彭洪尚， 申睿穎， 王小卉

(1. 北京交通大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100044； 2. 中央民族大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100081)

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面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的光學(xué)氧氣納米傳感器

彭洪尚1,2*， 申睿穎1， 王小卉1

(1. 北京交通大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100044； 2. 中央民族大學(xué) 理學(xué)院， 北京 100081)

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，溶氧的檢測(cè)具有十分重要的意義。近年來氧氣傳感器的研究取得了重要的進(jìn)展，尤其是納米尺寸的光學(xué)氧氣傳感器倍受重視。光學(xué)氧氣納米傳感器具有檢測(cè)靈敏度高、穩(wěn)定性好、易于生物功能化等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在(亞)細(xì)胞層次或者生物組織內(nèi)溶氧的實(shí)時(shí)檢測(cè)。本文主要從氧氣熒光探針的種類、傳感器的基質(zhì)構(gòu)成、納米傳感器的構(gòu)建方法、檢測(cè)模式和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等幾個(gè)方面出發(fā)，結(jié)合本研究組在光學(xué)氧氣納米傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的主要應(yīng)用進(jìn)行了闡述。

光學(xué)納米傳感器； 氧氣傳感； 磷光猝滅； 生物醫(yī)學(xué)成像

1 引 言

氧氣是一種重要的化學(xué)物質(zhì)。對(duì)哺乳動(dòng)物而言，氧氣是維持其正常生理機(jī)能所需能量的源泉。當(dāng)氧含量過低時(shí)，機(jī)體的正常生理進(jìn)程就會(huì)受到影響；而當(dāng)氧含量過高時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生過多的活性氧使核酸、蛋白質(zhì)等發(fā)生氧化反應(yīng)，從而影響其正常生理功能[1-2]。因此，氧含量的檢測(cè)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有十分重要的意義。

氧氣濃度的檢測(cè)方法有多種，主要包括化學(xué)(碘量法)、電化學(xué)(電流分析法)及光學(xué)方法。其中化學(xué)和電化學(xué)傳感存在操作過程復(fù)雜且易對(duì)生物樣品產(chǎn)生損傷的缺點(diǎn)[3-4]。光學(xué)傳感方法具有不受電磁場(chǎng)干擾、反應(yīng)過程中不消耗氧氣和易于微型化等優(yōu)點(diǎn)[5]。1985年，Vanderkooi等研制出一種基于磷光猝滅的氧氣探針分子，并將其應(yīng)用于生物組織中氧的檢測(cè)，從此開啟了生物溶氧檢測(cè)的新時(shí)代[6]。當(dāng)前，大部分光學(xué)氧氣傳感器都是基于氧氣對(duì)熒光探針的磷光猝滅原理而構(gòu)建的[7]。

在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，光導(dǎo)纖維和光學(xué)薄膜傳感器由于尺寸限制或侵入性而影響了其在活體實(shí)時(shí)檢測(cè)中的進(jìn)一步應(yīng)用[8-9]。小分子或超分子氧氣探針雖然可用于細(xì)胞內(nèi)的氧氣傳感與成像[10-13]，但生理環(huán)境的復(fù)雜性往往會(huì)影響探針分子的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，熒光氧氣納米傳感器在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，它主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)相比于單個(gè)氧氣探針分子，納米傳感器內(nèi)封裝有大量氧氣探針，從而具有更高的發(fā)光亮度；(2)納米傳感器的小粒徑(10～100 nm)可保證其對(duì)細(xì)胞內(nèi)或生物組織中的溶氧進(jìn)行非侵入性檢測(cè)[14-15]；(3)納米基質(zhì)不僅提高了傳感器的化學(xué)穩(wěn)定性，還降低了探針的生物毒性[16-18]；(4)納米傳感器大的比表面積為其生物功能化提供了保證，從而可滿足生物醫(yī)學(xué)中的檢測(cè)需求[14,19]。

本文主要對(duì)光學(xué)氧氣納米傳感器的探針分子類型、基質(zhì)材料、結(jié)構(gòu)類型、檢測(cè)模式和相關(guān)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了綜述，以期引導(dǎo)讀者依據(jù)具體的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用來選擇合適的光學(xué)氧氣納米傳感器和檢測(cè)平臺(tái)。

