合成および生物医学的応用のための蛍光ナノ材料の進歩と挑戦

はじめに

従来の有機色素は、細胞毒性や生体適合性の低さなどの固有の欠陥のために、生物医学への応用においていくつかの困難に直面しています[1]。しかし、蛍光ナノ材料の出現は、従来の有機色素に取って代わる大きな可能性を示しています。科学者は蛍光ナノ材料の研究に多くの時間と労力を費やしており、合成と応用に関する関連する成果は刺激的なものではありません。

蛍光ナノ材料の形状、サイズ、および構造は、それらの物理的および化学的特性を決定し、それらはそれらの性能に大きな影響を及ぼします。したがって、蛍光ナノ材料の制御可能な合成は、ホットな研究トピックになっています。合成の最適な実験条件は、蛍光ナノ材料の最適なサイズ、形態、および安定性に貢献します。近年、合成法を改善することにより、蛍光ナノ材料の生体適合性を改善するために多くの努力が払われてきました[2]。金属イオンは通常、過去に蛍光ナノ材料の表面を機能化するために、カーボンドット（CD）または量子ドット（QD）でドープされていました。しかし、効果のない蛍光と根本的な毒性は、バイオイメージングとバイオラベリングへの応用に脅威をもたらしました[3]。これらの問題を考慮して、Zuo等。高効率のCD遺伝子デリバリーシステムを報告しました。フッ素をドープしたCDはソルボサーマル法で合成され、遺伝子送達のための正電荷部位は分岐ポリエチレンイミン（b-PEI）によって提供されます[4]。将来的には、新しい表面改質法がホットスポットの研究分野になることが期待できます。

図1に示すように、バイオイメージング、バイオ検出、およびいくつかの治療法を含む生物医学的応用のための蛍光ナノ材料の可能性を探求するために多くの努力がなされてきました。応用のための信頼できる蛍光は、それらの物理的および化学的特性に依存します[5]。したがって、毒性、親水性、生体適合性などの特性を改善するための研究は、生物医学分野での蛍光ナノ材料の広範な使用を実現する上で重要な部分を占めています。癌のようないくつかの病気の割合が増加するにつれて、患者からのより高い精度とコンプライアンスを備えた新しい診断と治療戦略に対する需要が高まっています[6]。現在、金属または非金属イオンのドーピングと蛍光ナノ材料の表面改質は、PL効率と生体適合性を改善するための主要な技術であり[7]、対応する研究により、蛍光ナノ材料の生物医学的応用の新しいビジョンが開かれています。

蛍光ナノ材料の生物医学的応用の概要図

蛍光ナノ材料が生物医学分野で持つ大きな可能性を考慮して、このレビューは最新の進歩と改善に重点を置いています。科学者たちは、蛍光ナノ材料の表面の機能化と生物医学的応用におけるそれらの性能に専念してきました。合理的に設計された合成戦略によってのみ、蛍光材料は、生物医学分野でのアプリケーションに不可欠な高品質のPL効率と優れた生体適合性を備えています。蛍光材料の合成と応用に関するこのレビューは、読者が現在の蛍光ナノ材料の一般的な開発動向を理解するのに役立つことを願っています。

蛍光ナノ材料の合成

量子ドット（半導体結晶）

量子ドット（QD）は、その幅広い吸収と対称フォトルミネッセンススペクトル、高い量子収率、光退色に対する高い耐性、高いモル吸光係数、および大きな有効ストークスシフトにより、過去数十年間の研究スポットでした[8]。 QDの形成メカニズムに関して、電荷キャリア（電子と正孔）が特定の領域への電位障壁によって制限されると、半導体は劇的な量子サイズ効果を示し、吸収スペクトルと蛍光スペクトルのシフトをもたらします。小さな領域は、電荷キャリアのドブロイ波長よりも小さいか、同等に、ナノ結晶の直径は、バルク材料の励起子のボーア半径の2倍未満です[9]。電荷キャリアが3つの空間次元の電位障壁によって閉じ込められると、QDが形成されます。これは、主にグループII-VI（CdSe、ZnS）、III-V（GaAs、InP）、またはIV-VI（PbS、 PbSe）。

QDの合成は、1982年に最初に報告されました[10、11]。半導体のナノ結晶と微結晶はガラスマトリックス中で成長しました。蛍光物質の開発に伴い、QDは、直接吸着法、リンカー支援吸着法、situ法、および以前の調製法の組み合わせなど、さまざまな方法で調製されてきました。以前の方法の組み合わせには、準備された半導体とQD前駆体の組み合わせ、および以前に準備されたQDと半導体前駆体の組み合わせが含まれます。この場合、半導体またはQDは別々に準備されます[12]。

QDの合成に関する一連の研究の後、多くの研究者がQDの蛍光特性の研究を報告しました。 Bawendi etal。硫化カドミウム（CdS）、セレン化カドミウム（CdSe）、テルル化カドミウム（CdTe）などの半導体前駆体を導入してサイズ分布の狭いQDを合成し、QDのサイズ依存の光学特性を調査しました[13]。それ以来、CdSeはQDの最も一般的な化学組成になり、コロイド安定性を実現するためにさまざまな表面修飾[14、15、16]または保護無機シェル[13、17]が利用されてきました。

カーボンドット

カーボンドット（CD）は、サイズが10 nm未満のナノカーボンファミリーの新しいナノ材料であり、2004年に電気泳動による単層カーボンナノチューブ（SWCNT）の精製で最初に得られました[18]。 CDは、水への溶解度が高く、細胞毒性が低く、光安定性が高く、励起に依存する多色発光、表面修飾の柔軟性が高く、細胞透過性が優れ、生体適合性が高いという理由で、半導体量子ドットを徐々に置き換えていることは注目に値します[19、20]。一般的に、CDは主にカーボン量子ドット（CQD）とグラフェン量子ドット（GQD）で構成されています。サイズを調整可能なCDの合成手法の大部分は、化学的手法と物理的手法の2つの主要なグループに大きく分けることができます[21]。

化学的合成方法

得られたCDは、優れた水溶性、化学的不活性、低毒性、機能化の容易さ、光退色に対する耐性などの優れた特性を備えているため、化学合成法がカーボンドットの調製に最も一般的に使用されています。一般に、化学合成法には、電気化学合成[22、23]、酸性酸化[24、25]、熱水炭化[26]、マイクロ波支援/超音波処理[27,28,29]、溶液化学法[30]、サポートされている合成[31]など。

数多くの合成方法の中で、電気化学的合成は過去数十年にわたって繰り返し報告されてきました。 Zhaoのグループは、電気酸化合成によって細胞毒性の低いCDを調製する新しい方法を報告しました。これにより、NaH ₂ のPtワイヤー対極で飽和カロメル電極に対してグラファイトカラム電極を酸化することによってCDを調製しました。 PO ₄ 水溶液[22]。次に、上澄みを遠心フィルター装置で限外濾過して、それぞれ青色および黄色の蛍光を有するCDを得た。リン酸緩衝液中でのグラフェン電極の電気化学的酸化による3〜5 nmの均一なサイズのGQDについて、別の直接的な電気化学的アプローチがQu etal。によって最近報告されました[23]。これらの粒子のフォトルミネッセンス（PL）の色は緑色でした。

真央他キャンドルスートを酸化剤と混合し、続いて還流、遠心分離、および透析を行ってCDを精製することにより、2007年にCDの燃焼酸化合成を完了しました。準備されたCDのフォトルミネッセンススペクトルは広い色範囲を持ち、発光ピーク波長は415（紫）から615 nm（オレンジ-赤）の範囲です。次に、得られたCDをさらにポリアクリルアミドゲル電気泳動にかけ、異なる光学的特性を持つCDを分離しました。酸性酸化は、カーボンドットなどの安定したナノ材料の調製にも広く使用されています。カーボンナノチューブ/グラファイトの酸処理と還流の後、得られた3〜4 nmのCDは、紫外線下で明るい黄色の蛍光を発し、生理食塩水で非常に安定した黄褐色の透明な液体を示しました。これにより、長波（黄色/オレンジ/赤）の蛍光を発するCDの浸透性が向上しました。 CD溶液は室温で長期間保存でき、蛍光の損失を引き起こす沈殿物は形成されません[25]。

