介質(zhì)中的熱損傷。最后一項(xiàng)代表的是由于粒子汽化產(chǎn)生的熱損傷。汽化作用與激光脈沖的特性和粒子的性質(zhì)有關(guān)，可以分為5個(gè)階段:自由分子、對(duì)流產(chǎn)生、擴(kuò)散、汽化和蒸汽的爆炸［11］。例如，在自由分子流的近似中，公式(5)中的汽化項(xiàng)可以寫為:

其中η為調(diào)節(jié)系數(shù)(Accommodation coefficient)。Vs(Ts)、ρs(Ts)分別為在Ts溫度下蒸汽的平均速度和密度。如果納米粒子被加熱的溫度低于粒子材料的相變溫度，那么式(5)中的第三項(xiàng)可以忽略。單溫度模型對(duì)于皮秒和納秒級(jí)的激光脈沖，能夠給出很好的熱動(dòng)力學(xué)描述［7］，而且畢奧系數(shù)非常小，因此在大多數(shù)情況下認(rèn)為納米金內(nèi)部的溫度均一是很合理的假設(shè)。

1.3 雙溫度模型

雙溫度模型描述了納米金內(nèi)部?jī)蓚€(gè)耦合子系統(tǒng)的瞬態(tài)熱行為，即前面所說(shuō)的電子和晶格聲子，它比單溫度模型要復(fù)雜一些［12］。在雙溫度模型中，時(shí)間和樣品深度上的溫度弛豫可以用兩個(gè)耦合的擴(kuò)散方程來(lái)模擬:一個(gè)用來(lái)描述電子的熱傳導(dǎo)，另一個(gè)用來(lái)描述晶格的熱傳導(dǎo)。這兩個(gè)方程通過(guò)一個(gè)中間項(xiàng)聯(lián)系起來(lái)，這一項(xiàng)正比于電子-聲子耦合系數(shù)和電子與晶格之間的溫度差值。Anisimov等人最早推導(dǎo)出這個(gè)表達(dá)式［13］，Letfullin等人對(duì)這一方程進(jìn)行了改進(jìn)，不僅增加了納米金表面與周圍介質(zhì)之間的熱交換過(guò)程。而且還考慮了激光照射期間，電子的熱物理參數(shù)、粒子以及周圍介質(zhì)對(duì)溫度的依賴關(guān)系。因此，改進(jìn)的雙溫度模型方程有如下的形式:

其中，Q(z)=-ke(?Te/?z)為熱通量;z為垂直于目標(biāo)表面的方向;ke為電子的導(dǎo)熱系數(shù);S=I0f(t)αexp(-αz)為激光熱源項(xiàng)，f(t)表示激光的形狀;α為材料吸收系數(shù);Ce(Te)和Ci(Ts)為與溫度有關(guān)的電子和晶格子系統(tǒng)的熱容(每單位體積)。Letfullin的文章中給出了具體數(shù)值和表達(dá)式［7］。

對(duì)于飛秒激光，雙溫度模型給出了短時(shí)間動(dòng)力學(xué)的細(xì)節(jié)描述，但是已經(jīng)證明對(duì)于更長(zhǎng)的激光脈沖(皮秒和納秒)，雙溫度模型不再適用［2］。

1.4 分子動(dòng)力學(xué)模型

分子動(dòng)力學(xué)模型模擬是用于研究納觀現(xiàn)象一個(gè)很有用的工具［14］。在這個(gè)方法中，人們可以直接在分子水平進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解，就可以得到整個(gè)納觀系統(tǒng)的詳細(xì)信息。它是在給定勢(shì)能下，通過(guò)模擬原子運(yùn)動(dòng)來(lái)研究材料行為的一種計(jì)算方法。這種方法以牛頓第二定律運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行積分可以得到系統(tǒng)中描述每個(gè)粒子在不同時(shí)間點(diǎn)的位置、速度和加速度的軌跡信息，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析就可以獲得系統(tǒng)宏觀性質(zhì)的平均值。在這個(gè)方法中，一旦每個(gè)原子的位置確定，整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)就可以確定。這個(gè)方法中最基本的問(wèn)題是通過(guò)對(duì)每個(gè)原子與其相鄰原子相互作用動(dòng)力學(xué)方程求解［15］，

其中mi和ri分別為原子i的質(zhì)量和位置，F(xiàn)ij為原子i和j之間的作用力，它由勒納德-瓊斯(Lennard-Jones)勢(shì)能給出:

勒納德-瓊斯勢(shì)能由下列方程給出:

其中ε為勢(shì)阱深度參數(shù)，即兩個(gè)原子之間的最小勢(shì)能;σ為平衡分離參數(shù)，即當(dāng)兩個(gè)原子相互作用間勢(shì)能為零時(shí)它們之間的距離，rij=ri-rj。

模擬中，我們可以選定納米金的體積，進(jìn)而確定納米金的原子數(shù)目，并假設(shè)納米金周圍物質(zhì)的原子數(shù)目［16］。通過(guò)設(shè)定初始條件，即每個(gè)原子的初始位置、速度和加速度分布等。然后根據(jù)時(shí)刻t的狀態(tài)迭代計(jì)算出t+△t時(shí)刻的狀態(tài)。物質(zhì)對(duì)激光能量吸收的模擬是通過(guò)給系統(tǒng)中每個(gè)原子的速度乘以合適的系數(shù)來(lái)完成［17］。當(dāng)最終獲得整個(gè)系統(tǒng)中所有原子的最新?tīng)顟B(tài)，包括位置、速度和加速度，我們就可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理獲得所需要的宏觀參數(shù)，比如溫度可以由下列方程得到［14］:

其中kB為玻爾茲曼常數(shù)，N為系統(tǒng)中原子的數(shù)目，C為限制約束。

這種方法受到計(jì)算速度的限制，并適用于比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。如果系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜(原子數(shù)目過(guò)多)，則需要進(jìn)一步發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)［2］。

2 納米金激光納觀熱效應(yīng)測(cè)量方法

針對(duì)納觀熱效應(yīng)的測(cè)量方法研究也是該領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。納米金納觀效應(yīng)測(cè)量可分為兩種情況:瞬態(tài)測(cè)量和穩(wěn)態(tài)測(cè)量。

2.1 瞬態(tài)測(cè)量

瞬態(tài)效應(yīng)測(cè)量比較困難，通常需要特殊的儀器或技術(shù)。目前用來(lái)測(cè)量瞬態(tài)效應(yīng)的儀器有兩種:時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜儀(技術(shù))和時(shí)間分辨X射線光譜儀。Link等人采用時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜技術(shù)對(duì)不同尺寸和不同形狀納米金與光相互作用中的聲子-電子-聲子相互作用進(jìn)行了測(cè)量［5］。Hu等人采用這種技術(shù)測(cè)量了聲子-聲子的散射效應(yīng)，即納米金向周圍介質(zhì)的熱傳導(dǎo)［18］。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米金在溶液的熱傳輸中，熱弛豫時(shí)間正比于粒子半徑的平方，與理論相符。

利用時(shí)間分辨X射線光譜技術(shù)，測(cè)量晶格(聲子)的熱擴(kuò)散，因此可以用作納米金的熱測(cè)量?jī)x。此外利用這項(xiàng)技術(shù)可以檢測(cè)納米金周圍氣泡的產(chǎn)生和生長(zhǎng)，Plech等人研究了納米金在飛秒和納秒激光照射下納米金的熱效應(yīng)，根據(jù)測(cè)量得到了納米金的溫度變化并檢測(cè)了納米金周圍氣泡的產(chǎn)生過(guò)程［19-20］。

2.2 穩(wěn)態(tài)測(cè)量

相對(duì)于瞬態(tài)測(cè)量，穩(wěn)態(tài)測(cè)量要簡(jiǎn)單一些，主要通過(guò)相變研究(利用冰和脂質(zhì)體)或利用各種光譜學(xué)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。表面等離子體共振本身也可以用來(lái)研究納米金的熱效應(yīng)。以下課題組在穩(wěn)態(tài)測(cè)量方面開(kāi)展了卓有成效的工作。