2 光學(xué)氧氣納米傳感器的構(gòu)建

光學(xué)氧氣納米傳感器的制備方法主要有溶膠凝膠[20-21]、微乳液[22-23]和再沉淀法[24]。其中，微乳液和溶膠凝膠方法均為化學(xué)方法，所制得的納米顆粒需要經(jīng)過進(jìn)一步的處理，以適應(yīng)生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)的需要[25]。本研究組發(fā)展的再沉淀法是一種制備有機(jī)-無機(jī)雜化納米粒子的簡(jiǎn)易方法。它不使用任何活性劑，僅基于有機(jī)分子的疏水相互作用和有機(jī)硅氧烷的水解縮聚而形成生物兼容性良好的氧氣探針納米粒子。特別是利用靜電吸附作用可實(shí)現(xiàn)多聚賴氨酸生物分子在納米粒子表面的自組裝，通過核殼結(jié)構(gòu)既提高了納米粒子的生物兼容性，也為靶向功能化提供了位點(diǎn)。利用再沉淀法制備的氧氣納米傳感器具有較高的亮度，光穩(wěn)定性較好，表面修飾簡(jiǎn)單，在生物檢測(cè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。氧氣納米傳感器的構(gòu)成核心是高敏感的氧氣探針分子，以及可封裝探針分子但同時(shí)具有良好通透性的基質(zhì)材料。在檢測(cè)過程中，分子氧通過基質(zhì)孔道滲透到探針分子，并與之發(fā)生碰撞而發(fā)生熒光猝滅，依據(jù)發(fā)光強(qiáng)度(或壽命)與氧氣濃度的定量關(guān)系即可推算出周圍環(huán)境中氧氣的濃度。因此，納米傳感器的設(shè)計(jì)需要考慮探針分子和基質(zhì)材料的類型，以及二者之間相互作用等因素。

2.1 熒光探針的選擇

過渡金屬配合物是目前應(yīng)用最為廣泛的氧氣探針分子，其中心離子為具有d6或d8電子組態(tài)的過渡金屬，如Ru(Ⅱ)、Os(Ⅱ)、Pt(Ⅱ)、Pd(Ⅱ)、Ir(Ⅱ)等；而配體一般都采用雙齒或多齒結(jié)構(gòu)，如聯(lián)吡啶、苯基吡啶、卟啉等。在光致激發(fā)下，電子從過渡金屬配合物的基態(tài)躍遷到金屬-配體電荷轉(zhuǎn)移態(tài)(MLCT)，而后以非輻射躍遷的形式從單線態(tài)MLCT轉(zhuǎn)移到能級(jí)較低的三線態(tài)MLCT，系間竄越效率接近100%。當(dāng)電子到達(dá)三線態(tài)MLCT態(tài)后，可以輻射躍遷(或非輻射躍遷)的途徑回到基態(tài)產(chǎn)生磷光(或熱)；或者與氧分子接觸發(fā)生碰撞，將激發(fā)能量傳遞給氧分子而發(fā)生磷光猝滅。

比較常見的過渡金屬配合物類氧氣探針有Pt(Ⅱ)的卟啉化配合物，如八乙基卟吩鉑(PtOEP)、四(五氟苯基)卟啉鉑(PtTFPP)[16-20]，以及二亞胺釕配合物[21,25]。相比較而言，Pt(Ⅱ)卟啉化合物在可見光區(qū)有強(qiáng)吸收，具有長(zhǎng)壽命(數(shù)十微秒)、高量子產(chǎn)率、大Stokes位移和高氧氣猝滅率等特點(diǎn)；二亞胺釕配合物在可見光區(qū)也具有較強(qiáng)的吸收，但其氧氣敏感度相對(duì)較低。

