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CN1969190A - 多峰性纳米结构，其制造方法以及其使用方法 - Google Patents

多峰性纳米结构，其制造方法以及其使用方法 Download PDF

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CN1969190A
CN1969190A CNA2005800202572A CN200580020257A CN1969190A CN 1969190 A CN1969190 A CN 1969190A CN A2005800202572 A CNA2005800202572 A CN A2005800202572A CN 200580020257 A CN200580020257 A CN 200580020257A CN 1969190 A CN1969190 A CN 1969190A
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nano
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CNA2005800202572A
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聂淑明
高晓虎
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Emory University
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Abstract

本发明公开内容的实施方案包括多峰性纳米结构，形成多峰性纳米结构的方法以及使用多峰性纳米结构的方法。

Description

多峰性纳米结构，其制造方法以及其使用方法
相关申请的相互参照
本申请要求享有2004年4月20日提交且对应的序列号为60/563,865的共同未决的美国临时专利申请的优先权，该申请的题目为″多峰性纳米结构，其制造方法以及其使用方法″，其全部内容在此引入作为参考。
关于受联邦政府资助的研究或开发的声明
美国政府可以享有付费许可来实施本发明的公开内容并在有限的条件下有权要求专利拥有人按照美国政府的US NIH R01 GM60562裁决的准许条款的规定，以合理的条件许可他人。
背景
生物分析技术和生物工程的最新进展已经引起了DNA芯片、小型生物传感器和微流控设备的发展。此外，受益于荧光标记的应用包括医学(和非医学)荧光显微法、组织学、流式细胞术、基本的细胞和分子生物学实验方案、荧光原位杂交法、DNA测序、免疫测定、结合鉴定法和离析。这些生效的技术术语对生物医学研究的许多领域如基因表达序型分析、药物发现和临床诊断学带来了相当大的冲击。
成像技术诸如荧光反射成像、荧光介导断层摄影、生物发光成像、活体镜检法、X射线计算机断层摄影(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声(ULT)、单光子发射计算机断层摄影(SPECT)、正电子发射断层摄影术(PET)等都可以被用来研究各种生物系统和生物事件。然而，每一种成像技术都有其优势和劣势(如，成本、灵敏度、分辨率、安全性、成像深度等)。因而，此行业内需要一种更精确、灵敏和适用范围广的检测方法，其结合了多种成像技术的优势。
概述
简要地描述，本发明公开内容的实施方案包括多峰性纳米结构，形成多峰性纳米结构的方法以及使用多峰性纳米结构的方法。其中一个示例性的多峰性纳米结构包括具有第一可探测官能度的至少一种纳米物质和具有第二可探测官能度的第二分子。第二分子连接到纳米物质。第一可探测官能度和第二官能度是不同的。
其中，制备多峰性纳米结构的一个示例性的方法包括：提供具有第一可探测官能度的纳米物质；和将第二分子设置到纳米物质上，其中第二分子具有第二可探测官能度以及其中第一可探测官能度和第二可探测官能度是不同的。
其中，探测受试者体内的靶标的一个示例性的方法包括：提供如上所述的纳米结构，将纳米结构引入受试者，以及通过探测纳米物质的第一可探测官能度和第二分子的第二可探测官能度来确定受试者体内对应于探针的靶标的存在。
附图简述
参考以下的附图可以更好地理解本发明公开内容的许多方面。本附图的各部件并不必须要依照比例尺，其重点在于清楚地阐释本公开内容的原理。而且，附图中相同的参考数字表示遍及若干附图中的相对应部分。
图1阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图2阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图3阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图4阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图5阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图6阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图7阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图8阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图9阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图10阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图11阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图12阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图13阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图14阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图15阐明了多峰性纳米结构的实施方案。
图16阐明了聚胺增强了多峰性纳米结构的荧光强度。
图17是阐明图16所示多峰性纳米结构实施方案的胺的改性程度的图表。
图18阐明了将图16所示的多峰性纳米结构注射进小鼠之前和之后的MRI成像以及注入之后的荧光成像。
详细说明
