专利名称：发光粒子和使用发光粒子探测生物实体的方法
发光粒子和使用发光粒子探测生物实体的方法本发明涉及发光粒子和使用发光粒子探测生物实体的方法。本发明公开了发光粒子。诸如荧光分子的有机染料已被用于标记生物 材料。然而，这些荧光染料或荧光团有数个缺点。例如，荧光染料通常具有窄的吸收波长带(例如，约30-50nm)、宽的发射波长带(例如，约100nm)、 以及在光谱的红色侧的宽的发射尾(例如，另一个100nm)。由于这些荧光 团的波长性质，使用多个不同彩色荧光分子的可能性受到了严重削弱。此 外，荧光极易受到光褪色的影响。纳米大小的半导体粒子(纳米粒子)是 在其发光性质中呈现量子限制效应的粒子。这些半导体纳米粒子也称作"量 子点"。包含量子点的胶状粒子能够由单个激发源激发，提供非常鲁棒的、 宽广地可调谐的纳米发射器。此外，纳米粒子呈现出的光学性质优于有机 染料的光学性质。它们的特别的发光性质给予量子点显著改善在生物研究 使用荧光标志的潜力。量子点是普遍已知的，例如，从美国专利申请 US2004/0033345 Al 。最近，因为光学成像使用具有高分辨率的相当便宜的设备拥有非侵入 式成像的前景，针对医学应用的光学成像中的兴趣升高了。这似乎是特别 有用的方法，特别是对于癌症治疗的阶变。包含量子点的发光粒子的优点 也能够是高度相关的，例如纳米粒子量子点不光褪色的优于已知有机染料 的优点，光褪色即在照明下退化，其在3D成像中非常相关，其中部件会被 长时间辐照。此外，它们具有较大的吸收横截面，这使得量子点比染料亮。 此外，它们具有长的发光寿命，这使得可能通过时间门控的(time-gated) 成像分开对量子点发射的自体发光。然而，目前大多数工作集中在诸如 CdSe的Cd基的量子点上。这些是不可能被允许用于人类应用的有毒材料。 己知发光量子点粒子的另外的缺点是激发辐射和/或量子点的发射辐射的 反射引起了发光性质中相当大的损耗。这强烈地限制了使用量子点发光粒 子的可能性，例如作为生物应用中的造影剂。因此本发明的目的是提供发光粒子、造影剂、使用发光粒子探测生物 实体的方法，以及发光粒子作为造影剂由此增强发光粒子的发光性质的使 用。通过包括核心区域和壳体区域的发光粒子实现了以上目的，所述核心 区域由所述壳体区域覆盖，所述核心区域通过纳米晶体材料在所述发光粒 子上针对最少一个激发波长和至少一个发射波长赋予了发光行为，而设置 所述壳体区域使得它实现所述核心区域的抗反射涂层。其优点在于潜在地可作为发射辐射获得较高百分比的激发辐射能量。 这大大提高了发射并降低了反射损耗。根据本发明，非常优选地，所述核心区域设置为通过非Cd基纳米晶体 材料实现的量子点结构和/或所述核心区域设置为通过无毒纳米晶体材料 实现的量子点结构。这使得可能设置材料为量子点材料，其能够用于生物 体内，例如作为造影剂。此外，根据本发明，优选地，所述核心区域设置为通过InP基材料实 现的量子点结构。InP作为用于核心区域的材料会提供高性能的量子点发光 粒子。明智地选择核心区域的大小是可能的，即量子点的大小，例如约直 径7mm，并且由此调谐所述发光粒子的激发和发射频率或激发和发射波长。根据本发明，非常优选地，在电磁光谱的近红外部分设置所述激发波 长和所述发射波长。然后，可能使用有成本效益的辐射源用于提供激发光 并且也可能使用有成本效益的辐射探测器例如用于生物体内的医学应用。根据本发明，进一步优选地，在人类组织的主要成分中，尤其是在人 类组织液体和/或脂质中，在有最小红外吸收的光谱窗口中设置所述激发波 长和所述发射波长。非常优选地，在700nm和800nm之间设置所述激发波 长和所述发射波长。这使得可能使用发光粒子作为造影剂或至少作为造影 剂的部分例如用于医学使用。根据本发明，优选地，所述激发波长设置在约720nm和/或所述发射波 长设置在约780nm。