Richardson等人將納米金固定在冰塊中，利用拉曼光譜和光致發(fā)光光譜獲得納米金產(chǎn)熱的信號(hào)，確定冰塊溶解溫度并和理論值相比較。把理論值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合，最終可以獲得納米金產(chǎn)熱的具體數(shù)值［5］。與此相似，Oddershede等人利用光陷技術(shù)將納米金固定在二維和三維雙層脂質(zhì)體膜上，利用膜的相變來(lái)研究納米金的激光熱效應(yīng)［21-22］。他們分析了納米金尺寸和激光功率對(duì)溫度的影響，發(fā)現(xiàn)對(duì)于大粒徑(＞80 nm)的納米金，實(shí)驗(yàn)所獲得的使雙層脂質(zhì)體膜發(fā)生相變的溫度與理論預(yù)測(cè)相符。Rycenga等人把DDT修飾在納米金的表面，由于DDT的結(jié)構(gòu)變化與溫度有關(guān)，利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)測(cè)量DDT的結(jié)構(gòu)信息可間接獲得納米金的溫度信息［23］。此外，由于溫度增加可導(dǎo)致一些熒光染料分子旋轉(zhuǎn)速度增大，這種增量可以利用偏振各向異性變化來(lái)測(cè)量。Baffou等人就利用這種性質(zhì)對(duì)納米棒周圍的溫度進(jìn)行了測(cè)量，其精度達(dá)到0.1℃［24］。與此類似，由于鉺摻雜的氮化鋁鎵的光致發(fā)光信號(hào)、量子點(diǎn)的輻射與其溫度有關(guān)，這些原理分別被用來(lái)進(jìn)行納米金的溫度測(cè)量［25-26］。上述幾種方法都是利用某些物質(zhì)(熒光染料或者量子點(diǎn)等)的某些特性與溫度有關(guān)來(lái)進(jìn)行溫度的間接測(cè)量。

上述瞬態(tài)測(cè)量中兩種方法都需要昂貴的儀器，時(shí)間分辨瞬態(tài)吸收光譜儀(技術(shù))主要用于研究納秒級(jí)以下納米金的瞬態(tài)效應(yīng)。但是通常情況下，生物學(xué)應(yīng)用的都是納秒級(jí)以上激光的熱效應(yīng)［2］。對(duì)于穩(wěn)態(tài)測(cè)量，除了Baffou采用的方法同時(shí)具有可靠性、快速測(cè)量以及高分辨率的優(yōu)勢(shì)外，其他方法各自都有自己的局限，僅占據(jù)某一方面的優(yōu)勢(shì)［24］。在所有穩(wěn)態(tài)測(cè)量方法中，最高空間分辨率為300 nm，有些方法甚至不能提供具體的空間分辨率。因此，科學(xué)家們?nèi)匀辉谥铝τ陂_(kāi)展測(cè)量新方法的相關(guān)研究。

3 納米金激光納觀熱效應(yīng)生物學(xué)應(yīng)用

與上述機(jī)理研究和測(cè)量方法研究相比，納米金激光納觀熱效應(yīng)的生物學(xué)應(yīng)用可謂層出不窮。伴隨著激光技術(shù)和納米技術(shù)的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用對(duì)象發(fā)生作用的精準(zhǔn)度，都有了顯著提高。下面主要介紹其中的三個(gè)方面研究?jī)?nèi)容。

3.1 納米級(jí)細(xì)胞膜相變

通過(guò)連續(xù)激光加熱納米金粒子能夠?qū)е缕渲車橘|(zhì)(比如脂質(zhì)體膜等)的相變。這種方法可以用作熱傳感器(已知脂質(zhì)體融化的溫度)［21-22］。Urban等人證明加熱的納米金粒子能夠在生物膜內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)循環(huán)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)凝膠相磷脂可以轉(zhuǎn)化為流體相［16］。研究人員觀察到納米金粒子在流體區(qū)域的中心運(yùn)動(dòng)比較快，當(dāng)納米金離開(kāi)這個(gè)區(qū)域時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度變慢。而當(dāng)納米金位于凝膠相時(shí)，運(yùn)動(dòng)停止。通過(guò)測(cè)量納米金的擴(kuò)散系數(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激光功率增加時(shí)，其擴(kuò)散系數(shù)也增大。這表明生物膜的粘性隨著溫度的增加而減小。而當(dāng)納米金運(yùn)動(dòng)到激光焦點(diǎn)時(shí)，納米金會(huì)隨著激光束的移動(dòng)而移動(dòng)。通過(guò)這種方法，科學(xué)家可能實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞膜內(nèi)以納米級(jí)的精度移動(dòng)納米金并在細(xì)胞膜上刻畫(huà)不同的圖案。此外，納米級(jí)的細(xì)胞膜穿孔可以對(duì)穿孔大小進(jìn)行精確控制，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的藥物遞送或基因轉(zhuǎn)染等操作。