根据本发明公开内容的目的，正如这里所包含和广泛描述的，一方面本公开内容的实施方案涉及多峰性纳米结构(以下称为纳米结构)，纳米结构的制造方法以及纳米结构的使用方法。纳米结构是可区分的，因为它们包括具有至少两个不同的可探测官能度的组分，且因此可以使用两种或多种成像技术进行单独探测。成像技术可以包括，但不限于，光学系统、磁性系统、x-射线系统、核系统、正电子发射断层摄影术(PET)成像系统、超声系统等。特别地，成像技术可以包括，但不限于，荧光介导断层摄影、生物发光成像、活体镜检法、X射线计算机断层摄影(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声(ULT)、单光子发射计算机断层摄影术(SPECT)、PET及其组合。
纳米结构可以用在许多领域，如，但不限于，多峰性成像造影剂(体外和体内)、生物传感、生物标记、基因表达研究、蛋白质研究、医疗诊断、诊断库、微流控系统、输送载体、纳米镊子(如磁性可以用于纳米-镊子的运动，而光学性质可以用于成像、探测和/或可视化)自组装，以及结石造影术和图案化。
此外，纳米结构可以被改性(如将生物分子连接到纳米结构上)以使纳米结构与某些靶标分子相互作用，这允许使用一种或多种成像技术探测靶标分子。例如，纳米结构与光谱成像结合起来可以用于多路复合、光学成像和探测单个活体细胞内的基因、蛋白质和小分子药物，而MRI、PET等允许磁性化合物和放射性化合物的成像。因为每一种成像技术都有其优势和劣势，使用多峰性纳米结构可以用于将两种或多种成像技术的优势结合起来。
纳米结构的实施方案包括，但不限于，具有可探测的固有官能度(如，可以使用上述一种或多种成像技术探测的)的纳米物质(如量子点、金属颗粒和磁性颗粒)和至少一种具有可探测的固有官能度的造影剂，其固有官能度不同于纳米物质的固有官能度。例如，纳米结构可以包括具有第一可探测官能度的纳米物质，同时其上还设置有(直接或间接地)造影剂(如原子、离子、分子、纳米结构)，该造影剂具有不同于第一可探测官能度的第二可探测官能度。另一个实施例包括具有第一可探测官能度的纳米物质，同时还具有各自设置(直接地或间接地)在纳米物质上的第一造影剂和第二造影剂。第一造影剂和第二造影剂分别具有第二和第三可探测官能度。第一、第二和第三可探测官能度彼此都不相同，但是在一些实施方案中两个可以是相同的。以下的图1一直到图15和实施例1-11中公开了一些示例性的实施方案。
纳米物质和造影剂的可探测官能度各可以包括，但不限于，光学官能度、磁性官能度、X射线官能度和放射性官能度。如上所述，可以使用两种或多种成像技术来探测可探测官能度。成像技术可以包括，但不限于，光学成像系统(如荧光、发光和散射)、磁性成像系统、X射线成像系统、核成像系统、正电子衍射断层影像术(PET)成像系统、超声成像系统以及这些成像系统的组合。可以使用一种或多种成像系统来同时或顺序地测定官能度。
纳米物质可以包括，但不限于，半导体(半导体量子点)、金属和金属氧化物纳米颗粒(如，铁、金、银、铜、钛、镍、铂、钯及其氧化物(如Cr2O3、Co3O4、NiO、MnO、Fe2O3、Fe3O4、FePt、FeCo、FeAl、FeCoAl、CoFe2O4和MnFeO4)及其合金，各金属的氧氮化物、各金属簇、各金属簇复合物及其组合)，类金属和类金属氧化物纳米颗粒、镧系金属纳米颗粒及其组合。在一个实施方案中，纳米物质是单一结构，而在其它的实施方案中，纳米物质包括两种或多种结构(如簇、附聚物等)。
包括造影剂和其它组分的纳米结构的直径可以根据特定的应用场合显著改变。一般说来，纳米结构的直径为约1到100nm，约2到50nm以及约2到30nm。
一般来说，纳米物质的尺寸取决于纳米物质，纳米物质上存在的包裹层、造影剂的尺寸和数目以及存在的其它诸如生物相容性化合物和探针等组分。典型地，当纳米物质是量子点时，量子点的直径为约1纳米(nm)到30nm，约1到25nm，约1到20nm，约1到15nm以及约1到10nm。典型地，当纳米物质是金属、金属氧化物、类金属和类金属氧化物纳米颗粒或镧系金属纳米颗粒时，直径为约1到100nm，约1到80nm，约1到60nm，约1到40nm或约1到20nm。纳米物质的簇和/或附聚物的直径根据纳米物质的数目和纳米物质上存在的化合物来变化。
特别地，下文和美国专利US 6,468,808以及国际专利申请WO 03/003015更详细地描述了半导体量子点，这两个专利的内容在此引入作为参考。此外，磁性纳米颗粒(如那些具有磁性、顺磁性和超顺磁性的物质)可以包括，但不限于，钴、铁纳米颗粒、铁复合物纳米颗粒、各自的氧化物、合金、各自的簇或其组合。特别地，磁性纳米颗粒可以包括超顺磁性氧化铁纳米颗粒(如Fe2O3、Fe3O4的氧化铁纳米颗粒)。其它的顺磁性化合物可以包括，但不限于，Cr、Mn、Fe、Cu、Eu、Gd、Dy及其氧化物或其组合。
在一个实施方案中，纳米物质可以被一层或多层材料，如聚合物或其它化合物部分覆盖，基本上覆盖或完全覆盖。在一个实施方案中，纳米物质可以具有密封纳米物质的疏水性保护结构，而在另一个实施方案中，纳米物质被聚胺层(如，聚赖氨酸、聚精氨酸、壳聚糖、聚丙烯胺、聚乙烯亚胺等)覆盖。一般来说，聚胺层包括多个单体单元。疏水性保护结构包括封端配体和/或两亲共聚物(如，两亲嵌段共聚物、两亲无规共聚物、两亲交替共聚物、两亲周期共聚物及其组合)。层或多层可以厚约0.5到10nm。以下将提供补充细节。
造影剂、生物相容性化合物、探针、连接物和/或螯合化合物可以直接连接到纳米物质和/或连接到设置在纳米物质上的层。此外，探针(如多核苷酸、多肽、治疗剂和/或药物)可以连接到纳米物质或连接到设置在纳米物质上的层。造影剂、生物相容性化合物、探针和/或螯合化合物可以直接和/或通过一种或多种连接物连接到层上。造影剂、生物相容性化合物、探针和/或螯合化合物可以通过一种或多种连接物成串地连接到层上。下面将描述纳米结构如何被构建的多个实施方案，但是以下仅是示例性的列举，且其它构型将被本发明的公开内容所覆盖。
在一个实施方案中，生物相容性化合物可以直接地或间接地连接到纳米物质和/或疏水性保护的层上。在另一个实施方案中，纳米物质可以包括生物相容性化合物和探针。生物相容性化合物和/或探针基本上设置在疏水性保护结构上(如连接到疏水性保护结构的表面和/或连接到疏水性保护结构的内部)。
在另一个实施方案中，纳米结构可以包括两种或多种纳米物质和/或两种或多种类型的纳米物质。此外，纳米结构可以包括具有两种或多种聚合物(如两种或多种嵌段聚合物)的疏水性保护结构。进一步，纳米结构可以包括多纳米物质和/或多聚合物(如嵌段共聚物)。此外，纳米结构可以包括两种或多种具有不同官能的不同类型的探针。此外，纳米物质和聚合物(如嵌段共聚物)可以组装成微观结构和宏观结构。
在另一个实施方案中，纳米物质可以具有配体包裹层(初始配体)。对不同类型的化合物沉积来说，初始配体可以保留、部分或全部被其它类型的配体替代。初始配体和/或新配体可以包括小分子(如三辛基氧化膦、十六烷基胺、十六碳烯、巯基乙酸、油酸、柠檬酸及其衍生物)或聚合物(如聚合物、共聚物、表面活性剂、类脂或其衍生物)，其可以吸附纳米颗粒以及还提供用于造影剂、生物相容性化合物、探针和螯合化合物的键。配体和纳米物质可以通过如，但不限于，共价键、疏水相互作用、亲水相互作用或π-堆积等相互作用来相互影响，这取决于纳米物质的表面和配体的分子结构。
在另一个实施方案中，纳米物质可以在其初始配体顶部多包裹一层另一种聚合物，其通过相互作用，如，但不限于，疏水相互作用、亲水相互作用、共价键等，然后化合物通过螯合、疏水相互作用、亲水相互作用、π-堆积、共价键及其组合等被吸附到聚合物上。