マイクロ波/超音波合成は、徐々にそして主に合成の過程で補助的な合成技術になりました[32]。直径3〜5 nmの蛍光CDは、Xiaoのグループによって、経済的で迅速かつ環境に優しいマイクロ波支援アプローチによって合成されました[33]。このワンステップアプローチの最も顕著な特徴は、CDの形成と機能化の両方が、初めてイオン液体に由来するマイクロ波熱分解によって同時に完了したことでした[34]。反応プロセスは、炭素源として安価なイオン液体を使用する電子レンジで行われ、反応時間が進むにつれて溶液は無色から暗褐色に変化しました[35]。唐ら。単分散水溶性CDを合成するための炭素源としてグルコースまたは活性炭に基づく超音波法を使用しました。それらは明るくカラフルな蛍光を発しました[28]。同様に、Vanesa Romero etal。野菜中の炭水化物の光化学的酸化後に、高蛍光窒素（N）と硫黄（S）を共ドープしたカーボンドット（CD）が得られました。 NとSの同時ドーピングにより、CD表面の活性部位の数が増加し、その発光性能が向上します[36]。蛍光プローブである窒素ドープカーボン量子ドット（NCQD）は、ドキシサイクリンの測定にうまく適用されました[37]。 Pathak etal。マイクロ波水熱法によってチオ尿素とトリス-アセテート-エチレンジアミン緩衝液から合成された、窒素と硫黄（NSCD）との共ドープカーボンドットも準備しました。 NSCDは、多色蛍光光度法により、さまざまな病原菌やヒトの頬上皮細胞を画像化するために使用されました[38]。

上記の合成方法のほとんどは、強酸、いくつかの複雑な実験ステップ、およびCDの水溶性を改善し、それらの光発光特性を強化するために他の化合物でさらに変更する必要があることを考慮して、一部の研究チームは、複雑で時間のかかる精製および機能化プロセスを回避するためのキトサン、グルコース、クエン酸など[39]。ヤンら。は、温和な温度でのキトサンの熱水炭化による量子収率（QY）7.8％の高度にアミノ官能化された蛍光CDのワンステップ合成法を説明しました。この方法では、強酸溶媒も表面不動態化試薬も必要ありませんでした。さらに、CDの表面の官能基は、水溶性を改善し、潜在的な生物毒性を低減しました[26]。マルチドープカーボンドット（MCD）は、明るく色調整可能な発光を持ち、表面をさらに不動態化することなくワンポット法で合成されました。合成されたMCDは、豊富な生体元素（O、N、P）でドープされているため、強い蛍光発光と励起波長依存特性、良好な水溶性、高い光学安定性、およびイオン安定性を示します。 MCDは、Fe ³⁺ を選択的かつ高感度に検出できるだけではありません。 15.9 nmで検出される青色光の下で、細胞内Fe ³⁺ も測定します。 マルチカラー蛍光イメージング[40]を介して。

溶液化学法では、過去数十年にわたって、アリール基の酸化凝縮がGQDの調製にうまく適用されてきました。望ましいサイズと構造を持つ安定したコロイド状GQDは、可溶化戦略を採用したLiのグループによって製造されました。この方法は、非実用的なサイズ分離プロセスなしで、CDのサイズ調整可能性と狭いサイズ分布を実現しました[30]。サポートされている合成手順に関しては、多くの研究チームがそれを利用して、ナノサイズのCDなどの単分散ナノ材料の合成を完了しています。 Zhuのグループは、ナノリアクターとしてメソポーラスシリカ（MS）球を採用し、炭素前駆体としてクエン酸を採用し、1.5〜2.5nmのサイズの親水性CDを含浸法で調製しました。 23％の高いフォトルミネッセンス効率を備えたCDは、強い青色発光を発することができ、優れた変換発光特性を示しました[31]。明るい黄色を発するカーボンドット（Y-CD）は、Yan etal。によって作成されました。炭素源として無水クエン酸を使用し、窒素源として2,3-フェナジンジアミンを使用するソルボサーマル法による。豊富なカルボキシル基を持つY-CDは、かなりの蛍光量子収率（24％）、188 nmのストークスシフト、高感度、優れた安定性を示しました[41]。 CDの合成方法と特性を表1に示します。

物理的な合成方法

一般に、物理的な合成方法には、主にアーク放電、レーザーアブレーション/パッシベーション、およびプラズマ処理が含まれます。 Xuとその同僚は、アーク放電煤をHNO ₃ で酸化しました。 次に、ゲル電気泳動によって懸濁液をSWCNTに分離しました。彼らは最終的に、蛍光性の高いカーボンドットナノ粒子の動きの速いバンドを分離しました[18]。前駆体としてナノカーボン材料を使用し、液体媒体として環境に優しい溶媒を使用するCDは、Liらによって作成されました。穏やかなレーザーアブレーションアプローチを介して[44]。さらに、悟空と同僚は、酸素プラズマを使用すると、単層グラフェンに強い蛍光を誘発できることを実証しました[45]。

カーボンナノ粒子

細胞毒性が低下し、光退色に対する耐性があり、生体適合性が高い蛍光カーボンナノ粒子は、バイオイメージングやその他の生物医学的用途でますます注目を集めています。 1〜6 nm以内のカーボンドットの一般的なサイズと比較すると、カーボンナノ粒子のサイズは20 nmを超えているため、分離、精製、収集の手間が省けます[46]。カーボンナノ粒子の合成方法は、熱水炭化、マイクロ波処理、化学アブレーション法、レーザーアブレーションなどのカーボンドットに似ています。これらの方法には独自の利点がありますが、ナノ粒子のサイズを効果的に制御することはできません。電気化学的炭化は、カーボンナノ粒子のサイズと発光特性を制御できるシングルステップの方法です。残念ながら、この方法で利用できる基板はごくわずかです。現在、五酸化リン燃焼法など、いくつかの新しい興味深い方法が報告されています[47]。

近年、生物医学的応用に適したカーボンナノ粒子は、改良された方法で合成されています。 Santu etal。レゾルシノールの制御された炭化により、高品質の赤色蛍光カーボンナノ粒子の合成を解決しました[48]。このアプローチには、脱水に関連する酸化フェノールカップリングが含まれ、赤色蛍光カーボンナノ粒子を形成します。アナラら。修正された水熱法を使用して、6.08％の量子収率で蛍光カーボンナノ粒子を合成しました。数時間までの長時間の熱処理が必要な従来の方法と比較して、この方法は反応時間を30分未満に短縮し、蛍光カーボンナノ粒子の迅速な合成を実現しました[46]。

カーボンナノチューブ

一次元（1D）カーボンナノチューブは、その優れた電子的および光学的特性により、生物医学分野で大きな注目を集めています。カーボンナノチューブは、円筒形のグラフェン層の数に応じて、単層カーボンナノチューブ（SWCNT）と多層カーボンナノチューブ（MWCNT）に分けることができます。 SWCNTは、シリンダーに巻かれたグラフェンシートの単層で構成されていますが、MWCNTは、グラフェンシートのいくつかの同心層で構成されています。カーボンナノチューブの外径は100nm未満ですが、長さが数ミリメートルに達する可能性があるため、アスペクト比が非常に高くなり、表面積が大きくなります[49]。さらに、カーボンナノチューブ内の炭素原子の独特な配置は、ナノチューブの外側に豊富なπ電子共役を形成します[50]。さらに、カーボンナノチューブはNIR領域で強い吸収と蛍光を発します[51]。これらの特性はすべて、生体分子との効果的な相互作用に貢献し、カーボンナノチューブを生物医学的用途の理想的な候補にします。