3.2 超快融化DNA陣列并從納米金上釋放分子

通過(guò)調(diào)整激光能量，納米金熱效應(yīng)可以被用來(lái)可逆加熱大分子。比如，Stehr等人證明利用300 ns的脈沖激光照射被納米金包被的DNA可以用來(lái)融化DNA陣列［27］。尤其是，在微秒范圍內(nèi)這種熱能可以使雙鏈DNA解鏈。含有不同堿基錯(cuò)配的雙鏈DNA的熱動(dòng)力學(xué)會(huì)有差別，通過(guò)紫外可見(jiàn)光譜測(cè)量這種差別，可以進(jìn)行DNA的快速識(shí)別和精確分析［27］。此外，利用這種效應(yīng)可以從納米金上釋放各種分子，尤其是DNA分子，這種釋放分子的機(jī)制也是目前科學(xué)家重點(diǎn)研究的方向之一［28］。這是因?yàn)楫?dāng)脈沖激光照射納米金時(shí)，納米金附近局部的高溫變化可以打破納米金與其連接分子的化學(xué)鍵，從而無(wú)損地釋放納米金上的大分子物質(zhì)。比如，Jain等人證明采用飛秒脈沖激光照射可以打破金硫鍵從而使DNA鏈可以從納米金表面釋放［29］。利用納米金粒子或者硅核金殼粒子非常高效地釋放熒光染料分子，其釋放機(jī)理與DNA分子釋放可能完全不同。近期Braun等人通過(guò)紅外激光照射空心納米金球精確控制小干擾RNA的釋放，達(dá)到基因沉默的目的［30］。還有報(bào)道通過(guò)這種方式實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的抗腫瘤藥物釋放［31］。研究人員還發(fā)現(xiàn)從納米金粒子和納米金殼釋放分子的機(jī)制也是不同的。比如，從納米金球上釋放分子通過(guò)對(duì)金硫鍵的控制，而從金納米殼釋放分子則主要取決于逆第爾斯-阿爾德(retro-Diels-Alder)反應(yīng)。而從納米金球上釋放DNA分子，金硫鍵的打斷也不是唯一的機(jī)制［28］，這些現(xiàn)象都值得科學(xué)家進(jìn)一步開(kāi)展深入研究。

3.3 選擇性蛋白失活

利用高功率脈沖激光，除了有效釋放分子，還可以對(duì)納米金連接的分子比如蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)不可逆的失活。蛋白質(zhì)的變性或失活是影響細(xì)胞功能的一個(gè)重要過(guò)程，對(duì)基礎(chǔ)生物學(xué)研究意義重大，同時(shí)在基于納米金的熱療中占據(jù)了重要的地位。由于納米金具有很強(qiáng)的光吸收性而且在激光照射下具有較好的光穩(wěn)定性，通常納米金被功能化后連接到蛋白質(zhì)上用來(lái)作為蛋白質(zhì)熱失活研究的手段。Huettmann等人通過(guò)納米金直接連接抗體，通過(guò)二抗靶向連接特種蛋白，在激光的作用下證明了這種效應(yīng)的精確性［32］。Pitsillides等人報(bào)道了相似的結(jié)果［33］，我們課題組對(duì)此也進(jìn)行了相關(guān)研究［34］。通過(guò)這種方法可以精確地靶向并選擇性地失活某些致病蛋白，從而彌補(bǔ)遺傳學(xué)領(lǐng)域的某些缺陷［2］。除此之外，這種方法同樣可以用來(lái)在DNA中敲除某些特定的基因片段［3］，而且對(duì)整個(gè)染色體的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響。由于其精度特別高，因此有人把這種手術(shù)稱為次波長(zhǎng)分子手術(shù)。

目前科學(xué)家也在研究短時(shí)間高溫失活期間新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的分子動(dòng)力學(xué)模型［35］，新模型的研究有可能使這一技術(shù)得以改進(jìn)并更加成熟，從而使蛋白質(zhì)選擇性失活達(dá)到前所未有的時(shí)空分辨率。