这使得可能使用在人类组织的主要成分中有最小红外 吸收的光谱窗口里面甚至强烈显著的吸收最小值。根据本发明，非常优选地，所述激发波长和所述发射波长分开约60nm。这使得可能通过简单的低通滤波器将发射从激发容易地分开。斯托克斯频 移越大，将激发与发射辐射分开就会越容易。此外，因为由于激发和发射 波长充分地分开而没有自吸收，所以光学图像的重构简化了，因为仅需要 考虑发射和散射，而不需要考虑吸收和重发射。此外，不存在自吸收(与 传统染料相比)使得可能在比使用染料时可能的浓度高的浓度操作。这些 较高的浓度反过来导致发射辐射质量的改善。改善的发射对于作为造影剂 或作为造影剂的部分使用发光粒子是尤其重要的，因为这使得可能对位于 人体内较深的对象成像。
根据本发明，非常优选地，围绕核心区域近似均匀地设置壳体区域的 厚度。这提供较好的激发和发射行为，因为可以较好地控制激发和/或发射 辐射的反射。
此外，根据本发明，优选地，设置壳体区域的厚度，使得核心区域里 面和发光粒子外面之间激发波长辐射的反射率和/或发射波长辐射的反射 率比较低。能够由此最小化进入和/或离开发光粒子的核心区域的辐射的反 射的不利效果，以便提高发射辐射的质量。
根据本发明，非常优选地，至少部分地设置壳体区域的厚度，使得核 心区域里面和发光粒子外面之间激发波长辐射的反射率和/或发射波长辐 射的反射率比较低。能够由此最小化进入和/或离开发光粒子的核心区域的 辐射的反射的不利效果，以便提高发射辐射的总质量。
根据本发明，进一步优选地，设置壳体区域的厚度，使得对于给定的 纳米晶体材料的第一折射率、给定的抗反射涂层的第二折射率、及给定的 发光粒子的环境的第三折射率，核心区域里面和发光粒子外面之间激发波
长辐射的透射率和/或发射波长辐射的透射率高于最大透射率以下50%，优 选地高于最大透射率以下25%，最优选地高于最大透射率以下10%。
根据本发明，非常优选地，所述壳体区域包括介电材料和域所述介电 材料设置为1102和/或GaP和/或InGaP2和/或其它三元化合物。这使得可能 提供发光粒子，使得根据核心区域的发光行为的好的性能能够与极优的壳 体区域的性质组合，包括好的反射性能、低的毒性、水溶性、及将标记基 质(labeling substrate)容易地结合到发光粒子的可能性。
本发明涉及复合体(complex),其包括根据上述实施例的发光粒子，
8并且还包括标记基质。本发明还涉及造影剂，包括如上述的发明的发光粒 子或包括包含发明的发光粒子和标记基质的发明的复合体或包括本发光粒 子和复合体的混合物。此外，本发明涉及将如上述的发明的发光粒子用作 造影剂或造影剂的部分。该造影剂的优点在于，发射辐射能具有高的信-噪 比，在成像技术中呈现出较高的光学分辨率的可能性。
本发明还涉及使用包括核心区域和壳体区域的发光粒子来探测生物实 体的方法，所述核心区域由所述壳体区域覆盖，所述核心区域通过纳米晶 体材料在所述发光粒子上针对最少一个激发波长和至少一个发射波长赋予 了发光行为，而设置所述壳体区域使得它实现所述核心区域的抗反射涂层， 所述方法包括步骤
-通过物体的和/或化学的和/或生物的结合在发光粒子和标记基质之间形成 复合体，
-使用标记基质用于与生物实体的特定结合，
-以所述激发波长的辐射辐照至少所述发光粒子和所述标记基质的复合体， 以及
-通过所述发光粒子发射的辐射探测生物实体。这使得可能通过根据本发明 的所述发光粒子以改善的方式进行大量不同的生物化验。
本发明还涉及在生物医学化验和/或生物体外应用中使用根据上述实 施例的发光粒子。应当理解，本发明的发光粒子潜在地能够与任何生物医 学化验形式或任何生物体外应用 一起使用。
本发明的这些和其它特性、特征和优点会从结合附图的以下详细描述 变得明显，其通过示例方式示出了本发明的原理。描述仅是为了示例而给 出，而不是要限定本发明的范围。以下引用的参考图指附图。