合成法は、カーボンナノチューブの直径、長さ、構造、キラリティー、品質に大きな影響を与えますが、その一方で、この方法が大規模生産に適しているかどうかを検討する必要があります。一般的に使用される方法には、アーク放電[52]、レーザーアブレーション[53]、および化学蒸着[54]が含まれます。これに加えて、カーボンナノチューブは、その溶解性を改善し、溶媒や生物学的媒体に凝集するのを防ぐために機能化する必要があります。共有結合による官能化は、カーボンナノチューブの構造に欠陥をもたらし、NIR蛍光の劇的な減少または完全な喪失にさえつながります。ポリマーなどの両親媒性分子による非共有官能基化は、カーボンナノチューブの構造と蛍光特性を維持しますが、カーボンナノチューブのQYを低下させます。これらの障害を克服するために、カーボンナノチューブを合成および機能化するための新しい方法が最近報告された。 Lee etal。還元剤であるジチオスレイトールの添加により、SWCNTの蛍光QYが初めて向上し、QDと同等の明るさのフルオロフォアが得られることが報告されています[55]。 Hou etal。さまざまな界面活性剤で官能化されたSWCNTへのジチオスレイトールの添加を調査しました。 DNAおよびSDSで包まれたSWCNTの場合、それらの蛍光QYは大幅に増加しましたが、他の界面活性剤ではさまざまな程度の蛍光消光が観察されました[56]。結果として、DNAまたはSDSで包まれたSWCNTへのジチオスレイトールの添加は、生物医学におけるカーボンナノチューブの適用を達成するための実行可能な解決策です。

グラフェンベースのナノ材料

二次元カーボンナノ材料として、グラフェンとその誘導体は、バイオイメージングやドラッグデリバリーなどのさまざまな生物医学的用途のために広く研究されてきました。グラフェンナノ材料には、グラフェンナノシート、酸化グラフェン（GO）、および還元型酸化グラフェン（rGO）ナノシートが含まれます。それらは、高い表面積と独特の表面特性を持ち、染料分子、生体分子、および水不溶性薬物との非共有相互作用を可能にします。 2004年に初めてグラフェンの調製に成功して以来、多くの研究者がさまざまなグラフェンの調製方法を報告しています。グラフェンナノ材料の合成方法は、トップダウンとボトムアップの2つのカテゴリに分類できます。

トップダウン方式では、積み重ねられたグラファイト層から分離してグラフェンシートを形成します。これには、機械的剥離[57]、溶媒ベースの剥離[58]、電気化学的剥離[59]が含まれます。 Gu etal。超音波支援溶剤ベースの角質除去を体系的に研究し、超音波が優れた角質除去効果を持っていることを発見しました。それらはまた、グラフェンシートのサイズと厚さの分布に影響を与える可能性があり、制御可能な合成を可能にします。ボトムアップアプローチには、代替炭素源を使用した炭素原子の再編成が含まれます。エピタキシャル成長[60]と化学蒸着（CVD）[61]は、最も一般的に使用されているボトムアップ合成法です。多くのsp ² で構成されるGOシート 酸素含有基によって分離されたドメインは、Hummerの方法を使用して合成できます。これらのsp ² のサイズのバリエーション ドメインにより、GOシートのPLは500〜800nmの範囲になります[62]。 rGOは、ハイドロキノンやヒドラジンなどの還元剤を使用した化学還元によってGOから誘導されます。 GOと比較して、rGOの蛍光は、新しく形成された結晶sp ² 間のパーコレーション経路に起因する蛍光消光とともに、UV領域で青方偏移した発光を示しました。 クラスター[63]。 Akbari etal。 sp ³ の比率が / sp ² GOシートのドメインが蛍光スペクトルを決定します。したがって、GOは、さまざまな還元度で広範囲の波長にわたって有望な蛍光ナノ材料であり、生物医学的用途に使用できます。

金属ナノ材料

貴金属原子は、同時に量子ドットと比較して細胞毒性が低くなります。金、銀、銅のナノ粒子はますます注目を集めており、多くの分野に適用されています。生物医学分野では、フォトルミネッセンス発光やプラズモン共鳴などの金ナノ粒子の量子力学的効果により、金ナノ粒子（AuNP）は、細胞毒性の低い別のin vivoナノセンサーの理想的な候補になります[64、65]。

AuNPは、その合成の容易さと独自の特性により、幅広い科学的関心を集めており、さまざまな合成方法が報告されています。最も重要な方法の1つとして、化学的方法は一般に、安定剤の存在下でクロロ金酸塩の水溶液を還元剤で処理することによって実行されます。クエン酸は主に広く使用されており、安定剤と還元剤の両方として機能します[66]。ただし、クエン酸で安定化されたAuNPは、チオレート配位子による官能基化の開発中に不可逆的な蓄積を経る可能性があります。この問題は、水溶性ポリマー、界面活性剤、またはキャッピング剤の存在下で反応を起こさせることで克服できます。これらは、より高い安定性を提供し、ナノ粒子の凝集を防ぐのに役立ちます。 AuNPのサイズと形状は、クエン酸金の比率、表面改質剤、または反応条件を変更することで制御できます。ワンポット超音波乳化法を用いて、Zhangと彼の同僚は、ビス（4-（N-（2-ナフチル）フェニルアミノ）フェニル）-フマロニトリルとAuNPをミセルに同時充填してナノプローブを得ました[67]。とりわけ、得られたナノプローブは、インビボでの腫瘍標的イメージングおよび診断に適用される可能性が高く、金ナノ粒子の存在にもかかわらず、優れた蛍光イメージング能力を処理しました。 AuNPは特定の実験条件下では無毒ですが、毒性と副作用を徹底的に調べる必要があります[68]。

蛍光Agナノクラスターは、その独特の物理的および化学的特性のために多くの注目を集めてきました。このようなナノクラスターの合成プロセスは、安定化足場によってDNAオリゴヌクレオチド、ペプチド、タンパク質、デンドリマー、およびポリマーに分類されます。その上、広範な文献は、 Dの水性茎抽出物の適用など、いくつかのグリーン合成を実証している。カラタチとS.アルバ 準備条件を最適化するため[69]。

Cuナノクラスター（Cu NC）は貴金属材料として比較的広く使用されていますが、酸化に対する脆弱性のため、合成はまだ不十分です。最近、川崎ら。マイクロ波支援ポリオール法による安定したCuNCの調製に成功しました[70]。 DNAは、蛍光CuNCの合成のテンプレートとして使用できます。 Mohir etal。溶液中の二本鎖DNAに基づいて、選択性の高いCuNCを得る方法を提案しました[71]。 Cu NCの蛍光特性を使用して、RDXの選択的測定のための効果的な蛍光ターンオンシグナルインジケーターとしてうまく利用されました[72]。

シリカナノ粒子

埋め込まれたフルオロフォアの透明性、機械的安定性、堅牢性、および安定化の特性を考慮して、シリカナノ粒子は生物学的領域に広く適用されています。たとえば、Zn ²⁺ の細胞内検出に適用されるシリカコア/シェルNP およびH ₂ PO ₄ ⁻ 生細胞では、「オフ/オン」蛍光ナノセンサーとして合成されました。近年、有機色素をドープしたシリカナノ粒子が合成され、バイオ検出などの多くのアプリケーションで広く使用されています[73]。シリカナノ粒子に最も広く使用されている合成方法は、ストーバー法と逆マイクロエマルジョン法です。 1960年代に最初に記述されたストーバー法[74]は、ケイ酸アルキルの加水分解と、それに続くアンモニアの添加によって触媒されるアルコール溶液中でのケイ酸の凝縮を伴います。シリカNP形成の2番目の方法である逆マイクロエマルジョン法は、油中水型マイクロエマルジョンの水滴内でのケイ酸アルキル、通常はTEOSの反応を伴います[75]。彼等。粒子のコアに染料を埋め込むことにより、ストーバー法と逆マイクロエマルジョン法でシリカナノ粒子をドーピングする3種類の染料を調製しました。 Zn ²⁺ に機能的に反応するいくつかの分子 粒子表面に堆積します[76]。蛍光シリカナノ粒子は、細胞内Zn ²⁺ の蛍光画像に使用されました。 （H ₂ PO ₄ ⁻ ）HeLa細胞で。 Zn ²⁺ の場合 比例Zn ²⁺ に追加されました ナノセンサー、ナノ粒子は、H ₂ の濃度をレシオメトリックに検出する能力を示しました PO ₄ ⁻ 。

