納米顆粒物的用途廣泛。圖為納米管內部結構示意圖

　　限制納米燈泡生物學應用的另一件事情是，大多數納米燈泡吸收紫外線或可見光，而后兩者僅能往組織中滲透幾毫米

　　在新加坡龐大的研究基地———啟奧生物醫藥園，Chi Ching Goh彎下腰靠近一只躺在面前一張桌子上的被麻醉的小鼠，并且小心翼翼地將一種亮黃色溶液注射進它的體內。隨后，Goh輕輕地把小鼠耳朵放到顯微鏡下，并打開一個開關，讓耳朵“沐浴在”紫外線中。透過顯微鏡的目鏡，照明使皮膚下的血液發出綠光，并且得以追蹤攜帶溶液穿過小鼠身體的毛細血管。

　　最終，身為新加坡國立大學博士生的 Goh希望，這種方法將幫助她尋找由于炎癥而出現滲漏的血管，從而可能有助于檢測瘧疾或者預測中風。這項技術的關鍵在于能賦予溶液顏色的病毒大小顆粒物。它們僅有幾十納米大，是不斷壯大的“納米燈泡”陣列成員。研究人員正在為能在一個波長上吸收光線并在另一個波長上重新將其釋放的特定類型熒光，量身定制這種“納米燈泡”。

　　很多自然生成的化合物能做到這一點，從水母的蛋白到一些稀土化合物。不過，納米燈泡往往更加穩定、通用，并且更容易制備。這使得它們對工業和學術界的用戶更具吸引力。

　　大小是關鍵

　　納米燈泡時代從1981年量子點的發現開始。俄羅斯物理學家在硅酸鹽玻璃上生長出半導體氯化亞銅的微小晶體，并且觀察到玻璃的顏色取決于顆粒物的大小。這些晶體太小了，以至于量子效應開始生效，并且在一定程度上表現得像原子一樣：它們僅能吸收或釋放特定顏色的光線，具體頻率視顆粒物的大小或形狀而定。

　　在新加坡國立大學研究量子點的 Yin Thai Chan介紹說，它們明亮而美麗，但“沒有明顯的用途”。不過，到本世紀初，這些純正的顏色開始吸引電視機制造商以及發現其在標記特定蛋白和 DNA片段方面擁有潛力的生物醫學研究人員。

　　“對于量子點來說，一切都很好?！毙录悠聡⒋髮W化學工程師、Goh正在使用的熒光納米顆粒物的設計者 Bin Liu表示，除了一件事：毒性。表現最好的量子點含有會毒害細胞的鎘。這限制了其在生物學以及諸如家用電器等方面的有用性，因為一些國家不允許將這種元素用到此類設備中。從某種程度上說，這個問題能通過把鎘替換成鋅或銦得以解決———后兩者的毒性要小很多，或者將聚合物中基于鎘但具有生物相容性的量子點包裹起來。不過，毒性仍然掣肘一些研究人員，因為他們追尋的是諸如熒光指導的外科手術等雄心勃勃的應用。比如，納米顆粒物被注射進腫瘤中，以便使其發光并幫助醫生追蹤腫瘤的所有蹤跡。

　　走向有機化

　　作為對此項挑戰的部分回應，研究人員開始研制能夠自然發出熒光物質的納米顆粒物。由于這些納米燈泡的發光特性來自其成分而不是大小或形狀，因此它們更容易產生特定顏色?！笆聦嵣?，這很有用，因為合成任何一樣大小相同的東西都存在困難?！痹诿绹A盛頓大學研究熒光納米顆粒物的 Daniel Chiu介紹說。

　　它還讓納米燈泡研究人員得以解脫，去研究諸如半導體聚合物等可替代材料。此類聚合物含有被連接到一個長鏈中的簡單化合物，其中電子能自由移動，但僅能在由長鏈成分決定的特定能量下。自上世紀 50年代起，其在電子學中的應用潛力便得到研究。

　　當電子被諸如紫外線等一些外部光源“踢到”更高的能級上時，光線便會釋放出來，然后再降到較低的能級。這些聚合物還能被側鏈裝飾，從而賦予其特定屬性，比如使它們瞄準癌細胞，或者幫助它們在水中溶解。當鏈條被聚集形成聚合物納米顆粒或者聚合物點時，它們能比類似尺寸的量子點發出高 30倍的光亮。

　　和量子點中使用的非有機半導體相比，半導體聚合物確實沒那么穩定。不過，由于它們是基于碳的，且不含有金屬，因此更容易具有生物相容性。聚合物點被用于為細胞著色和成像，還能用作探測氧氣、酶或者諸如銅等金屬離子的傳感器。

　　例如，Chiu及其合作者在 2013年報告稱，同鋱離子結合的聚合物點能探測到細菌孢子產生的生物分子。在紫外線燈下，聚合物點發出深藍色的光，而鋱離子釋放出檸檬綠的微光。不過，當通過的生物分子附著在鋱上時，這種離子發出的光增強到明亮的綠色。聚合物點的光仍保持不變，因此它能充當內部標準。

　　借助紅外光線

　　限制納米燈泡生物學應用的另一件事情是，大多數納米燈泡吸收紫外線或可見光，而后兩者僅能往組織中滲透幾毫米。波長更長的近紅外線輻射最多能向組織中滲透 3厘米———對于釋放藥物等應用來說，這是一個更好的深度。不過，紅外光線并未擁有足夠的能量，將在納米顆粒物表面持有藥物的鍵斷開，因此很多研究人員正轉向一種被稱為“上轉換”的過程。這涉及到制造一種材料，其能吸收多種低能量紅外光子，積蓄能量，然后以更高能量的紫外或可見光子的形式重新將其釋放。

　　名為鑭系元素的重金屬元素家族在這方面尤其擅長。 2011年，來自新加坡國立大學的 Xiaogang Liu報告稱，他的實驗室創建了一種通用性很好的納米顆粒物。它含有一系列同心球殼層，其中每個包含一種不同的鑭系元素組合。來自紅外光線的能量被中心吸收，然后逐層向外遷移，出現滾雪球式增長，并且最終在靠近表面處以高能級出現。

　　15種鑭系元素能以很多種不同方式結合，以產生釋放所有顏色，有時甚至一次釋放多種顏色的納米顆粒物。在一次展示中，Liu所在實驗室的學生發射了一束紅外激光，并使其穿過含有透明納米顆粒物溶液的燒杯：紫色和綠色光線出現在燒杯中，而紅外光束則穿了過去。

　　Liu認為，這些“上轉換”納米顆粒物在太陽能（000591）光伏中擁有巨大潛力，因為它們能幫助捕捉幾乎占據太陽輻射一半的近紅外光線。不過，這距離變成現實還有很長的道路：能獲得的最亮納米顆粒物僅能轉換其吸收光線的 10%。Liu團隊正致力于建造一個由這些納米顆粒物組成的庫，以系統性地研究它們的屬性并使其變得更亮。然而，考慮到鑭系元素的數量，這并不是一項輕松的任務。

　　去年 12月，加拿大麥吉爾大學生物材料學家 Marta Cerruti報告了一個概念驗證系統，其中一種含有鑭系元素的納米顆粒被一種含有“藥物”的凝膠包裹，測試的目標則是一種致密、穩定的蛋白。在吸收近紅外光線后，納米顆粒物同時釋放出紅外光、可見光和紫外線。紅外線輻射使研究人員得以追蹤納米顆粒物的位置；紫外線會斷開蛋白同凝膠的連接，并將其釋放。目前，Cerruti團隊正計劃在動物身上進行這種測試。

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　　責任編輯：wzy