pH调控的艺术与技术

调控一个体系的pH在药物释放，酶活性调控、细胞诱导分化等生物医学领域都有着非常重要的用途。比如说，很多癌细胞呈现出酸性特征，如果可以使用一个体系来改变癌细胞周边的pH, 便可以抑制癌细胞的增长或者杀死癌细胞。那么有无可能开发出一种未来可以应用在生物医学领域的pH的调控技术呢？近日，德国Max Planck Institute for Polymer Research的吴思团队实现了使用近红外光对pH的调控，使使用调控pH来对疾病进行诊疗和其他相关生物用途成为了可能。

目前对pH的调控手段主要是直接加入酸或者碱试剂。这样的操作比较简单、便利，但缺点是这样的方法只能用于体外调节。因为如果把这些酸或者碱试剂直接注入人体内或者相关的生物组织内，这些试剂对正常的细胞也会产生巨大的毒性。相比于直接使用酸酸或者碱试剂来调控pH，光可以提供一种非接触、无损害且具有良好时间和空间分辨率的更好的调控方式。因此，有很多课题组开发了使用光来调节pH的技术。但是目前，他们大部分使用的都是紫外或者可见光来进行调控。众所周知，紫外光具有较大的生物毒性，在体内调控pH的同时也会伤害其他正常的组织或者细胞。除此之外，紫外光和可见光的穿透能力比较弱，无法穿透较深层次的组织来进行pH调控。

吴思博士团队开发的近红外光调控pH的体系很好的弥补了这一缺憾。在该工作中，作者把稀土掺杂的上转换纳米粒子与光敏感的钌络合物结合到一起开发了近红外光调控的pH体系。稀土掺杂的上转换纳米颗粒是一类无机纳米颗粒，可以把近红外光转化为紫外或者可见发射光。在工作中，作者利用稀土掺杂的上转换纳米颗粒这一特性，把其转化出来的可见发射光用来激发光敏感的钌络合物，使得光敏感的钌络合物释放出正丁胺来改变体系的pH。在我们的工作中，在近红外光的刺激之下，体系的pH可以从5.2上升的6.8，上升的数值达到1.6之多。这一结果好于其他的很多紫外光或者可见光调控的pH体系。它们对pH的调控范围一般只能为0.5左右。

为了展示这一体系的潜在应用性，作者还把这一体系通过原位聚合的方法放入到pH敏感的聚丙烯酸凝胶中，在近红外光的照射下，这一体系可以使得凝胶体系内的pH上升，然后上升的pH使得凝胶发生溶涨。通过这种方式展示了我们这一体系的一种应用前景。

这一成果近期发表在《Chemical Communications》上，文章的第一作者是Max Planck Institute for Polymer Research博士研究生陈志俊。

该论文作者为：Zhijun Chen, Yubing Xiong, Roberto Etchenique, Si Wu

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Manipulating pH using near-infrared light assisted by upconverting nanoparticles

Chem. Commun., 2016, 52, 13959-13962, DOI: 10.1039/C6CC05287H

吴思博士简介

吴思，project leader, Max Planck Institute for Polymer Research。2010年于中国科学技术大学取得博士学位。

研究领域是光化学。以通讯作者发表的Nat. Chem.、Adv. Mater等发表文章十余篇。

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发可用于生物医学领域的pH调控技术。众所周知，改变一个生物体系的pH对其有着很重要的影响。但是目前还没有一个有潜力应用在生物体系中改变pH的技术。我们小组主要做的基于稀土掺杂上转换纳米粒子和光敏感钌分子的生物材料。于是，我们就想到能不能把这两者结合到一起，开发一个具有在生物体内调控pH潜力的体系。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本研究遇到的最大的挑战是如何调控稀土掺杂上转换纳米粒子和光敏感钌分子的比例问题。如果这两者之间的比例不合适，那么pH的变化范围就比较小或者需要通过很长时间的近红外光照才能改变pH。在这个过程中，我们团队在在光化学方面的积累起到了重要的作用。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：该体系可以在近红外光的诱导下改变pH，因此可以应用在很多生物医学材料中。比如说，我们可以使用这种pH的改变来进行药物释放，酶活性调控、细胞诱导分化等。我们相信这项研究成果为相关生物医学应用提供了一项有用的工具，将对相关领域的发展产生推动作用。