2.2 基質(zhì)的選擇

在熒光氧氣納米傳感器的構(gòu)建中，基質(zhì)材料的選擇對(duì)于傳感器性能的優(yōu)化起著非常重要的作用。理想的基質(zhì)材料應(yīng)具有良好的氧氣通透性，以實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境中的分子氧與納米傳感器中探針分子的快速接觸；能夠有效地包覆氧氣探針分子，減少探針分子泄漏及濃度猝滅。常用的基質(zhì)材料有二氧化硅[21]、有機(jī)硅[20]、共軛聚合物[12,18,26]、脂質(zhì)體[25]、聚苯乙烯(PS)[14,27]和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)[19]。表1給出了不同基質(zhì)材料的氧氣納米傳感器的具體信息。由表中可以看出，在氧氣探針相同的情況下，以共軛聚合物、有機(jī)硅和聚苯乙烯為基質(zhì)的納米傳感器，因良好的氧氣通透性而具有較高的氧氣敏感度。本研究組曾制備了以PS和PMMA為基質(zhì)、以八乙基卟吩鉑(PtOEP)為探針的熒光氧氣納米傳感器，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PS基質(zhì)的傳感器氧氣猝滅率達(dá)到94%[14]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PMMA基質(zhì)的傳感器(77%)[19]。

表1 代表性光學(xué)氧氣納米傳感器

2.3 氧氣納米傳感器的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)熒光探針分子在納米粒子中的相對(duì)位置，氧氣納米傳感器的結(jié)構(gòu)大致可以分為以下3類：(1)內(nèi)摻型，探針分子隨機(jī)分布于納米粒子內(nèi)部[27-30](圖1(a))；(2)核殼結(jié)構(gòu)型，內(nèi)部摻雜有探針分子的納米粒子表面包覆有保護(hù)殼層[25](圖1(b))；(3)表面型，探針分子偶聯(lián)于納米粒子表面[31-33](圖1(c))。對(duì)于內(nèi)摻型和核殼結(jié)構(gòu)型傳感器，氧氣探針分子一般為疏水型分子，而表面型則要求探針分子具有良好的水溶性。在穩(wěn)定性方面，核殼結(jié)構(gòu)性型既可以避免內(nèi)摻型傳感器中探針分子的泄露，又可以防止復(fù)雜生理環(huán)境對(duì)表面型中探針分子的攻擊，因此在生物領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

Fig.1 Schematic diagrams of various designs of optical oxygen nanosensors. (a) Inner doped type. (b) Core-shell type. (c) Surface type.

3 熒光氧氣納米傳感器的檢測(cè)模式

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，熒光氧氣納米傳感器的檢測(cè)基于熒光強(qiáng)度和熒光壽命。在熒光強(qiáng)度方面，單一波長(zhǎng)模式最為簡(jiǎn)單，但易受激發(fā)光強(qiáng)度起伏和探針分子濃度分布不均勻的影響而產(chǎn)出測(cè)量誤差。相比較而言，比率熒光檢測(cè)由于內(nèi)在參比熒光的作用而具有更高的準(zhǔn)確性。在構(gòu)建比率熒光氧氣納米傳感器時(shí)，納米粒子內(nèi)需要同時(shí)摻雜對(duì)氧氣不敏感的熒光參比分子和氧氣探針分子[34-35]。二者的吸收譜帶一般具有較大的重疊，但是發(fā)射峰能明顯分辨開，以保證在單一波長(zhǎng)激發(fā)下同時(shí)產(chǎn)生參比熒光和探測(cè)熒光。

在檢測(cè)過程中，光輻照難以避免對(duì)納米傳感器的熒光漂白而導(dǎo)致測(cè)量誤差?；谘鯕馓结槦晒鈮勖臋z測(cè)則更為客觀和準(zhǔn)確[36-38]。氧氣納米傳感器的壽命一般為微秒量級(jí)，對(duì)激發(fā)光源和探測(cè)儀器的要求都不高[39]。除了通過監(jiān)測(cè)磷光發(fā)射強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)衰減來獲得熒光壽命(壽命擬合)，熒光壽命檢測(cè)也可以簡(jiǎn)化為一個(gè)快速的檢測(cè)模式(RLD)[40-41]，即通過收集探針被激發(fā)后在兩個(gè)不同衰減窗口(t1,t2)內(nèi)的熒光強(qiáng)度(F1,F2)，進(jìn)而根據(jù)以下公式獲得熒光壽命：