一般に、良好な単分散性と生体適合性を備えたシリカナノコンポジットは、官能基でさらに簡単に修飾することができます[77、78、79]。 Lee etal。磁性ナノ粒子と蛍光色素をシリカナノ粒子にドープしました。これらのシリカナノコンポジットは、磁気共鳴（MR）および蛍光イメージング用のマルチモーダルイメージングプローブとしてだけでなく、抗がん剤送達担体としても使用できます[80]。一言で言えば、シリカ粒子は、非常に拡張された用途を持つそのような場合の研究スポットになる可能性があります。

リン光物質

リン光物質は、組織からの自家蛍光と光散乱干渉を低減するという独自の利点があるため、生物医学で広く使用されています。一般に、リン光物質はホスト材料とドープされたイオンで構成されています[81]。リン光物質の母材のうち、酸化イットリウム（Y ₂ O ₃ ）は、その低い光耐久性とそのフォノンエネルギーのために有望以上のものです。ランタニドは、その豊富な電子準位とエネルギー移動チャネルを考慮して、主にリン光物質にドープされています。熱水[82]、火炎噴霧熱分解[83]、ゾルゲル[84]、共沈プロセス[85]など、リン光物質の調製には多くの方法が報告されています。

水熱合成は理想的なプロセスとして浮上しており、リン光物質の合成に効率的かつ経済的であることが証明されています。 Yu etal。合成されたY ₂ O ₃ ：Eu ³⁺ クエン酸ナトリウムの存在下での水熱法によるリン光物質[82]。クエン酸ナトリウムの濃縮物、水熱プロセスでのNaOHとEuの添加量によって、得られるリン光物質の特性が決まりました。フレームスプレー熱分解は、酸化物ベースのリン光物質を迅速かつ連続的に合成するための有望な方法です。従来の方法と比較して、この方法は、高い結晶化度と均一なドーパント分布を備えたリン光物質を提供します。カーンら。 Tb ³⁺ の生成に成功 –ドープされたY ₂ O ₃ フレームスプレー熱分解を使用した、直径が約100 nmで、サイズ分布が狭いリン光物質[83]。彼らの方法では、アルカリ塩を他の金属硝酸塩前駆体と混合し、狭い範囲でサイズ分布を効果的に制御しました。ゾルゲル合成ルートには、高い均一性と純度、合成時間の短縮、均一な粒子形態、狭い粒子サイズ分布など、いくつかの利点があります[86]。レオナルドら得られたSm ³⁺ ドープされたSiO ₂ -Gd ₂ O ₃ ゾルゲル法によるリン光物質[84]。共沈は、結晶性リン光物質を合成するための一般的で簡単な方法であり、高い均一性と制御された形態特性を保証します。 Perhaita etal。リン光物質の相組成は沈殿中のpHに強く依存することが報告されています[85]。

有機フレームワーク

共有結合性有機フレームワーク（COF）は、優れた安定性、吸着性、低毒性を備えた新しい多孔質結晶材料です。蛍光測定法を組み合わせた蛍光小有機分子の設計は、より効率的なナノプローブを構築するために使用できます[87]。選択的な2,4,6-トリニトロフェノール（TNP）の測定のために、新しいナフタルイミド-ベンゾチアゾールコンジュゲートを比色および蛍光ナノプローブとして調製しました。受容体の蛍光発光ピークはTNPによって選択的に消光され、検出限界は1.613×10 ^–10 と低くなりました。 M。

金属有機フレームワーク（MOF）は、金属イオンとリンカーによって形成されたさまざまな穴と機能化された3D結晶構造を備えた、一種の新世代の多機能無機有機材料です。 MOFは、優れた化学的持続性、比表面積、細孔の閉じ込めなどの独自の属性により、分離、触媒作用、およびその他の側面での潜在的な用途を示しています。一部のMOFは発光性であり、量子収率と光強度は温度と励起波長の影響を受けます[88]。ドキシサイクリンの追加で、Yu等。ピロメリット酸とユーロピウムの新しい機能性金属有機フレームワークを合成しました。これは、526nmと617nmで顕著な蛍光増強を示しました。結果は、両方の蛍光強度がドキシサイクリン濃度と正の相関関係にあることを示した。このシステムの独自の蛍光応答により、ドキシサイクリンと他のテトラサイクリン抗生物質を高い選択性で区別できます。

蛍光ナノ材料の生物医学的応用

バイオイメージング

バイオイメージング用の量子ドット

蛍光ナノ材料は、バイオイメージングで広く使用されています。従来の有機蛍光分子と比較して、蛍光ナノ材料は、高い光安定性、調整可能な発光スペクトル、高い量子収率など、多くの優れた特性を備えています[89]。

早くも1998年に、QDは生物学的イメージングに最初にうまく適用されました[90]。それ以来、この分野での量子ドットのアプリケーションは徐々に湧き出てきています。 Chenのグループは、生細胞での優れた安定性と生体適合性を備えたバイオイメージングと核ターゲティングにそれを適用しました[91]。 QDの非常に高い感度と空間分解能にもかかわらず、親水性と生体適合性のパフォーマンスが低いため、invivoでのバイオイメージングへの応用が妨げられていました。この問題に取り組むために、量子ドットの表面にチオールまたは他の親水性基を結合することにより、量子ドットの水溶性を大幅に改善できることがわかっています[92]。同様に、in vivoでの標的イメージングの有効性と特異性を向上させる目的で、標的分子がQDの表面に付着します。さらに、QDのサイズを変更することにより、発光の波長領域を制御できます。

QDと無機金属イオンの組み合わせは、ドープされた無機金属イオンの比率を制御することによってQDの欠陥サイトPLピークが完全に除去されるため、バイオイメージングでのQDのアプリケーションを最適化できます。桑畑聡他Ga ³⁺ の次数を変調 Ag–In–Se量子ドットでのドーピング。したがって、QDの欠陥部位のPLピークは完全に除去され、鋭いバンドエッジ発光ピークが現れます[93]。彼らは、890〜630 nmの範囲のバンドエッジPLピークの青方偏移を発見しました。これは、量子ドットのエネルギーギャップがGa ³⁺ によって拡大されたという事実に起因すると考えられます。 ドーピング。マウスにQDを注入した後、AIGSe @ GaS _x の可能性 バイオイメージングのコアシェルQDは満足のいくものでした。マウスにおけるこの種のQDのイメージング効果は、図2に示されています。ただし、暗電流とノイズが増加するため、中赤外波長の検知は困難です。コロイド法で合成されたHgTeQDは、暗電流が低く、温度が高く、検出率が高いため、IRバイオイメージングの有望な候補です[94]。

DSPC-AIGSe @ GaS _x を皮下注射したマウスのX線CT画像に重ね合わせた3次元PL画像 リポソーム分散液（各50mm ³ ）後ろに[78]

バイオイメージング用のカーボンドット

現在の蛍光ナノ材料の光安定性が低いため、長期的なバイオイメージングが大幅に妨げられています。この制限を克服するために、CDはバイオイメージングのために研究されており、PL効率の優れたパフォーマンスにより、いくつかの肯定的な結果が得られています。それらの水溶性を改善し、生物におけるそれらの毒性を低下させるために多大な努力が払われてきた。現在、ほとんどのCDはバイオイメージングの障壁に直面しています。つまり、それらの短波長励起は組織への深い浸透を不可能にします。これとは別に、短波長に長時間さらされると、生きている細胞や組織に不可逆的な損傷を与える可能性があります。図3に示すように、この欠陥を克服することを目的として、Gao etal。貴金属イオン（Pt ²⁺ ）のバイオイメージングに使用された赤色発光の蛍光CDを設計しました 、Au ³⁺ 、Pd ²⁺ ）細胞およびゼブラフィッシュ[95]。 Sunとその同僚は、最初に、モデルとしてマウスを使用して、生体内でCDの近赤外線（NIR）イメージングを研究しました。最近、豊富なスルホキシドまたはカルボニル基を含む分子またはポリマーが、表面修飾を通じてNIR蛍光を増強できることが報告されました。図4に示すように、NIR励起下では、スルホキシドまたはカルボニル基がCDの外層とエッジに結合します。したがって、電子遷移が促進され、光学バンドギャップに影響を与えます[96]。