用于多包裹一层的示例性聚合物可以包括上述那些。例如，多包裹的聚合物可以包括，但不限于，两亲聚合物、洗涤剂和/或包括洗涤剂衍生物和类脂衍生物的类脂结构。两亲聚合物可以包括，但不限于，DTPA改性的聚(丙烯酸)、聚(马来酸)、聚(马来酸酐)等。洗涤剂可以包括，但不限于，AOT、brij类、lgepal类、三硝基甲苯类、SDS或各自的衍生物。特别地，洗涤剂可以包括琥珀酸二辛酯磺酸钠盐、聚乙二醇十二烷基醚、(辛基苯氧基)聚乙氧基乙醇、辛基苯基-聚乙二醇、叔-辛基苯氧基聚乙氧基乙醇、聚乙二醇叔-辛基苯基醚、4-(1，1，3，3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇、十二烷基硫酸钠盐或乙醇酸乙氧基化辛醚。进一步，嵌段共聚物可以包括类脂，如，但不限于，类脂-PEG，天然类脂、合成类脂、鞘脂类或各自衍生物。
特别地，嵌段共聚物可以包括如具有聚-丙烯酸丁酯片段、聚-丙烯酸乙酯片段或聚-甲基丙烯酸片段的ABC三嵌段结构。嵌段共聚物可以包括具有两种或多种不同的聚-脂肪族-丙烯酸脂片段的二嵌段和/或三嵌段共聚物。此外，嵌段共聚物可以包括具有两种或多种聚-烷基-丙烯酸酯片段的二嵌段和/或三嵌段共聚物。
此外，嵌段共聚物可以与洗涤剂和/或类脂一起使用，或者在一些实施方案中被洗涤剂和/或类脂代替。例如，洗涤剂可以包括，但不限于，AOT、brij类、lgepal类、三硝基甲苯类、SDS或各自的衍生物。特别地，洗涤剂可以包括琥珀酸二辛酯磺酸钠盐、聚乙二醇十二烷基醚、辛基苯氧基聚乙氧基乙醇、辛基苯基-聚乙二醇、叔-辛基苯氧基聚乙氧基乙醇、聚乙二醇叔-辛基苯基醚、4-(1，1，3，3-四甲基丁基)苯基-聚乙二醇、十二烷基硫酸钠盐或乙醇酸乙氧基化辛醚。进一步，嵌段共聚物可以包括类脂诸如，但不限于，类脂-PEG，天然类脂、合成类脂、鞘脂类和各自衍生物。
设置在纳米物质上的层的厚度可以根据特定的应用场合而显著变化。一般说来，厚度约0.5到20nm，约0.5到15nm，约0.5到10nm以及约0.5到5nm。
如上所述，通过任何合适的方法，利用直接或间接地结合到纳米物质的稳定的物理和/或化学方式可以将造影剂、生物相容性化合物、螯合化合物、连接物和探针连接到纳米物质。例如，可以利用共价键、非共价键、离子键和螯合键以及被吸附或吸附到纳米物质上来将组分连接到纳米物质。此外，可以通过疏水相互作用、亲水相互作用、电荷-电荷相互作用、π-堆积相互作用及其组合，以及类似的相互作用将组分连接到纳米物质上。
生物相容性化合物可以包括化合物，如，但不限于，聚乙二醇(MW约500到50,000以及1000到10,000)；聚丙二醇(MW约50,000)、右旋糖苷和诸如氨基-右旋糖苷和羧基-右旋糖苷等衍生物以及多糖。生物相容性化合物可以直接地或间接地连接到纳米物质和/或设置在纳米物质上的层(如疏水性保护层或聚胺层)。根据应用场合，设置在纳米物质上的生物相容性化合物的量具有宽的范围。
螯合化合物可以包括，但不限于，天然螯合剂和合成螯合剂。天然螯合剂包括，但不限于，碳水化合物(如多糖)、具有多于一个配位基团的有机酸、类脂、甾族化合物、氨基酸、肽、磷酸酯、核苷酸、四吡咯、醋铁胺、离子载体(如短杆菌肽、莫能菌素和缬氨霉素)和酚醛树脂。合成的螯合剂包括，但不限于，二碱价柠檬酸铵、一水合草酸铵、二碱价酒石酸铵、二碱价酒石酸铵溶液、均苯四酸、四水合三碱价柠檬酸钙、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、甘胆酸钠、二碱价柠檬酸铵、四水合三碱价柠檬酸钙、三碱价柠檬酸镁、柠檬酸钾、一碱价柠檬酸钠、三碱价柠檬酸锂、三碱价柠檬酸钠、柠檬酸、N，N-二甲基癸胺-N-氧化物、N，N-二甲基十二烷基胺-N-氧化物、二碱价柠檬酸铵、二碱价酒石酸铵、乙二胺四乙酸二铵盐、一碱价D-酒石酸钾、N，N-二甲基癸胺N-氧化物、N，N-二甲基十二烷基胺-N-氧化物、二水合乙二胺四乙酸二钾盐、二碱价酒石酸钠、乙二胺四乙酸、二水合乙二胺四乙酸二钠盐、乙二胺四乙酸、一水合乙二胺四乙酸四钠盐、乙二胺四乙酸三钾盐、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、草酸钾、草酸钠、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、乙二胺四乙酸、乙二胺四乙酸二铵盐、二水合乙二胺四乙酸二钾盐、二水合乙二胺四乙酸二钠盐、二水合乙二胺四乙酸二钠盐、乙二胺四乙酸、一水合乙二胺四乙酸四钠盐、乙二胺四乙酸三钾盐、三水合乙二胺四乙酸三钠盐、二水合乙二胺四乙酸二钾盐、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、甘胆酸钠、乙二醇-二(2-乙醚胺)-N，N，N，N-四乙酸、5-磺基水杨酸、N，N-二甲基癸胺-N-氧化物、三碱价柠檬酸镁、无水三碱价柠檬酸镁、一水合草酸铵、草酸四钾、草酸钾、草酸钠、柠檬酸钾、二水合乙二胺四乙酸二钾、一碱价D-酒石酸钾、过氧二硫酸钾、一碱价柠檬酸钾、三碱价柠檬酸钾、一水合草酸钾、过氧二硫酸钾、酒石酸钾钠、四水合酒石酸钾钠、一碱价D-酒石酸钾、二水合草酸四钾、水合均苯四酸、酒石酸钾钠、酒石酸钾钠、二水合乙二胺四乙酸二钠、一碱价柠檬酸钠、酒石酸二钠、二碱价酒石酸钠、一水合酒石酸二钠、一碱价柠檬酸钠、二水合三碱价柠檬酸钠、三碱价柠檬酸钠、水合甘胆酸钠、草酸钠、二水合二碱价酒石酸钠、二碱价酒石酸钠、二水合5-磺基水杨酸、二碱价酒石酸铵、二碱价酒石酸钠、一碱价D-酒石酸钾、二酒石酸钠、酒石酸钾钠、L-(+)-酒石酸、水合乙二胺四乙酸三钠、L-(+)-酒石酸、四水合三碱价柠檬酸钙、甘胆酸钠、三碱价柠檬酸锂、三碱价柠檬酸镁、乙二胺四乙酸三钾盐、三碱价柠檬酸钠和三水合乙二胺四乙酸三钠。特别地，螯合化合物可以包括，但不限于，EDTA(乙二胺四乙酸)、DTPA(二乙烯三胺五乙酸)、DOPA(二羟基苯丙氨酸)和各自的衍生物。
根据特定的应用场合，设置在纳米物质上的螯合化合物的量可以是宽的范围，但不应该实质上改变纳米物质的信号和/或纳米结构的物理特性。应该注意到，设置在纳米物质上的螯合化合物的数目越多，来自受螯合化合物螯合的化合物的信号越强。
连接物可以包括设置在纳米物质上的层的官能团(如胺基)和/或连接物可以包括单独的化合物，其一端连接到纳米物质或层上，一端连接到螯合化合物、造影剂、生物相容性化合物或另一种连接物。连接物可以包括官能团如，但不限于，胺、羧酸、羟基、硫代及其组合。连接物可以包括化合物如，但不限于，DTPA、EDTA、DOPA、EGTA、NTA及其组合。在一个实施方案中，连接物和螯合化合物是相同的，但在其它的实施方案中，它们可以是不同的。连接到螯合化合物、造影剂和/或其它连接物的连接物的百分比可以是约0.1到100％。