(1)

目前基于RLD測(cè)量的儀器主要為多標(biāo)記分析儀[ 38]。該儀器基于微孔板掃描，具有快速處理大批量樣品的特點(diǎn)，可以較為精確地測(cè)量氧氣濃度變化[42]。需要注意的是，該儀器的RLD模式適用于具有較長(zhǎng)熒光壽命的氧氣探針，如Pt(Ⅱ)配合物(壽命為數(shù)十微秒)，對(duì)于短壽命的熒光探針則不適用，如Ru(Ⅱ)配合物(幾百納米)。

相對(duì)于熒光強(qiáng)度成像，壽命成像模式降低了背景熒光，不受光漂白干擾，是較為精確的成像檢測(cè)模式。常用的熒光壽命成像檢測(cè)方法是時(shí)間相關(guān)單光子成像模式，衰減曲線可以通過大量脈沖隨時(shí)間的整合獲得[44]；但該技術(shù)對(duì)儀器的精確度要求比較高，且耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)。目前，結(jié)合RLD模式和CCD成像技術(shù)的傳感系統(tǒng)已經(jīng)被研制[45-46]，該成像方法可以用來檢測(cè)復(fù)雜樣品的氧氣分布，是一種非常有應(yīng)用前景的氧氣檢測(cè)工具。

4 光學(xué)氧氣納米傳感器的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

光學(xué)氧氣納米傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用空間，一方面可以直接檢測(cè)生物體中溶氧的變化情況，直接獲取有關(guān)溶氧濃度和動(dòng)態(tài)變化的信息；另一方面可以根據(jù)溶氧的變化來間接獲取與氧有關(guān)的生理進(jìn)程的信息。針對(duì)不同的檢測(cè)目的，氧氣納米傳感器通常需進(jìn)行不同的生物功能化以滿足其空間定位的需要。例如為了實(shí)現(xiàn)細(xì)胞不同位置的氧氣濃度檢測(cè)，需要制備定位于細(xì)胞外(EC)、細(xì)胞內(nèi)(IC)和線粒體內(nèi)(IM)的氧氣納米傳感器[47]。EC傳感器應(yīng)具有較高的水溶性，且不能穿透細(xì)胞膜。對(duì)IC傳感器而言，需能夠穿透細(xì)胞膜，以便檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)部的呼吸過程和氧氣濃度變化。而IM傳感器既要能夠穿透細(xì)胞膜，還需靶向線粒體，進(jìn)而對(duì)線粒體內(nèi)的氧氣含量進(jìn)行檢測(cè)。

4.1 胞外氧氣檢測(cè)

將EC氧氣納米傳感器與細(xì)胞共培育，利用熒光強(qiáng)度或者壽命模式均可測(cè)量細(xì)胞外溶氧的濃度。使用光譜儀，通過測(cè)量細(xì)胞懸浮液的熒光強(qiáng)度可以獲取細(xì)胞外溶氧的濃度；但該方法容易被散色光干擾，且不適用于貼壁細(xì)胞[48]。壽命檢測(cè)模式，尤其是RLD方法不僅適用于懸浮細(xì)胞，也可用于貼壁細(xì)胞外溶氧濃度的檢測(cè)。如果需要測(cè)量細(xì)胞外絕對(duì)氧氣的消耗率，則需在密封環(huán)境下進(jìn)行[49]。若僅對(duì)比不同樣品的相對(duì)氧氣消耗率，則可以簡(jiǎn)化測(cè)試條件，例如在測(cè)試前將礦物油加入微孔或者比色皿中，可以獲得部分密封的效果[42,49]。

4.2 胞內(nèi)溶氧檢測(cè)