A Pt ²⁺ の共焦点イメージング PC12細胞で。 （a1–e1）明視野画像。 （a2–e2）Pt ²⁺ の濃度が異なるPC12細胞のCDのブラックフィールド画像 （0、25、50、150、および300μM）。 （a3–e3）画像をオーバーレイします。 B Pt ²⁺ の蛍光イメージング ZFで。 （a1–e1）明視野画像。 （a2–e2）さまざまな濃度のPt ²⁺ を使用したZFのCDの蛍光画像 （0、30、60、100、および150μM）[80]

未処理のCD（左の列）とS =O / C =Oに富む分子で修飾されたCD（右の列）の構造とエネルギー準位の整列の概略図。赤（酸素原子）と緑の二重結合ボールは、C =O / S =Oに富む分子を表しています[81]

バイオイメージング用のカーボンナノ粒子

バイオイメージングの分野では、蛍光カーボンナノ粒子は、従来の蛍光プローブに比べて独特の化学的および光学的特性を示します。さまざまなサイズ、形状、および元素組成により、さまざまな機能を備えたカーボンナノ粒子が作成されます。生物医学分野は常に最も有望な蛍光カーボンナノ粒子を求めています。 Gaurav etal。レーザーアブレーション法で、より大きなサイズとより小さなサイズの両方のカーボンナノ粒子が得られました[97]。カーボンナノ粒子とインキュベートした細胞では、緑色と青色の両方の蛍光が観察され、サイズが異なることが示唆されました。細胞生存率の結果は、調製されたカーボンナノ粒子が無毒であり、バイオイメージング用途に安全であることを示しました。 Shazid etal。生体適合性ヒアルロン酸から誘導された蛍光カーボンナノ粒子を得るために炭化法を採用しました。インビトロおよびインビボの両方のバイオイメージング研究は、調製されたカーボンナノ粒子が光学イメージングに対して信頼性があり安定していることを示した。さらに、実験データに基づいて、それらの細胞毒性は生物医学的用途に耐えられることが証明されました。

バイオイメージング用カーボンナノチューブ

NIRでのカーボンナノチューブの蛍光は、生体組織での光の侵入深さが良好であるため、高い注目を集めています。しかし、それらの低い量子収率はかなりの励起線量を必要とし、かなりの程度の青方偏移と生体組織への浸透の失敗につながります。 Mandal etal。リン脂質-ポリエチレングリコールにカプセル化された、明るく生体適合性のあるp-ニトロアリール官能化SWCNTは、バイオイメージングアプリケーションに適していると報告されています。準備されたSWCNTは、超低励起強度を使用して、生きている脳組織で高い信号対雑音比のイメージングを可能にしました。 NIRでの1160nmの放射は、最適な蛍光イメージング結果を提供することを保証します[98]。 Ceppi etal。 SWCNTベースの蛍光イメージングを卵巣癌マウスモデルの減量手術に適用しました。 SWCNTは、卵巣癌で過剰発現しているSPARCタンパク質に結合する修飾ペプチドを運ぶM13バクテリオファージに結合し、術中の腫瘍減量をガイドするリアルタイムイメージングにつながります。このイメージングシステムは、200μmのピクセル制限解像度でNIRウィンドウでの検出を可能にし、患者の蛍光イメージングガイド付き手術の真の可能性を示しています[99]。

さらに、蛍光部分はカーボンナノチューブバックボーンによって結合することができ、これは強力な蛍光能力と強力なメカニズム強度を統合し、理想的なバイオイメージング結果を示します。 Katharina etal。両親媒性C ₁₈ で官能化されたSWCNT -明るいペリレンビスイミドフルオロフォアと結合したアルキル化ポリマー。 SWCNTバックボーンを包むポリマーは、水の分散性を高めるだけでなく、シールドを提供することで生体適合性を促進します。 HeLa細胞に関するinvitro研究は、SWCNTの生体適合性が劇的に改善されることを示しました。顕微鏡研究では、ペリレンビスイミドを介したSWCNTの細胞取り込みとSWCNT放出の直接イメージングにより、バイオイメージングの可能性が証明されました[100]。 Park etal。カーボンナノチューブとムール貝接着タンパク質を組み合わせたもので、組織内の腫瘍を特異的に標的にすることができます。次に、ZW800 NIRフルオロフォアと結合したカーボンナノチューブを作成して、NIR蛍光イメージングを取得しました[101]。調製されたカーボンナノチューブプローブは、特定の腫瘍と1時間で反応し、尿を介して簡単に除去できるため、腫瘍のイメージングおよび検出剤として大きな価値があります。

バイオイメージング用のグラフェンベースのナノ材料

大きな表面積と実現可能なさらなる機能化により、グラフェンベースのナノ材料は生物医学的応用の有望な候補となっています。ただし、その化学的構造の結果として、グラフェンナノシートはフォトルミネッセンスを欠き、rGOは弱い蛍光しか表示しないため、バイオイメージングアプリケーションでの利用が困難になります。多くの研究者は、グラフェンとその誘導体の大きな表面に蛍光色素とプローブを結合させることにより、この問題を解決しようとしました。 Sun etal。蛍光プローブRACDを調製するための組み立て戦略を報告しました。π-π相互作用と水素結合を介して単層GOを機能化しました。再溶出するナノ材料は、蛍光プローブが凝集度を低下させ、RACDとGOの間の強力な相乗効果に起因する非常に良好な単分散、親水性、および光安定性を獲得することを示しました[102]。それでも、蛍光消光はこれらの材料にとって依然として重要な問題です。さらに、グラフェンベースの材料と蛍光部分を接続するために適用されるポリマーの生体適合性と毒性は十分に調査されていません。これらの事実は、バイオイメージングアプリケーションでグラフェンとその誘導体を利用するための代替ソリューションを求めています。ジョージア他望ましい生体適合性と調整可能な蛍光特性を示す本質的にフォトルミネッセンスなグラフェン誘導体を開発しました[103]。それらは、それぞれ異なるアミン官能化ドデシルアミンおよびヘキサメチレンジアミンを有する親有機性または親水性であり得る。固有の蛍光グラフェンベースのナノ材料は、さまざまなバイオイメージングの分野で大きな可能性を秘めています。

バイオイメージング用の金属ナノ材料

近年、蛍光金属ナノ粒子は、病気の診断と治療を改善するためのバイオイメージングにおいて大きな可能性を示しています[104]。金は、バイオイメージングに最も一般的に使用される金属です。 AuNPの表面は、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、核酸などのさまざまな生体分子で簡単に修飾できます。これらの生体分子は、インビボで特定の細胞または細胞小器官と相互作用することができ、これにより、AuNPを標的光学イメージングに使用することが可能になります。 Gao etal。は、Au結合親和性と核標的化能力の両方で構築された二機能性ペプチドで作製されたAuNPによる核のリアルタイムinsituイメージングを報告しました。二機能性ペプチドは、AuNPに対して強い結合親和性を示し、ナノ粒子の良好な表面被覆を保証しました。これにより、細胞内の核の正確なバイオイメージングに安定かつ効率的になりました[105]。 Au-Se結合は、細胞内チオールの干渉に対する強力な能力により、ペプチドとAuNPを結合するためのAu-S結合よりも優れた候補と見なされます。パンら。直接凍結プロセスによりAu-Se-ペプチドナノプローブを調製しました。得られたナノプローブは、化学療法薬で処理された癌細胞のオートファジーとアポトーシスを特定するためにうまく適用されました[106]。