图1示意性地示例了根据本发明的发光粒子的横截面；
图2利用激发和发射辐射示意性地示例了根据本发明的发光粒子；
图3示意性地示例了没有抗反射壳体区域的典型量子点结构的反射率;
图4示意性地示例了发光粒子作为造影剂的应用的示例；
图5示意性地示例了发光粒子在生物学化验中的应用的示例；
图6示意性地示例了人类组织的主要成分的红外吸收谱的部分。将参照特定实施例和附图描述本发明，但是本发明不限于此。描述的 附图仅是示意性的而不是限定性的。在附图中，为清楚原因， 一些元件的 维度被放大并且不是真实的比例。
在例如"一个"、"该"的不定冠词或定冠词与单数名词结合使用的地 方，这包括多个该名词，除非定外地特别说明。
此外，说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于区别两个 类似的元件并且不必用于描述顺次或按时间顺序排列的次序。应当理解， 如此使用的术语在合适的环境下是可以互换的，并且于此描述的本发明的 实施例能够以不同于于此描述或示例的那些的顺序操作。
此外，说明书和权利要求中的术语顶、底、上、下等用于描述的目的， 而不必用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在合适的环境下是 可以互换的，并且于此描述的本发明的实施例能够以不同于于此描述或示 例的那些的方位操作。
应当注意，本说明书和权利要求中使用的术语"包括"不应解释为限
定于其后列出的构件；它不排除其它元件或步骤。因此，"设备包括构件A 和B"的表述的范围不应当限定设备仅包括元件A和B。其意指与本发明 相关的设备仅是A和B。
图1示出了根据本发明的发光粒子的横截面。粒子10包括核心区域20 和壳体区域30。核心区域20包括纳米晶体材料21，而壳体区域30包括介 电材料31。壳体区域30优选地在核心区域20的周围具有厚度D。厚度D 在核心区域20的周围优选地近似恒定。
图2中，利用激发辐射41和发射辐射51示出了根据本发明的发光粒 子10。优选地，对激发辐射41和发射辐射51，发光粒子10都与红外辐射 一起使用。本发明的发光粒子10的根据本发明的壳体区域30能够特别地 具有荧光行为。
图6示出了针对电磁光谱的一部分的人类组织的主要成分的吸收特性 的示例。图6示出了电磁光谱的红外部分。能够看见，在约600和900nm 波长之间有整个吸收最小值。特别优选地，针对激发辐射41和发射辐射51 使用700nm和约800nm波长之间的吸收窗口 。优选地以包括InP (磷化铟)的纳米材料21实现发光粒子10的核心区 域20。根据本发明的优选实施例，纳米晶体材料21的结构是经选择的，使 得其具有适合于约780nm的发射波长50附近的发射辐射51的大小，在 780nm附近，对于人类组织的主要成分(即水和/或脂质)，红外光谱具有 最小的吸收。在本发明的此优选的实施例中或在本发明的另一实施例中， 能够在约720nm的激发波长40处有益地产生核心区域20中的发光行为的 激发，图6的吸收窗口的其它吸收最小值位于在约720nm处。根据本发明， 作为纳米晶体材料21使用磷化铟用于发光粒子10的核心区域20是非常优 选的，因为由于针对人类组织(针对激发波长40和/或针对发射波长50) 的主要成分最佳地匹配红外光谱中的吸收最小值的可能性它十分适于人类 应用。此外，对于核心区域20的该选择使得可能使用无毒材料用于发光粒 子10的核心区域20的纳米晶体材料21。尤其是，可能使用非Cd基的纳 米晶体材料21 。其优点是使得发光粒子10会更容易地被国家药物当局接收 用于人类应用，例如作为造影剂或造影剂的部分。