近年來，IC氧氣納米傳感器被廣泛用于細(xì)胞內(nèi)氧氣含量的檢測(cè)和成像。Papkovsk課題組應(yīng)用磷光RLD檢測(cè)模式對(duì)細(xì)胞內(nèi)的氧氣濃度、氧氣消耗量和氧氣梯度等進(jìn)行了研究[26,38,54]。根據(jù)細(xì)胞的種類及檢測(cè)目的，需要對(duì)細(xì)胞密度、代謝活動(dòng)和溫度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化[55]。在最近的研究工作中，我們利用IC氧氣納米傳感器對(duì)光動(dòng)力作用下腫瘤細(xì)胞的損傷進(jìn)行了評(píng)估。其機(jī)理就是對(duì)細(xì)胞內(nèi)溶氧消耗速率進(jìn)行監(jiān)測(cè)(細(xì)胞的有氧呼吸)，而呼吸速率大小正比于細(xì)胞的活性[56]。對(duì)腫瘤細(xì)胞損傷的評(píng)估與傳統(tǒng)MTT方法的結(jié)果相吻合，特別是可以評(píng)估光動(dòng)力的直接損傷，克服了MTT在評(píng)估細(xì)胞毒性時(shí)間上的滯后性。

Fig.2 Wide field FLIM microscopy images of MEF cells stained with PtTFPP-based nanosensors measured at different levels of atmospheric O2

基于納米傳感器的熒光成像也是評(píng)估細(xì)胞內(nèi)的溶氧濃度的一個(gè)有力手段。Kondrashina等制備了基于PtTFPP的細(xì)胞內(nèi)氧氣納米探針，通過磷光壽命成像實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維細(xì)胞球中溶氧分布的檢測(cè)[26]。如圖2所示，隨著氧氣濃度的增加，探針壽命逐漸變長(zhǎng)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)預(yù)期一致。Fercher等在細(xì)胞內(nèi)氧氣成像實(shí)驗(yàn)中，通過線粒體刺激藥品來調(diào)節(jié)溶氧濃度的變化，進(jìn)而監(jiān)測(cè)負(fù)載有IC氧氣納米傳感器細(xì)胞的熒光強(qiáng)度[15]，如圖3所示。由圖中可以看出，不論熒光強(qiáng)度測(cè)量還是熒光成像，均反映出FCCP刺激導(dǎo)致呼吸速率增加和溶氧量的減少(熒光強(qiáng)度增加)，以及AntiA對(duì)細(xì)胞呼吸的抑制(熒光強(qiáng)度降低)這一現(xiàn)象。

圖3 負(fù)載PtTFPP納米顆粒的小鼠胚胎成纖維細(xì)胞在新陳代謝刺激劑FCCP 和 AntiA作用下的熒光成像。(a)熒光強(qiáng)度值；(b)熒光成像照片。

Fig.3 Fluorescent imaging of MEFs cells loading PtTFPP nanosensors and their responses to metabolic stimulation. (a) Intensity profiles for the three regions. (b) Corresponding images treated with 2 μmol/L FCCP and 10 μmol/L AntiA.

4.3 線粒體內(nèi)溶氧檢測(cè)

線粒體是細(xì)胞有氧呼吸的主要場(chǎng)所，對(duì)線粒體溶氧的檢測(cè)顯然可以更加準(zhǔn)確地反映細(xì)胞的狀態(tài)。常用的線粒體內(nèi)氧氣探針主要為原卟啉Ⅸ[57-58]和 MitoXpress[59]，主要用于對(duì)單獨(dú)分離出的細(xì)胞線粒體內(nèi)溶氧的檢測(cè)。最近，本課題組結(jié)合光學(xué)氧氣納米傳感方法和線粒體靶向技術(shù)，制備了三苯基溴化磷(TPP)偶聯(lián)的氧氣納米傳感顆粒，并能較準(zhǔn)確地靶向細(xì)胞內(nèi)的線粒體[60]。圖4中線粒體靶向納米顆粒(TPP-NPs)的綠色成像與線粒體染料的紅色成像重合，證明TPP偶聯(lián)納米顆粒已成功靶向線粒體。在此基礎(chǔ)上，我們利用IM氧氣納米傳感器，基于壽命檢測(cè)的RLD方法對(duì)癌癥細(xì)胞和正常細(xì)胞內(nèi)線粒體的有氧呼吸速率進(jìn)行了靈敏檢測(cè)[61]，基于細(xì)胞呼吸速率實(shí)現(xiàn)了對(duì)腫瘤細(xì)胞線粒體功能障礙的評(píng)估，有望應(yīng)用于腫瘤細(xì)胞的診斷。