新しい蛍光イメージング技術として、DNAテンプレート銀ナノクラスター（DNA-Ag NC）は、その独自の特性、特にDNA配列に依存する調整可能な蛍光発光範囲により、多くの科学者の注目を集めています。ただし、高度に負に帯電したDNAバックボーンは、生理学的環境での安定性と細胞透過性が低いため、バイオイメージングの広範なアプリケーションにとって常に大きな障害となっています。 DNA-AgNCのPL特性と蛍光効率が満足のいくものとはほど遠いことも注目に値します。結果として、DNA鎖の表面の負電荷を中和する方法を理解することは、研究者にとって非常に緊急です。最近、Lyuらは、正に帯電した高分子電解質とDNA鎖の負に帯電したリン酸基との間の静電力を介して、カチオン性高分子電解質で蛍光DNA-Ag NCを修飾することに成功し、3倍の蛍光強度の増強をもたらしました[7]（図5 ）。 Li etal。は、正電荷を持つ金ナノクラスターと負電荷を持つ銀ナノクラスターを静電相互作用によって凝集体を形成するための簡単な戦略を報告しました。信じられないほどの40倍の蛍光強度の増強が得られました。結果は、生理学的安定性が大幅に向上し、細胞透過性も向上したことを示しており、将来の実用化が期待されます。

細胞イメージング用のFLDNA–Ag NC–カチオン性高分子電解質複合体の形成[7]

バイオイメージング用のシリカナノ粒子

色素をドープした蛍光シリカナノ粒子は、生細胞と全身をモニタリングするための新規で理想的なプラットフォームとして、バイオイメージングの大きな可能性を秘めています。外側のシリカシェルマトリックスは、フルオロフォアを外側の化学反応因子から保護するだけでなく、内側の不溶性ナノ粒子に親水性シェルを提供します。これにより、有機蛍光色素に対する光安定性と生体適合性が向上します。シリカマトリックスの堅牢な構造の恩恵を受けて、色素をドープした蛍光シリカナノ粒子は、優れた生体適合性、親水性の特徴、高い蛍光強度など、いくつかの優れた特性を備えています[107]。

Jiao etal。また、色素をドープした蛍光シリカナノ粒子に局所疎水性ケージを構築して、光学特性を改善しました。これにより、シリカナノ粒子の堅牢な構造の恩恵を受けた有機蛍光色素による、凝集による消光（ACQ）と水性媒体での光安定性の低下の問題が解決されます。 108]。さらに、遊離色素と比較して、水溶液と生細胞の両方の蛍光強度は、分子運動の制限により12.3倍の増強を示し、生物医学的用途におけるシリカナノ粒子の重要な開発を示しています。 QDは、in vivo とinvitro の両方でバイオイメージングを行うために開発されました。 それらの優れた光学的品質のため。ただし、生体内でのQDのアプリケーションで直面する重大な障害は、生体適合性が低いことです。有機色素共役シリカ-NPに着想を得て、QDを埋め込んだシリカ-NPも発明されました。これは、QDの優れた光学的品質を維持できると同時に、シリカ-NPコートが生体適合性を大幅に向上させるという利点があります。ダーウィッシュら。多くのQDが中央のシリカナノ粒子の周りに集まって超NPアセンブリを形成できると報告しました。感度が高く、信号対バックグラウンド比が優れているため、バイオイメージングの強化に使用されることが期待されていました[109]。理想的な光学特性を備えた蛍光ナノ材料と結合したシリカ-NPは、今後も研究の主な関心事であると信じる理由があります。

バイオイメージング用のリン光物質

バイオイメージングの場合、リン光物質のサイズは、生細胞と統合するのに十分小さいように制御する必要があります。さらに、生体適合性のために粒子の凝集を避ける必要があります。したがって、水溶液中の粒子サイズと分散度の両方の制御は、リン光物質のバイオイメージングアプリケーションに不可欠です。 Atabaev etal。準備されたEu、Gdを共ドープしたY ₂ O ₃ 61〜69nmの範囲内で球状の形態を持っていたリン光物質。強化されたPL発光と低毒性により、これらのリン光物質はバイオイメージングアプリケーションに適しています[110]。

アップコンバージョンナノマテリアルは、低エネルギーの近赤外光子を発光として高エネルギーの光子に変換することができます。このアンチストークスフォトルミネッセンスプロセスは、バイオイメージングアプリケーションでのバックグラウンドノイズの低減、組織の侵入深さの拡大、および光損傷の低減につながります[111]。ランタニドベースのリン光物質は、その光耐久性と低いフォノンエネルギーにより、アップコンバージョン発光を示すことができます。 Nallusamy etal。 Er ³⁺ に基づくNIR–NIRバイオイメージングシステムを報告しました ：Y ₂ O ₃ 980nmの励起下で1550nmのNIR発光を使用することにより、リン光物質を生成します。これにより、紫外線または可視光の励起よりも生体組織への侵入深さが深くなります[112]。さらに、Er ³⁺ の表面 ：Y ₂ O ₃ 生理学的条件下での化学的耐久性と分散安定性を改善するために静電的にPEG化されました。 Thakur etal。合成されたHo ³⁺ / Yb ³⁺ 共ドープされたGdVO ₄ 修正されたゾルゲル法によるリン光物質。調製されたリン光物質は、NIR励起下で鮮やかな赤色のアップコンバージョン発光を示しました。これは、生体分子のバイオイメージングに役立つ可能性があります[113]。

バイオイメージングのための有機フレームワーク

MOF成分を注意深く選択すると、超高多孔性で熱的および化学的安定性の高い結晶が得られ、その一部は発光性です[114]。最近、Sava Gallisのグループは、深紅からNIR領域をカバーする、614〜1350nmの広いスペクトル領域を示す新しい多機能MOF材料プラットフォームについて説明しました。多孔性と調整可能な放出特性の両方により、それらはinvivoバイオイメージングに非常に適しています[115]。さらに、悪性組織に対するMOFの低い選択性の障害を克服するために、Liu etal。クエンチャーとしてZrMOFナノ粒子を使用してDNAアプタマーを結合することにより、ターゲット誘導バイオイメージングを開発しました[116]。 ZrMOFナノ粒子の消光に基づいて、ターゲットとの結合時にターゲットが誘導するバイオイメージングが実現されます。

バイオ検出

蛍光ナノ材料は蛍光シグナルを大幅に増幅し、生物と適合性があるため、生体分子の迅速な検出への応用に関する研究がますます増えています[117]。蛍光ナノマテリアルによるリアルタイム検出システムを確立できれば、分析時間を大幅に短縮できます。 QDプローブを同時に使用することで複数の検出が可能であることが発見されました[118、119]。

病原体の検出

病原体は何世紀にもわたって人間の健康に無視できない脅威であり、これらには細菌（病原性大腸菌、サルモネラ菌、肺炎球菌）に至るまでの多くの種類の微生物が含まれます。 ）およびウイルス（コロナウイルス、インフルエンザウイルスおよび肝炎ウイルス ）。しかし、病原体を検出するための従来の方法では、検出限界と検出速度を改善する必要があります。 Tanらは、病原体の検出への応用について、20分未満の費用でinsitu病原体定量化のためのバイオコンジュゲートナノ粒子ベースのバイオ検出を報告しました[120]。タンの成功は、迅速で便利な病原体の検出が可能であり、将来これらの独創的なナノ材料で達成できることを約束します。ここでは、表2に示すように蛍光ナノ材料によって検出された多様な病原体をリストします[119、121、122、123、124、125、126、127、128、129]。

核酸の検出

病原体の検出とは別に、蛍光ナノ材料はまた、DNAの検出において科学者の関心をますます高めています。蛍光ナノ材料の表面に多数の生体分子を付着させることができるというメリットにより、DNA検出における蛍光ナノ材料の信号強度を大幅に高めることができます。 Tanらは、高感度と光安定性を備えたバイオコンジュゲート色素ドープ蛍光シリカナノ粒子を使用して遺伝子産物を検出するDNA検出法を開発しました[130]。核酸の分析はリアルタイムのナノマテリアル蛍光システムによって成功裏に達成されましたが、複雑な手順や高価な機器など、まだ多くの欠点があります。これらの欠点に対処するために、Wangのグループは、鎖交換増幅（SEA）とイムノクロマトグラフィーストリップ（LFA）の組み合わせによる高感度で視覚化された核酸の検出を導入しました[131]。限られた資源を必要とする分野で広く利用できるシステムは、主にSEAとLFAを統合することを特徴としています（図6）。バイオアナリシスの非常に高い蛍光シグナルが、これらのアプリケーションでかけがえのない役割を果たしていることは否定できません。