4 結(jié)論

綜上所述，激光、金屬納米粒子、組織之間的相互作用是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)研究課題，屬于包括激光物理、生物傳熱學(xué)和醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域。納米金激光納觀熱效應(yīng)的研究是目前的一個(gè)熱點(diǎn)，主要集中在機(jī)理及模型建立、測(cè)量方法和生物學(xué)應(yīng)用三個(gè)方面。到目前為止，基本的機(jī)理闡述已經(jīng)清楚，有三種模型可以進(jìn)行精確模擬，盡管各種方法都有其局限。其次，納米金激光納觀熱效應(yīng)測(cè)量方法研究也一直受到科學(xué)家們的關(guān)注，致力于開(kāi)發(fā)研究更精確的測(cè)量方法。此外，納米金激光納觀熱效應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用以其悠久的應(yīng)用歷史、良好的應(yīng)用效果、誘人的應(yīng)用前景吸引著科學(xué)家的強(qiáng)烈關(guān)注。目前這些效應(yīng)都應(yīng)用于比較前沿的研究領(lǐng)域，包括基因分析，基因沉默，基因敲除以及基因轉(zhuǎn)染等。與之相對(duì)應(yīng)的是，自從1990年人類基因組計(jì)劃啟動(dòng)以來(lái)，科學(xué)家們?nèi)〉昧伺e世矚目的成就，獲得了大量有關(guān)疾病的遺傳學(xué)信息。人們把治愈很多重大疾病，如腫瘤，艾滋病等的希望寄托在基因測(cè)序和基因治療上，紐約時(shí)報(bào)也發(fā)表專題報(bào)道這方面的一些突破［36］。因此對(duì)納米金激光納觀效應(yīng)的深入研究必將促進(jìn)這些前沿領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

［1］BOISSELIER E，ASTRUC D.Gold nanoparticles in nanomedicine:preparations，imaging，diagnostics，therapies and toxicity［J］.Chem Soc Rev，2009，38(6):1759-1782.

［2］QIN Z，BISCHOF J C.Thermophysical and biological responses of gold nanoparticle laser heating［J］.Chem Soc Rev，2012，41(3):1191-1217.

［3］CSAKI A，GARWE F，STEINBRUECK A，et al.A parallel approach for subwavelength molecular surgery using gene-specific positioned metal nanoparticles as laser light antennas［J］.Nano Letters，2007，7(2):247-253.

［4］BURDA C，CHEN X，NARAYANAN R，et al.Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes［J］.Chem Rev，2005，105(4):1025-1102.

［5］LINK S，EL-SAYED M A.Shape and size dependence of radiative，non-radiative and photothermal properties of gold nanocrystals［J］.International Reviews in Physical Chemistry，2000，19(3):409-453.

［6］HODAK J H，HENGLEIN A，HARTLAND G V.Photophysics of nanometer sized metal particles:electron-phonon coupling and coherent excitation of breathing vibrational modes［J］.The Journal of Physical Chemistry B，2000，104(43):9954-9965.

［7］LETFULLIN R R，GEORGE T F，DUREE G C，et al.Ultrashort laser pulse heating of nanoparticles:comparison of theoretical approaches［J］.Advances in Optical Technologies，2008，SI(1):1-8.

［8］PUSTOVALOV V K.Theoretical study of heating of spherical nanoparticle in media by short laser pulses［J］.Chem Phys，2005，308(1-2):103-108.

［9］LETPHOOLLIN R R，IGOSHIN V I.Multipass optical reactor for laser processing of disperse materials［J］.Kvantovaya Elektron，1995，22(7):711-716.

［10］LETFULLIN R R，IGOSHIN V I.Theoretical modeling of plasma formation and generation of electromagnetic fields in the gasdispersed media under the action of laser radiation［J］.Trudy FIAN，1993，217:112-135.

［11］LETFULLIN R R，JOENATHAN C，GEORGE T F，et al.Laser-induced explosion of gold nanoparticles:potential role for nanophotothermolysis of cancer［J］.Nanomedicine-Uk，2006，1(4):473-480.

［12］EKICI O，HARRISON R K，DURR N J，et al.Thermal analysis of gold nanorods heated with femtosecond laser pulses［J］.J Phys D Appl Phys，2008，41(18):185501-185511.

［13］ANISIMOV S I，KAPELIOVICH B L，PERELMAN T L.Electron emission from metal surfaces exposed to ultrashort laser pulses［J］.Sov Phys-JETP，1974，39(2):375-377.

［14］JABBARZADEH A，TANNER R I.Molecular dynamics simulation and its application to nano-rheology［M］.Rheology Reviews，(Ed.M.Bindings and K.Walters)，The British Society of Rheology，2006，165-126.

［15］ POULIKAKOS D，ARCIDIACONO S，MARUYAMA SHIGEO.Molecular dynamics simulation in nanoscale heat transfer:A review ［J］.Microscale Thermophysical Engineering，2003，7(3):181-206.

［16］MERABIA S，SHENOGIN S，JOLY L，et al.Heat transfer from nanoparticles:A corresponding state analysis［J］.P Natl Acad Sci USA，2009，106(36):15113-15118.