圖4 分別負(fù)載EC(Si-NPs)、IC(PLL-NPs)和IM (TPP-NPs)氧氣納米傳感器的HepG2細(xì)胞的共聚焦成像。綠色通道是納米顆粒成像，紅色通道是線粒體示蹤劑的成像。

Fig.4 Confocal fluorescence images of HepG2 cells treated with Si-NPs (extracellular), PLL-NPs (intracellular) and TPP-NPs (intra-mitochondrial). Cells are viewed in the green channel for nanosensors and the red channel for Mito Tracker Red (mitochondrial dye), respectively.

4.4 葡萄糖檢測(cè)

糖尿病是一種嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，對(duì)血液中葡萄糖的靈敏檢測(cè)對(duì)于疾病診斷、治療和控制均具有重要意義[62]。熒光葡萄糖納米傳感器的原理是將葡萄糖氧化酶與熒光氧氣納米傳感器相結(jié)合，通過檢測(cè)氧化酶與葡萄糖的氧化反應(yīng)中對(duì)氧的消耗，根據(jù)溶氧量的變化間接測(cè)定葡萄糖的含量[63]。Xu等制備了基于Ru[dpp(SO3Na)2]3)Cl2的葡萄糖納米傳感器，其具有較小的粒徑和良好的生物相容性，在細(xì)胞內(nèi)葡萄糖檢測(cè)方面具有很好的應(yīng)用前景[21]。本研究組在氧氣納米傳感器基礎(chǔ)上，利用其面氨基與葡萄糖氧化酶的交聯(lián)制備了葡萄糖熒光納米傳感器，通過比率熒光強(qiáng)度和熒光壽命測(cè)量均實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的靈敏檢測(cè)，并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)人血清中血糖的準(zhǔn)確檢測(cè)[64]。

5 結(jié)論與展望

本文主要從光學(xué)氧氣納米傳感器的構(gòu)建、檢測(cè)模式和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等幾個(gè)方面出發(fā)，對(duì)近幾年的氧氣納米傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。所報(bào)道的多種類型的熒光氧氣納米傳感器不僅用于對(duì)體外和活體內(nèi)溶氧的檢測(cè)與成像，而且根據(jù)所獲取溶氧信息可分別用于細(xì)胞活性的評(píng)估、疾病診斷和腫瘤成像等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中?？梢灶A(yù)計(jì)，激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)均位于近紅外光譜的氧氣納米傳感器未來會(huì)得到更為迅速發(fā)展，因?yàn)樗梢詼p少生物組織對(duì)光的吸收和散射以及背景熒光的產(chǎn)生。此外，長(zhǎng)壽命的氧氣納米傳感器(～μs)通過時(shí)間分辨技術(shù)可以極大降低背景熒光信號(hào)強(qiáng)度(～ns)，因此在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)具有更大的發(fā)展前景。

光學(xué)氧氣納米傳感器雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但欲在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用還面臨著諸多挑戰(zhàn)：(1)發(fā)光效率問題。溶氧的檢測(cè)基于探針分子的磷光猝滅，在低濃度區(qū)域的發(fā)光亮度(熒光壽命)遠(yuǎn)大于在高濃度區(qū)域的熒光強(qiáng)度(熒光壽命)。生物體中溶氧的含量是動(dòng)態(tài)變化的，因此要求納米傳感器需具有足夠高的熒光量子效率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些動(dòng)態(tài)生理過程的監(jiān)測(cè)。(2)活體中溶氧熒光檢測(cè)的組織穿透深度問題。由于磷光的氧氣猝滅是基于激發(fā)態(tài)探針分子與基態(tài)氧分子的能量傳遞，目前近紅外納米傳感器的發(fā)射波長(zhǎng)一般位于近紅外Ⅰ窗口(700～900 nm)，穿透深度僅為毫米量級(jí)。相比較而言，近紅外Ⅱ窗口(1 060～1 700 nm)具有更深的穿透深度，可達(dá)到厘米量級(jí)。因此，研制發(fā)射波長(zhǎng)在近紅外Ⅱ窗口的氧氣納米傳感器(氧氣探針)對(duì)于活體中溶氧檢測(cè)與成像具有重要的意義。