核酸検出用のSEA-LFAストリップの概略図[110]

薬物の検出

薬物分析の分野では、特定の医薬品化合物の高速検出のために、簡単で低コストの分析方法が常に求められています。薬物のリアルタイム検出は、その卓越した光学特性により、選択的かつ高感度の蛍光ナノ材料で実現できます。過去10年間で、ナノマテリアルの改変により、検出限界が低下し、検出精度が大幅に向上しました。最近、アンピシリンは、アプタマー、その相補鎖（CS）、および金ナノ粒子（AuNP）に基づく血清サンプルで検出できることが報告されています[132]。このメソッドの検出限界（LOD）は、29.2pMまで低くすることができます。ただし、invivoでの薬物または標的分子の検出にはまだ多くの制限があります。選択性が低いため、従来の蛍光ナノ材料は必然的に偽陽性の結果と生体内への悪影響を生み出します。さらに、現在の追跡システムでは、ラベルと励起源が不十分なため、リアルタイム追跡を実現することはほとんどできません。上記の制限を考慮して、アップ/ダウンコンバージョン（UC / DC）PLナノ材料を使用する新しい方法がますます注目を集めています。 Seo etal。重金属イオン（すなわち、Hg ²⁺ ）の検出において卓越した性能を示した単一光子駆動のUC / DCシステムを報告しました。 ）ムール貝[133]。ナノハイブリッドのLODは ca。でした 1nM。このシステムは、生物医学的応用のための蛍光ナノ材料の分野の研究者にとって魅力的です。

ドラッグデリバリー

これまで、がんを高効率で治療し、機能を標的にする技術は完璧ではありませんでした。ほとんどの状況下で、抗がん剤は体内に広範囲に分布および放出され、健康な細胞や組織を不可逆的に危険にさらします。現在、ドラッグデリバリー用の多種多様なキャリアが設計されています。ただし、配信プロセス全体の配布と結果を監視することはほとんどできません。表面改質技術の最近の開発の恩恵を受けて、ポリエチレングリコール（PEG）のようなポリマーでキャップされた蛍光材料は、薬物と強くそしてしっかりと結合することができます。次に、ロードされた薬剤は、pH、浸透圧勾配、および周囲の環境などの特定の条件に応じて放出されます。ただし、特定の場所に薬物が輸送されているかどうかを確認する必要があります。また、さまざまな位置で放出される薬物の量など、詳細を検討する必要があります。薬物担体であることに加えて、蛍光ナノ材料はまた、それらの蛍光特性のために細胞内取り込みの結果を示すことができます。 QDは、生体内での薬物送達の特定のターゲティング経路を理解するために科学者にとって有益な、送達効率、放出速度、invivoでの薬物分子の分布などのいくつかの重要な特性を監視するために適用されています。 Duanらは、簡単なpH応答性蛍光CDドラッグデリバリーシステムを報告しました[134]。胃がんに効果的なdoxを搭載することで、患者さんの細胞内ドラッグデリバリーとトラッキングを同時に実現できます（図7）。このレポートは、蛍光CDがドラッグデリバリープロセスを少なくとも48時間ラベル付けおよび追跡できることを強調しており、バイオイメージング、バイオラベル付け、および追跡可能なドラッグデリバリーに大きな可能性を示しています。 Duan etal。 pHと受容体の二重応答性ドラッグデリバリーシステムを設計しました[135]。ヒアルロン酸はCDの表面に共有結合し、ドキソルビシンは静電的自己組織化によってロードされました。腫瘍微小環境（pH 5.6）では、薬物は薬物送達システムから急速に放出されますが、通常の生理学的環境（pH 7.4）では、薬物はほとんど放出されません。エンドサイトーシスは、ドラッグデリバリーシステムが腫瘍細胞に富む受容体であり、ヒアルロン酸に特異的に結合できるCD44に到達したときに発生します。さらに、カーボンナノチューブは、その高い負荷効率により、ドラッグデリバリーに使用できます。強力なπ-π相互作用は、治療薬をカーボンナノチューブと結合する上で重要な役割を果たします。カーボンナノチューブは、外部条件の変化によって破壊され、特定の位置に薬物が放出される可能性があります。 Pennetta etal。ドキソルビシンスタックドラッグデリバリーシステムを形成するためのピロール由来化合物による官能化単層および多層カーボンナノチューブ。生物学的研究は、合成されたナノコンベヤーが効果的に薬物を細胞株に送達し、ドキソルビシンの治療効果を改善できることを示しました[136]。

準備の概略図（ a ）および細胞への取り込み（ b ）CDの-DOXドラッグデリバリーシステム[113]

光線力学療法

光線力学療法（PDT）は、光と光増感剤の相互作用を利用した腫瘍の新しい治療法です。 PDTでは、活性酸素種（ROS）は、特定の波長の光（主に近赤外光の領域）の条件で光増感剤によって酸素から生成されます。 The specific mechanism is presented in Fig. 8. ROS includes singlet oxygen, superoxide radicals, hydrogen peroxide, and hydroxyl radicals that possess strong cytotoxicity which cause significant destruction of tumor cells. However, there exist many defects such as limited penetration depth [137], hydrophobic properties [138], photobleaching [139], complicated procedure [140], and tumor hypoxia. PDT agents can hardly be dissolved and they will disperse extensively in vivo once they are taken, making it impossible to be targeted and selected. Fluorescent nanomaterial based photodynamic therapy developed fast in recent years [141]. Combined with the unique properties that QDs possess, such as high fluorescent efficiency and great spectral resolution, the effect of PDT can be enhanced. Barberi-Heyob, M and coworkers significantly enhanced the photodynamic efficiency with a concentration of 8 nM because of the light dose-dependent response [142]. In addition, photodynamic therapy can sometimes do harm to the skin and eyes of patients due to its photosensitive side-effect. To alleviate these adverse effects, a novel nanoparticle-based drug carrier for photodynamic therapy is reported which can provide stable aqueous dispersion of hydrophobic photosensitizers. Meanwhile, the key step of photogeneration of singlet oxygen was preserved, which is necessary for photodynamic action [143]. It is obvious that QDs combined photodynamic therapy will replace the conventional PDT someday.

Schematic illustration of producing reactive oxygen species (ROS) for the photodynamic therapy (PDT) [119]

Challenges

Synthesis Challenges

Achieving Uniform Distribution

In the synthesis process, the diameter and size distributions of FNMs can be hardly distributed uniformly due to the agglomeration of small particles. This could be fatal to the optical properties of FNMs in biomedical application. For this reason, the applications of FNMs are still at the laboratory scale. It has been confirmed that the surface properties primarily determine the agglomeration state of the nanoparticles and their size. Therefore, surface modification is promising to achieve uniform distribution of FNMs by altering their surface properties [144]. To date, silanized QDs have been widely used because the polymerized silica coating increases the stability in buffers under physiological conditions [145]. Carbon dots synthesized by hydrothermal reaction using water-soluble base were reported to be difficult to control the size and distribution of grain boundary [146]. Khanam et al. reported a facile and novel synthetic method for the preparation of hydroxyl capped CDs using an organic base and a surfactant (Triton X-100) to modify the surface. A narrow particle size distribution at 7.2 nm was found in Raman and DLS studies, which is smaller than the majority of the particles falling within the range of below 10 nm in diameter [147].