如上所述，纳米结构可以包括量子点如，但不限于，发光半导体量子点。通常来说，量子点包括核和端，然而也可以使用未封端的量子点。核是纳米尺度的半导体。虽然在本发明公开内容中可以使用IIA-VIA，IIIA-VA或IVA-IVA，IVA-VIA半导体的任何核，但核必须是一旦与端结合，就成为发光量子点。IIA-VIA半导体是包含至少一种选自周期表中的IIA族的元素和至少一种选自VIA族的元素的化合物，等等。核可以包括两种或多种元素。在一个实施方案中，核是尺寸范围在约1nm到约40nm，约1nm到30nm，约1nm到20nm，约1nm到10nm的IIA-VIA，IIIA-VA或IVA-IVA半导体。在另一个实施方案中，核优选IIA-VIA半导体且尺寸范围约2nm到约10nm。例如，核可以是CdS、CdSe、CdTe、ZnSe、ZnS、PbS、PbSe或合金。
端是不同于核半导体的半导体且结合到核上，由此形成核的表层。端可以是一旦与给定的半导体核结合，其就成为发光量子点。端通过具有比核高的带隙而钝化核。在一个实施方案中，端是高带隙的IIA-VIA半导体。例如，端可以是ZnS或CdS。核和端的组合可以包括，但不限于，当核是CdSe或CdS时，端是ZnS，以及当核是CdSe时，端是CdS。其它示例性的量子点包括，但不限于，CdS、ZnSe、CdSe、CdTe、CdSexTe1-x、InAs、InP、PbTe、PbSe、PbS、HgS、HgSe、HgTe、CdHgTe和GaAs。端约0.1到10nm，约0.1到5nm，和约0.1到2nm。
根据量子点的物理特性，如纳米晶体的尺寸和材料可以选择由量子点发射的波长(即颜色)。已知量子点发出的光约300纳米(nm)到2000nm(如UV、近IR和IR)。量子点的颜色包括，但不限于，红色、蓝色、绿色及其组合。颜色或荧光发射的波长可以连续地调整。量子点发出的光的波长带由核的尺寸或核与端的尺寸确定，这取决于形成核与端的材料。通过改变QD的组分和尺寸和/或以共中心壳的形式在核周围添加一个或多个端来调整发射波长带。
量子点的合成众所周知并描述在美国专利US 5,906,670；US5,888,885；US 5,229,320；US 5,482,890；US 6,468,808；US 6,306,736；US 6,225,198等，国际专利申请WO 03/003015(所有的专利都在此引入作为参考)和许多研究文章中。由量子点发射的波长以及其它物理和化学特性已经描述在美国专利US 6,468,808和国际专利申请WO 03/003015中，且不再进一步详细描述。此外，量子点的制备方法描述在美国专利US 6,468,808和国际专利申请WO 03/003015中，且不再进一步详细描述。
在一个实施方案中，量子点可以基本上被包裹或被聚合物包裹。聚合物可以包括，但不限于，聚胺、封端配体、疏水性保护层及其组合。特别地，聚胺可以包括，但不限于，聚赖氨酸。量子点被聚合物包裹的范围约1到100％。聚合物层的厚度范围可以在约0.5到50nm。
在另一个实施方案中，量子点可以被封端配体封端，其在量子点上形成了层，且具有设置在封端配体上的聚合物层。封端配体可以包括化合物，如，但不限于，O＝PR3化合物、O＝PHR2化合物、O＝PHR1化合物、H2NR化合物、HNR2化合物、NR3化合物、HSR化合物、SR2化合物及其组合。R可以是C1到C18的烃，如，但不限于，直链烃、支链烃、环烃、取代烃(如卤代的)、饱和烃、不饱和烃及其组合。优选地，烃是C4到C18的饱和直链烃和C6到C18的饱和直链烃以及C18的饱和直链烃。R基团的组合可以连接到P、N或S。特别地，封端配体可以选自，但不限于，三-磷酸辛酯氧化物、硬脂酸、辛癸胺、油酸及其衍生物。
聚合物可以包括二嵌段共聚物和三嵌段共聚物。此外，聚合物可以是两亲的。进一步，聚合物可以包括烃基侧链，如，但不限于，1-18个碳的烷基侧链及其组合。特别地，嵌段共聚物可以包括如具有聚丙烯酸丁酯片段、聚丙烯酸乙酯片段和聚丙烯酸甲酯片段的ABC三嵌段结构。
造影剂具有不同于纳米物质第一官能度的官能度，其可以包括，但不限于，量子点(用于纳米物质是非量子点的实施方案)、磁性化合物、顺磁性化合物、放射性同位素、荧光化合物、有机染料及其组合。量子点、磁性化合物和顺磁性化合物是上文有关纳米物质中所描述的那些。应该注意，在一个实施方案中纳米物质可以是量子点，而在另一个实施方案中造影剂是量子点。半导体、金属和金属氧化物纳米颗粒、类金属和类金属氧化物纳米颗粒、镧系金属纳米颗粒、磁性化合物、磁性化合物、顺磁性化合物和放射性同位素可以各自被用作纳米物质或造影剂。具体的结构至少部分地取决于应用场合和所用的探测系统。设置在纳米物质上的造影剂的量至少部分地取决于期望的信号强度、设置在纳米物质上的层(如果有的话)和成像探测系统。此外，设置在钠米物质上的造影剂的量不应该干扰来自纳米物质的期望的信号或其它化学性能。
放射性同位素可以包括，但不限于，铟(111In)、钇(90Y)、99Tc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re、188Re(铼)、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合。
荧光化合物(如有机染料)可以包括，但不限于，荧光黄、芘、香豆素、BODIPY、俄勒冈绿、若丹明和德州红，或花青染料。其它的染料可以从商业网站如分子探针(www.probes.com)上找到。
荧光化合物可以包括，但不限于，1，5IAEDANS；1，8-ANS；4-甲基伞形酮；5-羧基-2，7-二氯荧光黄；5-羧基荧光黄(5-FAM)；5-羧基萘荧光黄；5-羧基四甲基若丹明(5-TAMRA)；5-FAM(5-羧基荧光黄)；5-HAT(羟基色胺)；5-羟基色胺(HAT)；5-ROX(羧基-X-若丹明)；5-TAMRA(5-羧基四甲基若丹明)；6-羧基若丹明6G；6-CR 6G；6-JOE；7-氨基-4-甲基香豆素；7-氨基放线菌素D(7-AAD)；7-羟基-4-甲基香豆素；9-氨基-6-氯-2-甲氧啶；ABQ；酸性品红；ACMA(9-氨基-6-氯-2-甲氧啶)；吖啶橙；吖啶红；吖啶黄；吖啶黄素；吖啶黄素孚根SITSA；发光蛋白质(光蛋白)；AFPs-自动荧光蛋白-(Quantum Biotechnologies)；Alexa Fluor 350TM；AlexaFluor 430TM；Alexa Fluor 488TM；Alexa Fluor 532TM；Alexa Fluor 546TM；Alexa Fluor 568TM；Alexa Fluor 594TM；Alexa Fluor 633TM；Alexa Fluor647TM；Alexa Fluor 660TM；Alexa Fluor 680TM；茜素络合剂；茜素红；别藻蓝蛋白(APC)；AMC，AMCA-S；AMCA(氨甲基香豆素)；AMCA-X；氨基放线菌素D；氨基香豆素；氨甲基香豆素(AMCA)；苯胺蓝；硬脂酸Anthrocyl；APC(别藻蓝蛋白)；APC-Cy7；APTRA-BTC；APTS；Astrazon亮红4G；Astrazon橙R；Astrazon红6B；Astrazon黄7GLL；阿的平；ATTO-TAGTMCBQCA；ATTO-TAGTMFQ；金胺；Aurophosphine