发光粒子10的壳体区域30包括介电材料31，其给发光粒子10提供核 心区域20的抗反射涂层31。这意味着根据本发明的发光粒子10的光学性 质还能够通过例如诸如Ti02、 GaP的介电材料31或诸如InGaP2的其它三 元化合物的层改善。与没有在核心区域20的周围提供抗反射涂层31的情 况相比，这相当大地降低了反射损耗并提高了发射可能性高达四的因子。 壳体区域30的介电材料31具有电子带隙能量，其高于核心区域20的纳米 晶体材料21的电子带隙能量。这使得核心区域20的发光行为更有效。
抗反射涂层31或壳体区域30有助于避免反射并促进发射。在第一近 t(中，在不同折射率的材料之间的界面处的反射率R由下述公式给出
R= (n—n，/n+n，) 2
此公式中，n和n'指定界面两边的两种材料的各自的折射率。 给定InP的相对折射率为约3.3，能够计算出空气中典型的反射率为约 30%。考虑此效果发生两次，例如，激发辐射41进入发光粒子10时(从 发光粒子10的外面到核心区域20的里面)和发射辐射51从核心区域20 的内部朝向发光粒子IO的外部激发时，由于反射的损耗由例如以下公式给 出(100%—R) X (100%—R) =(100% — 30%) X (100%—30%) -50%
因此，合适地选择的发光粒子10的核心区域20的抗反射涂层31会大 大改善核心区域20的纳米晶体材料21的发光和/或发光性质。
图3给出针对不同波长的对InP纳米晶体21的反射率R的示例。在横 坐标上绘出了光子能量(单位电子伏特)，而反射率以纵坐标R上的相对 单位绘出。
实际中，由以下关系给出抗反射涂层的厚度
这里，X是波长，而n,n3是核心区域20的纳米晶体材料21中的第一 折射率n,和发光粒子10的外部处的第三折射率ri3的乘积。例如，在人体 内使用发光粒子10意味着发光粒子10的外部是例如血液，其具有(近似) 水的第三折射率n3，其为约ii3=1.33。这意味着，利用观察的750nm的波 长(其是示例激发波长40 (例如720nm)和示例发射波长50 (例如780nm) 之间的平均)，要考虑血液中约600nm的波长。其四分之一是150nm。对 于高介电材料31 (即具有相对高的第二折射率n2)，例如ii2-30，这意味着 约31nm的涂层厚度D。通过使用诸如磷化镓(具有n2=3.3的相对折射率) 的介电材料31或诸如Ti02 (具有2.5的相对折射率n2)的介电材料31，壳 体区域30的厚度D会较大，例如分别约为95或110nm。但是，对于用作 医学应用中的造影剂，这些粒子仍然足够小。当然，具有较高折射率或较 高介电常数的材料产生较小的涂层厚度D。因为发光粒子10的壳体区域30 的介电材料31的厚度D能够仅被(理想地)调整为以最大限度地减小针对 仅一个波长(激发波长40或发射波长50)的反射率，所以优选地，根据本 发明，调整厚度D为近似中心地位于激发波长40和发射波长50之间的平 均波长。最佳地，壳体区域30的介电材料31是经选择的，使得其第二折 射率ri2近似地为第一和第三折射率n。 ri3的乘积的平方根。因为壳体区域 30还具有其它要实现的功能(例如，机械阻力，提供用于要连接到发光粒 子等的其它分子的结合位置)，明显地，不能够总是完全地获得对反射率R 的最佳减小(即通过壳体区域30的最佳透射度)。然而，根据本发明，在给定的厚度D和给定的第一、第二、及第三折射率m、 n2、 n3，核心区域 20里面和发光粒子10外面之间激发辐射41的透射率和/或发射辐射51的 透射率应当高于50%低于理论的透射率最大值。优选地，在给定的厚度D 和给定的第一、第二、及第三折射率n,、 n2、 n3，核心区域20里面和发光 粒子10外面之间激发辐射41的透射率和/或发射辐射51的透射率应当高 于25%低于理论的透射率最大值。更优选地，在给定的厚度D和给定的第 一、第二、及第三折射率n，、 n2、 n3，核心区域20里面和发光粒子10外面 之间激发辐射41的透射率和/或发射辐射51的透射率应当高于50%低于理 论的透射率最大值。