Fluorescence Quantum Yield

Fluorescence quantum yield plays a crucial role for FNMs in their efficiency for on-demand light emission. Tunable and highly fluorescent CDs can be prepared with the surface functionalization approach. Nitrogen-doped FNMs are reported to have improved fluorescence quantum yield. With increasing nitrogen content, fluorescence quantum yield can be increased to as high as 56% at high synthesis temperature [148]. A facile strategy was also developed to tune the photoluminescent properties of CDs using a microwave irradiation, with citric acid and nitrogen-containing branched polyethyleneimine (b-PEI) as precursors. At intermediate levels of b-PEI, the CDs produced a high photoluminescence yield [149]. Lin et al. explored carbon dots with a high-fluorescence quantum yield rate synthesized from L-cysteine and citric acid by the microwave-assisted method. The obtained carbon dots exhibited a high-fluorescence quantum yield (up to 85%), which is due to the combination of amidogens and sulfydryl with carbon dots, and henceforth bringing the improved fluorescence property [150]. The above examples demonstrate that nitrogen or other electron-rich atoms like sulphur can obtain satisfying fluorescence quantum yield.

Aggregation-Caused Quenching

Fluorescent molecules can emit light with high efficiency in dilute solution. However, in concentrated solution or solid state, their fluorescence will be weakened or even disappear. This phenomenon is called Aggregation-Caused Quenching (ACQ) [151]. This problem has been puzzling scientists for almost 150 years, thus hindered the extensive application of fluorescent dyes.

In order to make effective use of fluorescent dyes, scientists have attempted many methods. Most of them focused on reducing the concentration of fluorescent dyes to prevent ACQ effect.唐ら。 discovered the phenomenon of Aggregation-Induced Emission (AIE) [152]. Based on rationally designed molecules, the fluorescence of organic molecules in solid state can be attained. Still, for more than one hundred thousand different fluorescent dyes in the world, the problem of ACQ has not been completely resolved. As long as they aggregate together, ACQ will make them lose their fluorescent properties.

It is almost impossible for high concentration or solid state FNMs to show reliable fluorescence due to fluorescence quenching. Although fluorescence quenching can be used as a sensitive signal to indicate substrate concentration in analytical chemistry, [153] in the most circumstances, however, fluorescence quenching is undesirable for FNMs because it always has considerable influence on bioimaging and biodetection. To overcome this long-standing problem, Benson et al. reported a universal solution with the discovery of a class of materials called small-molecule ionic isolation lattices (SMILES) [154]. SMILES are simple to make by mixing cationic dyes with anion-binding cyanostar macrocycles. We draw inspiration from their findings and believe that similar results can be obtained if we replace cationic dyes with cationic modified FNMs.

Application Challenges

Drawbacks of UV Light FNMs

Although FNMs realized the great-leap-forward from in vitro imaging to in vivo imaging, the emission fluorescence of most of FNMs is distributed in ultraviolet region or short wavelength visible region, which limits the optical imaging in living organisms. Moreover, use of UV light for monitoring living processes in cells and tissues has some potential drawbacks as long‐term irradiation of living cells may cause DNA damage and cell death. Therefore, the development of FNMs in near-infrared region is urgently needed in the future. Although NIR FNMs have deep tissue penetration, NIR detectors and filters are needed as the excitation and emission wavelengths are too close to each other, which restricts their range of application.

Interference in Biological Environment

Almost all biological tissues will produce significant autofluorescence under short wavelength, UV and visible light radiation [155]. Autofluorescence reduces the signal‐to‐background ratio and often interferes seriously with the visual effects. Some substances in the substrate of biological tissues also have great influence on the fluorescence, which reduces the selectivity of FNMs significantly. Until now, although the application of FNMs in mice showed acceptable outcomes, it is still difficult to achieve similar results in larger mammals. Much higher luminous efficiency under low power density excitation is required to avoid the background signal interference. Furthermore, temperature and pH conditions of the biological environments strongly affect the fluorescence of some substances as well. Therefore, satisfying fluorescence of FNMs at 37 °C and physiological pH should be guaranteed. It's worth noting that the pH in tumor is lower than normal tissues. Hence, fluorescence with high selectivity in acid environment will improve the efficiency of FNMs.

Biocompatibility

Biocompatibility refers to materials or systems that are nontoxic, safe and not causing physiological or immunological reactions. QDs with unique quantum confinement effect and electro-optical properties are attractive for biomedical applications. However, toxic effects of traditional semiconductor QDs made of heavy metal ions have serious safety concerns for their undesired environmental or health effects. In the purpose of circumventing this problem, core–shell structure modification of QDs by using biocompatible ligands or polymers is one way to effectively minimize toxic effects of traditional QDs. Furthermore, scientists are searching for heavy metal-free QDs formulations. Non-toxic or less toxic carbon dots and silica nanoparticles have shown their potential as the ideal FNMs for biomedical applications. Impurities brought in the process of syntheses may influence the biocompatibility of fluorescent nanomaterials. In order to reduce the influence of toxic impurities, green synthesis methods have been arousing the interest in biomedical fields. Chowdhury et al. utilized cacao extract which is a natural product as a reducing and stabilizing agent in the synthesis of gold nanoparticles [156]. Oxalic acid, as a constituent of cacao, can reduce Au ³⁺ in HAuCl₄ to metallic gold and stabilize the resultant nanoparticle colloidal solution. In vitro studies suggested that the cacao derived gold nanoparticles are biocompatible and suitable for biomedical applications. For MOFs, appropriate metal ions and ligands must be selected to lower the toxicity. Wang et al. employed Fe, Ti and Zr as constituents of MOFs, which are harmless and even beneficial elements to the body [157]. In vitro studies indicate that the proposed material has good biocompatibility and safety in biomedical application. What’s more, it is necessary to consider whether the difference in composition, surface charge, or modified group will have different biological effects. Taking these factors into account, we can improve the biocompatibility of FNMs with rational design.

Conclusions

Benefiting from the unique properties of fluorescent nanomaterials, some limitations and barriers of conventional materials and methods in biomedical applications can be broken through. In this review, we comprehensively present the synthesis methods and applications of fluorescent nanomaterials. The advanced synthesis methods can offer us the fluorescent nanomaterials with ideal morphology, size ranges and structures. Meanwhile, the more convenient syntheses can lower the manufacturing cost of fluorescent nanomaterials, which is critical to their widespread applications in biomedical fields. Based on the improved synthesis techniques, the performance of fluorescent nanomaterials is bound to leap in their applications. With the development of fluorescent nanomaterials, bioimaging, biodection, drug delivery and photodynamic therapy will be more widely applied in the diagnosis and treatment of diseases. Finally, challenges in synthesis and biomedical applications point out exiting questions and developing direction. We hope that this review can bring some new insights to the development of fluorescent nanomaterials.

データと資料の可用性

All data and materials are available without restrictions.

略語

FNMs:

Fluorescent nanomaterials

PL:

Photoluminescence

CDs:

Carbon dots

QDs:

Quantum dots

b-PEI:

Branched polyethyleneimine

SWCNTs:

Single-walled carbon nanotubes

CQDs:

Carbon quantum dots

GQDs:

Graphene quantum dots

NCQDs:

Nitrogen-doped carbon quantum dots

NSCDs:

Nitrogen and sulfur doped carbon dots

QY:

Quantum yield

MCDs:

Multi-doped carbon dots

MWCHTs:

Multi-walled carbon nanotubes

GO:

Graphene oxide

rGO:

Reduced graphene oxide

CVD:

Chemical vapor deposition

AuNPs:

Gold nanoparticles

Ag NCs:

Ag nanoclusters

Cu NCs:

Cu nanoclusters

NPs:

Nanoparticles

TEOS:

Tetraethylorthosilicate

MR:

Magnetic resonance

COFs:

Covalent-organic frameworks

TNP:

2,4,6-Trinitrophenol

MOFs:

Metal organic frameworks

ACQ:

Aggregation-caused quenching

NIR:

Near infrared

SEA:

Strand exchange amplification

LFA:

Lateral flow assay strip

CS:

Complementary strand

LOD:

Limit of detection

UC:

Upconversion

DC:

Downconversion

PDT:

Photodynamic therapy

ROS:

Reactive oxygen species

AIE:

Aggregation-induced emission

SMILES:

Small-molecule ionic isolation lattices