G；Aurophosphine；BAO 9(二氨基苯基噁二唑)；BCECF(高pH)；BCECF(低pH)；硫酸小檗碱；β-内酰胺酶；Bimane；二苯甲酰胺；二苯甲亚胺(Hoechst)；bis-BTC；Blancophor FFG；Blancophor SV；BOBOTM-1；BOBOTM-3；Bodipy 492/515；Bodipy 493/503；Bodipy 500/510；Bodipy505/515；Bodipy 530/550；Bodipy 542/563；Bodipy 558/568；Bodipy 564/570；Bodipy 576/589；Bodipy 581/591；Bodipy 630/650-X；Bodipy 650/665-X；Bodipy 665/676；Bodipy Fl；Bodipy FL ATP；Bodipy Fl-N酯酰基鞘氨醇；Bodipy R6G SE；Bodipy TMR；Bodipy TMR-X共轭物；Bodipy TMR-X，SE；Bodipy TR；Bodipy TR ATP；Bodipy TR-X SE；BO-PROTM-1；BO-PROTM-3；亮磺基黄素FF；BTC；BTC-5N；钙黄绿素；钙黄绿素蓝；Calcium CrimsonTM；钙绿；钙绿-1 Ca2+染料；钙绿-2 Ca2+；钙绿-5N Ca2+；钙绿-C18 Ca2+；钙橙；钙荧光白；羧基-X-若丹明(5-ROX)；Cascade蓝TM；Cascade黄；儿茶酚胺；CCF2(GeneBlazer)；CFDA；叶绿素；色霉素A；色霉素A；CL-NERF；CMFDA；香豆素毒伞素；C-藻青素；CPM甲基香豆素；CTC；CTC甲臜；Cy2TM；Cy3.1 8；Cy3.5TM；Cy3TM；Cy5.1 8；Cy5.5TM；Cy5TM；Cy7TM；环状AMP荧光传感器(FiCRhR)；Dabcyl；丹酰；丹磺酰胺；丹磺酰尸胺；丹磺酰氯；丹酰DHPE；丹磺酰氟；DAPI；Dapoxyl；Dapoxyl 2；Dapoxyl 3′DCFDA；DCFH(二氯二氢荧光素二乙酸酯)；DDAO；DHR(二氢若丹明123)；Di-4-ANEPPS；Di-8-ANEPPS(非-比例)；DiA(4-Di-16-ASP)；二氯二氢荧光素二乙酸酯(DCFH)；DiD-亲油示踪剂；DiD(DiIC18(5))；DIDS；二氢若丹明123(DHR)；DiI(DiIC18(3))；二硝基苯酚；DiO(DiOC18(3))；DiR；DiR(DiIC18(7)；DM-NERF(高pH)；DNP；多巴胺；DTAF；DY-630-NHS；DY-635-NHS；ELF 97；曙红；赤藓红；赤藓红ITC；溴化乙锭；乙锭同二聚体-1(EthD-1)；Euchrysin；EukoLight；三氯化铕(III)；EYFP；固蓝；FDA；孚根(副品红)；FIF(甲醛诱导的荧光素)；FITC；Flazo橙；Fluo-3；Fluo-4；荧光素(FITC)；荧光素二乙酸酯；氟-祖母绿；氟-金(羟基二脒替)；氟-红宝石；FluorX；FM 1-43TM；FM 4-46；Fura红TM(高pH)；Fura红TM/Fluo-3；Fura-2；Fura-2/BCECF；Genacryl亮红B；Genacryl亮黄10GF；Genacryl粉红3G；Genacryl黄5GF；GeneBlazer(CCF2)；Gloxalic Acid；粒蓝；血卟啉；Hoechst 33258；Hoechst 33342；Hoechst 34580；HPTS；羟基香豆素；羟基二脒替(FluoroGold)；羟基色胺；Indo-1，高钙；Indo-1，低钙；Indo二羰花青(DiD)；Indo三羰花青(DiR)；Intrawhite Cf；JC-1；JO-JO-1；JO-PRO-1；LaserPro；Laurodan；LDS 751(DNA)；LDS 751(RNA)；白色体PAF；白色体SF；白色体WS；丽丝胺若丹明；丽丝胺若丹明B；钙黄绿素/乙锭同型二聚体；LOLO-1；LO-PRO-1；LuciferYellow；Lyso示踪剂蓝；Lyso示踪剂蓝-白；Lyso示踪剂绿；Lyso示踪剂红；Lyso示踪剂黄；LysoSensor蓝；LysoSensor绿；LysoSensor黄/蓝；Mag绿；Magdala红(Phloxin B)；Mag-Fura红；Mag-Fura-2；Mag-Fura-5；Mag-Indo-1；镁绿；镁橙；孔雀石绿；Marina蓝；MaxilonBrilliant Flavin 10 GFF；Maxilon Brilliant Flavin 8 GFF；Merocyanin；甲氧基香豆素；Mitotracker绿FM；Mitotracker橙；Mitotracker红；丝裂霉素；Monobromobimane；Monobromobimane(mBBr-GSH)；Monochlorobimane；MPS(甲基绿焦宁芪)；NBD；NBD胺；尼罗河红；Nitrobenzoxadidole；去甲肾上腺素；核固红；核黄；Nylosan Brilliant Iavin E8G；Oregon绿；Oregon绿488-X；Oregon绿TM；Oregon绿TM 488；Oregon绿TM500；Oregon绿TM514；太平洋蓝；副玫瑰苯胺(孚根)；PBFI；PE-Cy5；PE-Cy7；PerCP；PerCP-Cy5.5；PE-德州红[红613]；荧光桃红B(Magdala红)；Phorwite AR；Phorwite BKL；Phorwite Rev；Phorwite RPA；膦3R；PhotoResist；藻红素B[PE]；藻红素R[PE]；PKH26(Sigma)；PKH67；PMIA；Pontochrome BlueBlack；POPO-1；POPO-3；PO-PRO-1；PO-PRO-3；樱草灵；普施安黄；碘化丙碇(PI)；PyMPO；芘；焦宁；焦宁B；Pyrozal Brilliant Flavin 7GF；QSY 7；氮芥喹丫啶；红613[PE-德州红]；试卤灵；RH 414；Rhod-2；若丹明；若丹明110；若丹明123；若丹明5GLD；若丹明6G；若丹明B；若丹明B 200；若丹明B extra；若丹明BB；若丹明BG；若丹明绿；若丹明Phallicidine；若丹明鬼笔毒环肽；若丹明红；若丹明WT；虎红；R-藻青素；R-藻红素(PE)；S65A；S65C；S65L；S65T；SBFI；5-羟色胺；Sevron亮红2B；Sevron亮红4G；Sevron亮红B；Sevron橙；Sevron黄L；SITS；SITS(樱草灵)；SITS(芪异硫代磺酸)；SNAFL钙黄绿素；SNAFL-1；SNAFL-2；SNARF钙黄绿素；SNARF1；钠绿；SpectrumAqua；光谱绿；光谱橙；光谱红；SPQ(6-甲氧基-N-(3-硫代丙基)喹啉鎓)；芪；硫代若丹明B can C；硫代若丹明Extra；SYTO 11；SYTO 12；SYTO 13；SYTO 14；SYTO 15；SYTO 