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彭洪尚(1975-)，男，山東臨沂人，教授，博士生導(dǎo)師，2007年于北京交通大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)光子學(xué)。2005～2006年，于美國(guó)克萊姆森大學(xué)化學(xué)系作學(xué)術(shù)訪問。2007年獲德國(guó)洪堡獎(jiǎng)學(xué)金資助于德國(guó)雷根斯堡大學(xué)從事博士后研究。2009年11月～2015年11月于北京交通大學(xué)發(fā)光與光信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作。2013～2014年，于美國(guó)華盛頓大學(xué)(西雅圖)化學(xué)系作學(xué)術(shù)訪問。2015年11月至今在中央民族大學(xué)理學(xué)院工作。

近年來，在針對(duì)腫瘤微環(huán)境特征參量的熒光納米傳感器的構(gòu)建及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面取得了一系列成果，發(fā)表SCI收錄論文50余篇，SCI引用1 500余次， H因子為19。曾先后榮獲德國(guó)洪堡獎(jiǎng)學(xué)金(2007)和教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃支持(2012)。主持了國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部留學(xué)歸國(guó)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等科研項(xiàng)目，研究經(jīng)費(fèi)200余萬。近年來?yè)?dān)任國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目信息學(xué)部通訊評(píng)議專家，以及北京市自然科學(xué)基金評(píng)議專家。目前任光學(xué)學(xué)會(huì)第二屆生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)專委會(huì)委員。

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[2] S GAO, H PENG*, X WANG，etal.. Preparation of fluorescent enzymatic nanosensors for glucose sensing [J].Sens.ActuatorsB:Chem., 2016, 222:638-644

[3] H PENG, D T CHIU*. Soft fluorescent nanomaterials for biological and biomedical imaging [J].Chem.Soc.Rev., 2015, 44:4699

[4] X WANG, H PENG*, L YANG,etal.. Assessment of tumor mitochondrial dysfunction by monitoring respiratory activity using targetable phosphorescent nanosensors for oxygen [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2014, 53:12471

[5] H PENG, M I J STICH, J YU，etal.. Luminescent europium (Ⅲ) nanoparticles for sensing and imaging of temperature in the physiological range [J].Adv.Mater., 2010, 22:716.

[6] H PENG*, J STOLWIJK, L SUN，etal.. A nanogel for ratiometric fluorescent sensing of physiological pH values [J].Angew.Chem.Int.Ed., 2010, 49:4246.

Optical Oxygen Nanosensors Towards Biomedical Applications

PENG Hong-shang1,2*, SHEN Rui-ying1， WANG Xiao-hui1

(1.CollegeofScience,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044，China;2.CollegeofScience,MinzuUniversityofChina,Beijing100081,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:hshpeng@bjtu.edu.cn

The determination of oxygen concentration is of great importance in biological applications. In recent years, significant progress has been made in the field, and nanosized optical oxygen sensors have gained particular attraction owing to the merit of high sensitivity, good photostability, facile bioconjugation and ideal dimension forinvitroandinvivoapplications. In this review, we focus on optical oxygen nanosensors, including the types of suitable oxygen probes, structure properties, preparation methods, and different detection modalities. In addition, for different O2nanosensors, the analytical performance and applicability in specific biological applications are also outlined. Generally this review is meant to give the potential user a guide to select the most suitable optical oxygen nanosensor and detection modalities for their particular biological detection.

optical nanosensor; oxygen sensing; phosphorescence quenching; biomedical imaging

1000-7032(2016)10-1167-10

2016-08-07；

2016-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(61575017)； 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(12-0771)資助項(xiàng)目

O433.4; O482.31

A

10.3788/fgxb20163710.1167