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金銀奈米粒子的細胞影像應用
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金銀奈米粒子的細胞影像應用

機械系 廖駿偉 副教授

  最近機械系與生化生醫所老師合作發展以金或銀奈米粒子做為細胞影像觀察媒介 ( contrast agent ) 之技術,其原理為利用金或銀奈米粒子對於光波(紫外線、可見光、近紅外線範圍)具有表面電漿子共振 ( Surface Plasmon Resonance;SPR ) 效應。由於金或銀具有許多自由電子,這些電子容易隨外在電磁場而運動,並由外往內逐漸形成障避作用 ( shielding effect ),使得內部電子無法感受到外在電磁場的變化;但是當金或銀粒子直徑夠小(約小於 200 nm 以下),整顆金屬粒子內的所有自由電子做集體式運動時,這會對於入射光波造成極大的吸收及散射,此種現象稱為表面電漿子共振效應。

  實驗室合成的含銀奈米粒子的溶液為黃色(見圖 1 左邊的試管),是因為表面電漿子共振造成銀奈米粒子吸收及散射 420 nm的藍光,使得白光透射過溶液時,僅主要的光波(紅光與綠光)穿透,故人的視覺呈現紅加綠的效果,即黃色。至於金奈米粒子的溶液呈現紅寶石色(見圖 1 中間的試管),這是因為金奈米粒子吸收及散射 520 nm 的綠光,使得白光透射過溶液時,僅主要的光波(紅光與藍光)穿透,故人的視覺呈現紅加藍的效果。以上為球形的奈米粒子的光學特性,如果合成為長桿狀的奈米粒子 ( nanorods ) ,其表面電漿子共振,除保有球形的奈米粒子的光學特性外,還具有吸收及散射較長波長光子的長軸共振特性(見圖 1 右邊的試管)。

  我們將含有直徑為 50 nm 的球形金奈米粒子的溶液與人類乳導管癌細胞 ( MDA-MB-435S )共同培養若干時間,經由胞吞作用 ( endocytosis ) 的機制,細胞攝入金奈米粒子於細胞質之囊泡 ( vesicle ) 中[1],在雷射掃瞄共軛焦顯微鏡下,可以清楚的標示每一個細胞囊泡。利用不同波長之雷射 (514, 633 nm ) 照射成像,例如:圖 2(a) 顯示 ,514 nm Ar 雷射照射下球狀金奈米粒子與染料分子 ( PI ) 的複合式人類乳腺癌細胞影像,其中細胞質內綠色亮點,為包含若干金奈米粒子之囊泡表現,每個囊泡的直徑大約為 250 nm,紅色區為 PI 染劑於細胞核之表現。若改由 633 nm He-Ne 雷射照射成像,則細胞核無 PI 染劑於表現,但是細胞質內依然有紅色亮點,即含有金奈米粒子之囊泡表現。由於細胞的胞吞作用包括胞飲 ( pinocytosis )、胞噬 ( phagocytosis )、受體媒介胞吞 ( receptor-mediate endocytosis ) 三種方式,對於較小的金奈米粒子,細胞以胞飲方式食入;對於較大的金奈米粒子,細胞則以胞噬方式食入;此外,也可以特定配子 ( ligand ) 對金或銀奈米粒子做表面修飾,則可利用細胞膜表面之特定受體與之結合,以受體媒介胞吞方式食入,例如:葉酸的表面修飾[2]。除球形的奈米粒子外,細胞對長桿狀的奈米粒子亦有相同的行為[3]

  除上述技術外,目前我們還利用金或銀奈米粒子做為光聲 ( photoacoustic ) 成像技術的媒介,希望利用表面電漿子共振的光熱轉換,產生超音波做為成像訊號,金或銀奈米粒子的生醫應用才剛起步,未來將有無限的應用空間。

圖1.左邊的試管為銀奈米粒子的溶液,中間的試管為金奈米粒子的溶液,右邊的試管為金奈米桿的溶液

 (a)

(b)

圖2.複合式細胞影像 (a) Ar+ laser 514 nm, (b) He-Ne laser 633 nm. 細胞質為金奈米粒子的表現,細胞核為染料分子(PI)的表現[1,2]

 

參考資料

[1]S.-W. Tsai, Y.-Y. Chen, J.-W. Liaw, “Compound cellular imaging of laser scanning confocal microscopy by using gold nanoparticles and dyes”, Sensors 8, 2306-2316, 2008.

[2]S.-W. Tsai, J.-W. Liaw, F.-Y. Hsu, Y.-Y. Chen, M.-H. Yeh, M.-J. Lyu, “Surface-modified gold nanoparticles with folic acid as optical probes for cellular imaging”, Sensors 8, 6660-6673, 2008.

[3] J.-W. Liaw, S.-W. Tsai, K.-L. Chen, F.-Y. Hsu, “Single-photon and two-photon cellular imagings of gold nanorods and dye”, J. Nanoscience and Nanotechnology 10(1), 467–473, 2010.

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