16；SYTO 17；SYTO 18；SYTO 20；SYTO 21；SYTO 22；SYTO 23；SYTO 24；SYTO 25；SYTO 40；SYTO 41；SYTO 42；SYTO 43；SYTO 44；SYTO 45；SYTO 59；SYTO 60；SYTO 61；SYTO 62；SYTO 63；SYTO 64；SYTO 80；SYTO 81；SYTO 82；SYTO 83；SYTO 84；SYTO 85；SYTOX蓝；SYTOX绿；SYTOX橙；四环素；四甲基若丹明(TRITC)；德州红TM；德州红-XTM共轭物；硫杂二羰花青(DiSC3)；噻嗪红R；噻唑橙；硫代黄素5；硫代黄素S；硫代黄素TCN；Thiolyte；噻唑橙；TinopolCBS(钙荧光白)；TMR；TO-PRO-1；TO-PRO-3；TO-PRO-5；TOTO-1；TOTO-3；TriColor(PE-Cy5)；TRITC四甲基若丹明异硫代氰酸盐；TrueBlue；红赤；Ultralite；荧光素钠B；Uvitex SFC；WW 781；X-若丹明；XRITC；二甲苯橙；Y66F；Y66H；Y66W；YO-PRO-1；YO-PRO-3；YOYO-1；YOYO-3，Sybr Green，噻唑橙(内螯合染料)，或其组合。
如上所述，纳米结构可以连接到探针分子。探针分子是可以直接或者间接地通过一种或多种连接物连接到纳米结构的任何分子。探针分子可以通过任何合适的方法，直接或间接地以任意稳定的物理或化学结合方式连接到纳米结构。
在一个实施方案中，探针分子对一种或多种靶标分子(如癌细胞)具有亲和力，用于期望的探测(如确定腔(体)内位置的存在和/或邻近的位置)。例如，如果靶标分子是核酸序列，应该选择探针分子以便基本上互补靶标分子序列，以使靶标和探针发生杂交。术语“基本上互补”意味着探针分子足以互补靶标序列以在选定的反应条件下杂交。
探针分子和靶标分子可以包括，但不限于，多肽(如蛋白质，如，但不限于，抗体(单克隆的或多克隆的))、核酸(单体的和低聚的)、多糖、糖、脂肪酸、类固醇、嘌呤、嘧啶、药物(如小化合物药物)、配体或其组合。
短语″多肽″或″蛋白质″期望包括蛋白质、糖蛋白、多肽、肽等，无论是从天然产物分离出，源于病毒、细菌、植物或动物的(如哺乳动物例如如人)，或是合成的，以及其片段。优选的蛋白质或其片段包括，但不限于，抗原、抗原的抗原决定基、抗体或抗体的抗原反应性片段。
所用的短语″核酸″期望包括DNA和RNA，无论是从天然产物分离出，源于病毒、细菌、植物或动物的(如哺乳动物例如如人)，或是合成的、单链的、双链的，包括天然的或非天然的核苷酸，或化学修饰的核苷酸。
此外，探针还可以包括，但不限于，药物、治疗剂、放射剂、小分子药物及其组合，其可用于治疗靶标分子和/或有关的疾病和所关心的疾患。药物、治疗剂和放射剂可以按照期望的治疗以及将要被治疗的疾患和/或疾病来选择。在一个实施方案中，纳米结构可以包括两种或多种用于治疗疾患和/或疾病的探针。
以下是可以被使用的探针的非限制性说明的列表：ProleukinTM、CampathTM、Panretin TM、ZyloprimTM、HexalenTM、EthyolTM、ArimidexTM、TrisenoxTM、ElsparTM、TICE BCGTM、TargretinTM、BlenoxaneTM、BusulfexTM、MyleranTM、MethosarbTM、XelodaTM、ParaplatinTM、BCNU、BiCNUTM、Gliadel WaferTM、CelebrexTM、LeukeranTM、PlatinolTM、Leustatin，-2-CdATM、环磷酰胺、NeosarTM、Cytoxan InjectionTM、Cytoxan Tablet TM、Cytosar-UTM、DepoCytTM、DTIC-DomeTM、CosmegenTM、AranespTM、DanuoXomeTM、DaunorubicinTM、CerubidineTM、OntakTM、ZinecardTM、TaxotereTM、阿霉素、RubexTM、Adriamycin PFS Injectionintravenous InjectionTM、DoxilTM、DromostanoloneTM、MasteroneTM、Elliott′s B SolutionTM、EllenceTM、epogenTM、EmcytTM、EtopophosTM、VepesidTM、AromasinTM、NeupogenTM、FUDRTM、FludaraTM、AdrucilTM、FaslodexTM、GemzarTM、MylotargTM、Zoladex ImplantTM、ZoladrexTM、HydreaTM、ZevalinTM、IdamycinTM、IFEXTM、GleevecTM、Roferon-ATM、Intron ATM、CamptosarTM、FemaraTM、Wellcovorin、LeucovorinTM、LeucovorinTM、ErgamisolTM、CeeBUTM、MustargenTM、MegaceTM、AlkeranTM、PurinetholTM、MesnexTM、MethotrexateTM、UvadexTM、MutamycinTM、MitozytrexTM、LysodrenTM、NovatroneTM、Durabolin-50TM、VerlumaTM、NeumegaTM、EloxatinTM、PaxeneTM、TaxolTM、ArediaTM、Adagen(Pegademase Bovine)TM、OncasparTM、NeulastaTM、NipentTM、VercyteTM、MithracinTM、PhotofrinTM、MatulaneTM、AtabrineTM、ElitekTM、RituxanTM、ProkineTM、ZanosarTM、SclerosolTM、NolvadexTM、TemodarTM、VumonTM、TeslacTM、ThioguanineTM、ThioplexTM、HycamtinTM、FarestonTM、BexxarTM、HerceptinTM、VesanoidTM、Uracil Mustard CapsulesTM、ValstarTM、VelbanTM、OncovinTM、NavelbineTM、和ZometaTM。
在一个实施方案中，纳米结构可以包括至少两种不同类型的探针，一种是靶标探针，其以与疾患和/或疾病有关的细胞或化合物为目标，而第二种探针是用于治疗疾病的药物。这样，纳米结构作为检测组分，输送组分到所关心的细胞，以及用于治疗剂的输送组分。纳米物质的检测可以用于确保将纳米结构输送到期望的目的地以及输送到目的地的纳米结构的数量。
图1阐明了多峰性纳米结构10a的实施方案。多峰性纳米结构10a包括，但不限于，量子点12、聚胺层14、螯合剂18、造影剂22和生物相容性制剂或化合物24。螯合剂18通过连接物16(如聚胺层14的胺官能团)连接到聚胺层14。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚胺层14。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10a可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
