《自然—方法學》重磅綜述：納米測溫學研究進展和未來發展趨勢

作者 | 小柯機器人

螢光納米測溫學是一種基於具有溫度敏感的螢光特性材料實現高靈敏度、亞微尺度解析度的非接觸式溫度測量技術。該技術在納米流體學、催化反應、微電子學得到了廣泛應用。

近年來，最為熱門的應用方向則是將納米測溫學引入到細胞生物學、藥物開發、以及疾病早期診斷和治療研究中。

北京時間2020年9月28日晚23時，《自然-方法學》在線發表了來自中國、日本、澳大利亞、西班牙研究人員共同探討納米測溫學研究進展和未來發展趨勢的綜述性文章。

澳大利亞雪梨科技大學高級講師周佳佳和西班牙馬德裡自治大學教授Daniel Jaque為共同通訊作者。南方科技大學講席教授金大勇，日本東京大學研究員Seiichi Uchiyama，和澳大利亞墨爾本皇家理工大學Blanca del Rosal博士為合作作者。

螢光納米溫度計的設計原理

在過去十年中，溫度敏感螢光材料被廣泛開發和應用於非接觸式細胞內和體內溫度監測。這些溫度敏感的螢光材料分為有機物和無機物。有機物種類主要包括螢光蛋白(FPs）、有機染料(dyes)、鑭系配合物和染料摻雜的聚合物。無機納米顆粒包括量子點(QDs)、鑭系離子摻雜納米顆粒(Ln-NPs)、納米金剛石色心(NDs)和碳點(CDs)等。納米溫度計顯示其分子、原子甚至電子尺度的動態特性對溫度的響應。

這些動力學現象所體現的可測量光學指標包括發射強度、峰位置、發射或激發強度比值、壽命、極化各向異性、電子自旋共振(ESR)和光學檢測磁共振(ODMR)。

圖1 不同納米溫度計的典型測溫工作機理

納米溫度計用於細胞內和活體溫度檢測

納米溫度計可以通過內吞作用、化學擴散或微注射的方式進入細胞內測量溫度。它們還可以作為標記細胞器的靶標，實時檢測局部溫度變化，並將之與細胞器功能關聯，從而促進細胞生物學知識的探索。除了基於小分子的納米溫度計外，大多數納米溫度計都需要進行表面修飾，以克服其在尺寸、生物相容性和表面親水性方面的限制。然後通過雷射或藥物刺激進行局部加熱以改變外部介質的溫度來驗證其功能。

納米溫度計在活體內的應用仍處於起步階段。在動物模型中對納米溫度計的概念驗證演示包括溫控光熱療法，腫瘤、炎症事件和心血管疾病的診斷。無機納米顆粒具有近紅外(NIR)激發/發射特性，允許生物組織的高穿透深度。近紅外光可以穿透骨組織數百微米，使經顱測溫成為可能。

圖2 螢光納米溫度計進行細胞內和體內溫度傳感實例

溫度測量準確性

研究人員指出某些與溫度無關的因素同樣會影響納米溫度計的螢光，這就可能帶來溫度測量偏差。理解這些非溫度相關的螢光信號波動是避免溫度誤讀的關鍵。螢光信號的功率依賴性、不同細胞器之間的折射率值的變化、生物組織自發螢光及吸收和散射效應引起的螢光畸變等因素都可能引起溫度誤讀。為了減少這些不必要的誤讀，應嚴格確保在校準曲線獲取和真實測試場景時使用一致的關鍵參數條件。

圖3 代表性的溫度誤讀情況

未來挑戰和機遇

研究人員預計新一代的納米溫度計的開發將充分利用先進納米技術和光譜學手段，並將測溫與其他新的功能（如製冷、加熱）集成在一起。

細胞內溫度傳感的不確定性通常是由於周圍環境的複雜性和細胞器的動態結構變化引起的。未來更準確的測量溫度需要開發能夠定位於特定細胞器的納米溫度計，並結合新的成像技術，如超分辨成像，來實時監控納米溫度計的分布。

圖4 活細胞中線粒體的溫度監測、新型線粒體靶向分子設計方案和超分辨成像技術觀察線粒體結構

研究人員進一步統計了通過螢光測溫技術進行典型疾病監控所需的理想溫度解析度和時間解析度，並闡述了一些有望滿足需求的測溫策略，為推進這一多學科交叉領域的研究指明方向。

研究人員表明隨著可靠和高解析度納米測溫技術的發展，未來生物學研究手段有望從以往的結構性成像主導轉為以關注細胞內和細胞間互作動力學為主的功能性成像。

這些進步將促進基礎生物學研究關注生命體系中的熱波動，通過檢測異常的生理溫度，使得實時監控癌症、神經紊亂等疾病進程成為可能。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41592-020-0957-y