图4示意性地示出作为造影剂使用发光粒子10的示例。血管210设置 在患者皮肤部分220的外层表面下。发光粒子10位于血管210里面并且由 激发辐射41辐照，优选地，从皮肤部分220外部。通过辐射探测构件(未 示出)探测由发光粒子10生成的发射辐射51，辐射探测构件也优选地位于 皮肤部分220的外面。
图5示意性地示出在生物化验中使用发光粒子10的示例。生物实体120 位于固定结构130处，固定结构例如为隔膜等。发光粒子10由物理的和/ 或化学的和/或生物的结合111结合到特定于要探测的生物实体120的标记 基质110。发光粒子10和标记基质110 —起形成复合体。在生物化验时， 发光粒子10 (结合到标记基质110)(复合体)暴露于生物实体120。经由 生物实体120和标记基质110之间的特定结合121，发光粒子10固定于生 物实体120 (并且因此固定于结构130)并且能够通过辐射探测构件(未示 出)从激发和发射辐射(图5中未示出)来探测。
明显地可想到用于探测生物实体120的其它方法或化验，例如不使用 诸如隔膜的固定结构130。
本发明的上下文中的生物实体120可以是以下实体中的任何一个一 个或多个蛋白质、 一个或多个核酸、 一个或多个细胞片段或不同的细胞、 或任何其它生物材料。
权利要求
1、 发光粒子(10)包括核心区域(20)和壳体区域(30)，所述核心 区域(20)由所述壳体区域(30)覆盖，所述核心区域(20)通过纳米晶 体材料(21)针对最少一个激发波长(40)和至少一个发射波长(50)在 所述发光粒子(10)上赋予了发光行为，并且设置所述壳体区域(30)使 得它实现所述核心区域(20)的抗反射涂层(31)。
2、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，所述核心区域(20) 设置为通过非Cd基纳米晶体材料(21)实现的量子点结构。
3、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，所述核心区域(20) 设置为通过无毒纳米晶体材料(21)实现的量子点结构。
4、 如权利要求l、 2或3所述的发光粒子(10)，其中，所述壳体区域 (30)设置为非Cd基材料和/或无毒材料。
5、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，所述核心区域(20) 设置为通过InP基材料实现的量子点结构。
6、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，所述激发波长(40) 和所述发射波长(50)设置在电磁光谱的近红外部分(51)中。
7、 如权利要求6所述的发光粒子(10)，其中，在人类组织的主要成 分中，尤其是在人类组织液体和域脂质中的，有最小红外吸收的光谱窗口 中设置所述激发波长(40)和所述发射波长(50)。
8、 如权利要求7所述的发光粒子(10)，其中，所述激发波长(40) 和所述发射波长(50)设置在700nm和800nm之间。
9、 如权利要求6或7所述的发光粒子(10)，其中，所述激发波长(40) 设置在约720nm和/或所述发射波长(50)设置在约780nm。
10、 如权利要求6或7所述的发光粒子(10)，其中，所述激发波长(40) 和所述发射波长(50)分开大约60nm。
11、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，在所述核心区域(20) 的周围基本均匀地设置所述壳体区域(30)的厚度(D)。