例如，具体的例子将包括包裹了聚赖氨酸的QD，其中PEG-COOH和DTPA共轭到胺上，以及顺磁性化合物和/或同位素化合物被DTPA螯合。
图2阐明了多峰性纳米结构10b的实施方案。多峰性纳米结构10b包括，但不限于，量子点12、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。螯合剂18通过连接物16连接到聚合物层34。另外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10b可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
例如，具体的例子将包括受疏水性配体保护的QD，其多包裹了一层两亲聚合物，其中PEG和DTPA共轭到两亲聚合物。顺磁性和/或同位素化合物被DTPA螯合。另一个例子包括受疏水性配体保护的QD，其多包裹了类脂-PEG和类脂-DTPA的混合物。顺磁性和/或同位素化合物被DTPA螯合。
图3阐明了多峰性纳米结构10c的实施方案。多峰性纳米结构10c包括，但不限于，量子点12、封端配体32、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。生物相容性化合物24通过连接物16连接到封端配体32。螯合剂18通过连接物16连接到生物相容性化合物24(如具有胺官能团的PEG化合物)。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10c可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
例如，QD包裹了PEG改性的聚赖氨酸，其中PEG螯合剂的另一末端被共轭(如DTPA、EDTA和NTA)。顺磁性化合物或同位素化合物被螯合化合物螯合。
图4阐明了多峰性纳米结构10d的实施方案。多峰性纳米结构10d包括，但不限于，量子点12、封端层32、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。螯合剂18通过连接物16连接到封端层32。另外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到封端层32。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10d可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
例如，胺改性的DTPA或NTA以及硫代PEG或胺改性的PEG共同吸附到QD的表面上。顺磁性化合物或同位素化合物被螯合剂螯合。
图5阐明了多峰性纳米结构10e的实施方案。多峰性纳米结构10e包括，但不限于，量子点12、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。生物相容性化合物24通过连接物16连接到封端配体32。螯合剂18通过连接物16连接到生物相容性化合物24(如具有胺官能团的PEG化合物)。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10e可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图6阐明了多峰性纳米结构10f的实施方案。多峰性纳米结构10f包括，但不限于，磁性纳米颗粒、封端配体32、聚合物层34、染料38和生物相容性化合物24。染料38通过连接物16连接到聚合物层34以及在另一个实施方案中，染料38被吸附到聚合物层34上。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于染料38和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10f可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图7阐明了多峰性纳米结构10g的实施方案。多峰性纳米结构10g包括，但不限于，磁性纳米颗粒36(在另一个实施方案中是顺磁性纳米颗粒)、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22(如放射性化合物)和生物相容性化合物24。螯合剂18通过连接物16连接到聚合物层34。另外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10g可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图8阐明了多峰性纳米结构10h的实施方案。多峰性纳米结构10h包括，但不限于，磁性纳米颗粒36(在另一个实施方案中是顺磁性纳米颗粒)、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。生物相容性化合物24通过连接物16连接到封端配体32。螯合剂18通过连接物16连接到生物相容性化合物24(如具有胺官能团的PEG化合物)。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10h可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图9阐明了多峰性纳米结构10i的实施方案。多峰性纳米结构10i包括，但不限于，磁性纳米颗粒36(在另一个实施方案中是顺磁性纳米颗粒)、封端配体32、聚合物层34、染料38和生物相容性化合物24。染料38通过连接物16连接到聚合物层34以及在另一个实施方案中，染料38被吸附到聚合物层34上。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于染料38和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10i可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图10阐明了多峰性纳米结构10j的实施方案。多峰性纳米结构10j包括，但不限于，金属纳米颗粒38、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。螯合剂18通过连接物16连接到聚合物层34。另外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10j可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图11阐明了多峰性纳米结构10k的实施方案。