【材料科技】上轉換奈米材料於生物醫學的應用(中)

■在<上轉換奈米材料於生物醫學的應用(上)>,我們介紹了上轉換(Upconversion)現象的原理,一言以蔽之就是集氣放大絕,收集數個低能量光子,發出一個高能量光子。本篇將介紹上轉換奈米粒子的組成材料及其在生物檢定的應用。

© Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics.Chemical reviews, 114(10), 5161-5214.
© Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics.Chemical reviews, 114(10), 5161-5214.

撰文|方程毅

上轉換的機制,除了我們介紹的激發態吸收(Excited-State Absorption, ESA)之外還有很多種,例如:能量轉移上轉換(Energy Transfer Upconversion)、交叉馳豫(Cross Relaxation)、光子雪崩(Photon Avalanche)及合作敏化上轉換(Cooperative Sensitization Upconversion)。不過這邊將不再細講機制。

本文標題既然提及上轉換奈米材料,也該是進入正題介紹這些粒子了。上轉換奈米粒子是將鑭系元素(沒錯,就是週期表倒數第二行),參雜到非金屬介電質粒子中,這些粒子千奇百怪,例如: \ NaYF_{4} \ YVO_{4} \ Y_{2} O_{2}S \ GdOCl 。參雜之後,整個粒子的表示法將會是: \ NaYF_{4}: Yb^{3+} / Er^{3+} \ Y_{2} O_{2}S: RE^{3+} \ Yb^{3+} / Er^{3+} \ RE^{3+} 便是參雜進粒子的鑭系元素,之所以參雜鑭系元素是因為他們都有很多f軌域電子,f軌域的量子行為可以讓其能階的生命週期(lifetime)變得很長(為什麼需要能階生命週期長請見本系列(上));而粒子本身的材料選擇則是可以讓電子從激發態回到基態時具有較高的機率轉成光子,而非以其他方式損失能量,如此一來,發光效率便更高。

●上轉換奈米材料應用:生物檢定(Bioassay)

生物檢定是一種判斷溶液中是否含有生物分子(抗體或免疫球蛋白等),並檢測其濃度的生化試驗。分為非均相(Heterogeneous)或均相(Homogeneous)。非均相顧名思義就是不只一個相,也就是測試時可能會有固態或液態共存;而均相則為整個測試皆在同一相(如液體中)進行。

圖 1 非均相示意圖
圖 1 非均相示意圖

圖1為非均相生物檢定示意圖。藍色球為上轉換奈米粒子、紅色球為待測物、藍色及黃色Y型分子則是可以抓住待測物的捕捉分子。整個流程是先將基材改質,使其表面充滿捕捉分子,接下來將含有待測物的溶液滴在基材上,此時基材上的捕捉分子會抓住待測物,然後再將表面含有捕捉分子的上轉換奈米粒子加進來,捕捉分子只會抓待測物,因此上轉換粒子便會接到待測物上,其它的就通通洗掉。檢測時只要打入一道紅外光,並接收上轉換的訊號強度即可以反推上轉換粒子的濃度,同時也知道待測物的濃度了。

整個過程的關鍵是要把上轉換奈米粒子接到待測物上,同時又不會接在其他不相干的分子上,如此一來才能精確測量濃度。解釋完這個機制後,我們要來回答一個問題:為什麼一定要使用上轉換這個現象,一般光激發螢光不行嗎?

因為光激發螢光不只有待測物會有訊號,其他捕捉分子甚至基材通通會有訊號,所以會收到一大堆雜訊,造成判讀困難。但是上轉換沒有這個問題,因為只有上轉換粒子可以產生能量比原本入射光子能量高的訊號,其他所有雜訊的光子能量都低於入射光子能量,也就是說只要把低於入射光能量的光子訊號通通濾掉,只收高能量光子就可以降低雜訊。除此之外還有另一個考量:入射光能量選擇,一般光激發螢光,由於訊號的能量一定低於入射光能量,因此入射光能量勢必不能太低(例如使用紫外光),但入射光能量太高卻會對生物體造成損傷;所以集氣放大絕上轉換粒子的出現便可以讓入射光改用能量較低的紅外光。

至於均相檢定原理相似,只是通通都在溶液中進行,檢測過程較簡單,但是背景雜訊比較多。

這項技術最早是由荷蘭萊頓大學的Zijlmans在1999年提出,當時是檢測攝護腺特定抗原(prostate-specific antigen),後來有各式各樣的新進展,包括:人绒毛膜促性腺激素(human chorionic gonadotropin)、DNA、細菌病原體(bacterial pathogen)及核酸(nucleic acids)等等,許多實驗結果也證實利用上轉換奈米粒子可以檢測出濃度非常低的待測物,可以說是應用相當廣泛又有效的檢定技術。(※任何檢測一定有最低濃度限制,所以如果有新聞告訴你XX物質檢驗出來的濃度為0,千萬不要隨便相信。)

除了本文介紹的生物檢定,上轉換奈米粒子還有許多有趣的應用,系列(下)將介紹其在生物影像上的應用,有興趣的讀者請持續追蹤CASE讀報喔。

參考資料:

  1. Chen, G., Qiu, H., Prasad, P. N., & Chen, X. (2014). Upconversion nanoparticles: design, nanochemistry, and applications in theranostics. Chemical reviews114(10), 5161-5214.
  2. Zijlmans, H. J. M. A. A., et al. "Detection of cell and tissue surface antigens using up-converting phosphors: a new reporter technology." Analytical biochemistry 267.1 (1999): 30-36.
  3. Hampl, Johannes, et al. "Upconverting phosphor reporters in immunochromatographic assays." Analytical biochemistry 288.2 (2001): 176-187.
  4. Corstjens, Paul, et al. "Use of up-converting phosphor reporters in lateral-flow assays to detect specific nucleic acid sequences: a rapid, sensitive DNA test to identify human papillomavirus type 16 infection." Clinical chemistry 47.10 (2001): 1885-1893.
  5. Corstjens, P. L. A. M., et al. "Infrared up-converting phosphors for bioassays."IEE Proceedings-Nanobiotechnology. Vol. 152. No. 2. IET, 2005.
  6. van de Rijke, Frans, et al. "Up-converting phosphor reporters for nucleic acid microarrays." Nature biotechnology 19.3 (2001): 273-276.

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作者:方程毅 台大材料畢,目前於UCSD博士班掙扎中。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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