12、 如权利要求11所述的发光粒子(10)，其中，设置所述壳体区域 (30)的所述厚度(D)，使得所述核心区域(20)里面和所述发光粒子(10)外面之间激发辐射(41)的反射率和/或发射辐射(51)的反射率比较低。
13、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，至少部分地设置所述 壳体区域(30)的所述厚度(D)，使得对所述核心区域(20)里面和所述 发光粒子(10)外面之间激发辐射(41)的反射率和/或发射辐射(51)的 反射率比较低。
14、 如权利要求12或13所述的发光粒子(10)，其中，设置所述壳体 区域(30)的所述厚度(D)，使得对于给定的所述纳米晶体材料(21)的 第一折射率(n,)、给定的所述抗反射涂层(31)的第二折射率(n2)、及给 定的所述发光粒子(10)的环境的第三折射率(n3)，所述核心区域(20) 里面和所述发光粒子(10)外面之间激发辐射(41)的透射率和/或发射辐 射(51)的透射率高于最大透射率以下50%，优选地高于最大透射率以下 25%，最优选地高于最大透射率以下10%。
15、 如权利要求1所述的发光粒子(10)，其中，所述壳体区域(30) 包括介电材料(31)。
16、 如权利要求15所述的发光粒子(10)，其中，所述介电材料(31)设置为1102和/或GaP和/或InGaP2和/或其它三元化合物。
17、 一种复合体，其包括如权利要求1所述的发光粒子(10)，并且还 包括标记基质(110)。
18、 一种造影剂，其包括如权利要求1所述的发光粒子(10)，或如权 利要求17所述的复合体或其混合物。
19、 一种使用发光粒子(10)探测生物实体(120)的方法，所述发光 粒子(10)包含核心区域(20)和壳体区域(30)，所述核心区域(20)由 所述壳体区域(30)覆盖，所述核心区域(20)通过纳米晶体材料(21) 针对最少一个激发波长(40)和至少一个发射波长(50)在所述发光粒子(10)上赋予了发光行为，并且设置所述壳体区域(30)使得它实现所述 核心区域(20)的抗反射涂层(31)，所述方法包括步骤-通过物体的和/或化学的和/或生物的结合(111)在所述发光粒子(10) 和标记基质(110)之间形成复合体，-使用所述标记基质(110)用于获得与所述生物实体(120)的特定结 合(121)，-以所述激发波长(40)的辐射辐照至少所述发光粒子(10)和所述标 记基质(110)的所述复合体，以及-通过由所述发光粒子(10)发射的辐射探测所述生物实体(120)。
20、 如权利要求19所述的方法，其中，所述发光粒子(10)和标记基 质(110)的所述复合体用于生物体内。
21、 如权利要求19所述的方法，其中，所述发光粒子(10)和所述标 记基质(110)的所述复合体用于生物体外。
22、 如权利要求1所述的发光粒子(10)在生物化验和/或生物体外应 用中的使用。
23、用于产生如权利要求17所述的复合体或如权利要求18所述的造 影剂以在生物医学化验和/或生物体外化验中使用的如权利要求1所述的发 光粒子(10)的使用。
全文摘要
本发明提供发光粒子和使用发光粒子探测生物实体的方法，所述发光粒子包括核心区域和壳体区域，所述核心区域由所述壳体区域覆盖，所述核心区域通过纳米晶体材料在所述发光粒子上针对最少一个激发波长和至少一个发射波长赋予了发光行为，而设置所述壳体区域使得它实现所述核心区域的抗反射涂层。
文档编号G01N33/58GK101313222SQ200680043415
公开日2008年11月26日 申请日期2006年11月20日 优先权日2005年11月22日
发明者E·P·A·M·巴克斯, M·B·范德马克, P·J·范德扎格 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司