［17］WANG X W，XU X F.Molecular dynamics simulation of heat transfer and phase change during laser material interaction［J］.J Heat Trans-T Asme，2002，124(2):265-274.

［18］HU M，HARTLAND G V.Heat Dissipation for Au particles in aqueous solution:relaxation time versus size［J］.The Journal of Physical Chemistry B，2002，106(28):7029-7033.

［19］KOTAIDIS V，DAHMEN C，VON PLESSEN G，et al.Excitation of nanoscale vapor bubbles at the surface of gold nanoparticles in water［J］.J Chem Phys，2006，124(18):184702.

［20］PLECH ASASALWAJBAA.Thermodynamics of nanosecond nanobubble formation at laser-excited metal nanoparticles［J］.New Journal of Physics，2011，13(4):043018.

［21］BENDIX P M，REIHANI S N，ODDERSHEDE L B.Direct measurements of heating by electromagnetically trapped gold nanoparticles on supported lipid bilayers［J］.ACS Nano，2010，4(4):2256-2262.

［22］KYRSTING A，BENDIX P M，STAMOU D G，et al.Heat pro-filing of three-dimensionally optically trapped gold nanoparticles using vesicle cargo release［J］.Nano Lett，2011，11(2):888-892.

［23］RYCENGA M，WANG Z，GORDON E，et al.Probing the photothermal effect of gold-based nanocages with surface-enhanced Raman scattering(SERS)［J］.Angew Chem Int Ed Engl，2009，48(52):9924-9927.

［24］BAFFOU G，KREUZER M P，KULZER F，et al.Temperature mapping near plasmonic nanostructures using fluorescence polarization anisotropy［J］. Opt Express，2009，17(5):3291-3298.

［25］CARLSON M T，KHAN A，RICHARDSON H H.Local temperature determination of optically excited nanoparticles and nanodots［J］.Nano Letters，2011，11(3):1061-1069.

［26］GUPTA A，KANE R S，BORCA-TASCIUC D A.Local temperature measurement in the vicinity of electromagnetically heated magnetite and gold nanoparticles［J］.Journal of Applied Physics，2010，108(6):064901-064907.

［27］STEHR J，HRELESCU C，SPERLING R A，et al.Gold nanostoves for microsecond DNA melting analysis［J］.Nano Lett，2008，8(2):619-623.

［28］POON L，ZANDBERG W，HSIAO D，et al.Photothermal release of single-stranded DNA from the surface of gold nanoparticles through controlled denaturating and Au-S bond breaking［J］.ACS Nano，2010，4(11):6395-6403.

［29］BAKHTIARI A B，HSIAO D，JIN G，et al.An efficient method based on the photothermal effect for the release of molecules from metal nanoparticle surfaces［J］.Angew Chem Int Ed Engl，2009，48(23):4166-4169.

［30］BRAUN G B，PALLAORO A，WU G，et al.Laser-activated gene silencing via gold nanoshell-siRNA conjugates［J］.ACS Nano，2009，3(7):2007-2015.

［31］YAVUZ M S，CHENG Y，CHEN J，et al.Gold nanocages covered by smart polymers for controlled release with near-infrared light［J］.Nature Materials，2009，8(12):935-939.

［32］HUETTMANN G，RADT B，SERBIN J，et al.Inactivation of proteins by irradiation of gold nanoparticles with nano-and picosecond laser pulses［J］.The International Society for Optical Engineering，Munich，Germany，2003:88-95.

［33］PITSILLIDES C M，JOE E K，WEI X B，et al.Selective cell targeting with light-absorbing microparticles and nanoparticles［J］.Biophysical Journal，2003，84(6):4023-4032.

［34］姚翠萍，張鎮(zhèn)西，姚保利.金納米微粒輔助細(xì)胞激光熱作用療法研究［J］.生物化學(xué)與生物物理學(xué)進(jìn)展，2007，34(3):312-316.YAO Cuiping，ZHANG Zhenxi，YAO Baoli.Laser irradiation cell photothermal therapy assisted by gold nanoparticles［J］.Progress in Biochemistry and Biophysics，2007，34(3):312-316.

［35］YAN C，PATTANI V，TUNNELL J W，et al.Temperatureinduced unfolding of epidermal growth factor(EGF):insight from molecular dynamics simulation［J］.J Mol Graph Model，2010，29(1):2-12.

［36］http://cn.nytimes.com/article/education/2012/08/20/c20cancerone/.