多峰性纳米结构10k包括，但不限于，金属纳米颗粒36、封端配体32、聚合物层34、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。生物相容性化合物24通过连接物16连接到封端配体32。螯合剂18通过连接物16连接到生物相容性化合物24(如具有胺官能团的PEG化合物)。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10k可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图12阐明了多峰性纳米结构10l的实施方案。多峰性纳米结构10l包括，但不限于，金属纳米颗粒38、封端配体32、聚合物层34、染料38和生物相容性化合物24。染料38通过连接物16连接到聚合物层34以及在另一个实施方案中，染料38被吸附到聚合物层34上。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到聚合物层34。在另一个实施方案中，用于染料38和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10l可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图13阐明了多峰性纳米结构10m的实施方案。多峰性纳米结构10m包括，但不限于，金属纳米颗粒38、螯合剂18、造影剂22和生物相容性化合物24。螯合剂18通过连接物16连接到金属纳米颗粒38。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到金属纳米颗粒38。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性纳米结构10m可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
图14阐明了多峰性纳米结构10n的实施方案。多峰性纳米结构10n包括，但不限于，金属纳米颗粒38、染料38、和生物相容性化合物24。染料38通过连接物16连接到金属纳米颗粒38。此外，生物相容性化合物24通过连接物16连接到金属纳米颗粒38。在另一个实施方案中，用于螯合剂18和用于生物相容性化合物24的连接物是不同的。在另一个实施方案中，多峰性米结构10n可以包括两种或多种具有不同官能度的造影剂。
实施例
现在已经大体上描述了纳米结构的实施方案，实施例1-12描述了纳米结构的一些实施方案。虽然，结合实施例1-12以及相对应的文字和附图描述了纳米结构的实施方案，但是并不打算将纳米结构的实施方案限制到这些描述。相反地，期望覆盖住所有落入本发明公开实施方案的主旨和范围内的替换、修改以及等同物。
实施例1：Gd-量子点(QD)纳米结构
可以使用某些地方有改动的文献公开的方法(如，改变PEG和DTPA的取代程度)制备PEG和Gd-DTPA接枝的(graphed)聚赖氨酸。(参见，Review of Scientific Instruments(2003)74，4158-4163；Biophysical Journal75，1998，2163-2169；Review of Scientific Instruments(2003)74，4012-4020；以及Hypertension 2001，38，1158-1161，其都被引入作为参考)。应该注意，螯合剂并不局限于DTPA，其可以包括DOPA、EDTA等。PEG和Gd-DTPA接枝的聚赖氨酸可以受控制的比例被滴定进QD-巯基乙酸溶液中(即直到溶液变成光学上澄清和被荧光显微法检验为无聚集)。多个胺基很快吸附到QD表面上，即PEG链和Gd-DTPA的各面向溶液外的表面。所得的纳米结构具有双重荧光和磁性官能度。
实施例2：Gd-QD纳米结构
为了制备类脂-DTPA-Gd包裹的QD，将DSPE-DTPA与DSPE-mPEG以受控制的比例混合并溶解在碱性溶液中(约pH 7以上)。QD被纯化并悬浮在二氯甲烷中。两种溶液被混合在一起并用探针式超声波破碎仪进行超声波处理。在形成光学上澄清的QD溶液之后去除多余的类脂配体，使用酸(如HCl)将QD溶液的pH调整到5，接着添加GdCl3·6H2O。用滤柱纯化Gd3+标记的QD。所得的纳米结构也具有双重荧光和磁性。
实施例2.1
为了制备类脂-DTPA-Gd包裹的QD，将Gd-QD DSPE-DTPA与DSPE-mPEG以受控制的比例混合在氯仿中并添加到QD-氯仿溶液中。在慢真空干燥之后，将水或含水缓冲液添加到类脂和粒子干燥膜上。搅动或超声处理会形成了光学上澄清的QD溶液。在除去多余的类脂配体后，使用酸(如HCl)将QD溶液的pH调整到5，接着添加GdCl3·6H2O。用滤柱纯化Gd3+标记的QD。所得的纳米结构也具有双重荧光和磁性。
实施例3：Gd-QD纳米结构
为了制备DTPA-Gd包裹的QD，使用EDAC作交联剂或使用DTPA酸酐在NH2末端用DTPA将DSPE-PEG-NH2改性。纯化产物被溶解在碱性溶液中(约pH 7以上)。QD被纯化并悬浮在二氯甲烷中。两种溶液被混合在一起并用探针式超声波破碎仪超声处理。在形成光学上澄清的溶液之后，去除多余的类脂配体，使用酸(如HCl)将QD溶液的pH调整到5，接着添加GdCl3·6H2O。用滤柱纯化Gd3+标记的QD。所得的纳米结构也具有双重荧光和磁性。
实施例3.1
为了制备DTPA-Gd包裹的QD，将DSPE-PEG-NH2混合在氯仿溶液的QD中。在慢真空干燥之后，将水或含水缓冲液添加到类脂和粒子干燥膜上。搅动或超声处理会形成了光学上澄清的QD溶液。在除去多余的类脂配体之后，使用二乙烯三胺五乙酸二酐改性游离胺基成DTPA。通过滤柱或渗析将多余的(未键合的)DTPA提纯出来。随后使用酸(如HCl)将QD溶液的pH调整到5，接着添加GdCl3·6H2O。用滤柱纯化Gd3+标记的QD。所得的纳米结构也具有双重荧光和磁性。
实施例4：Gd-QD纳米结构
为了制备DTPA-Gd包裹的QD，两亲聚合物聚(马来酸酐交替-1-十四烯)首先与二胺，如2，2′-(乙二氧基)二乙胺反应，然后使用二乙烯三胺五乙酸二酐改性成DTPA。为了溶解QD，纯化的聚合物可以或者与QD混合在有机溶剂中(如氯仿、乙醇或溶剂混合物)，然后干燥并悬浮在水溶液中，或者纯化的聚合物可以悬浮在水溶液中，将QD添加进二氯甲烷中并超声处理之后，量子点悬浮在水溶液中。然后聚合物包裹的QD与Gd3+溶液混合并通过滤柱或离心作用得到纯化。所得的纳米结构也具有双重荧光和磁性。
实施例5：67Gd、111In或90Y QD纳米结构
根据如上所述的类似方法(实施例1-4中描述的DTPA包裹的QD，除了添加Gd3+)，67Gd、111In或90Y与如上所述的其它同位素制剂可以被螯合到QD表面，形成了放射性-荧光探针。
实施例6：111In或90Y标记的磁性纳米颗粒纳米结构
按照文献中描述的方法制备了疏水性磁性纳米颗粒(参见，J.Am.Chem.Soc.2001，123，12798-12801；Chem Commun.，2003，927-934；J.Am.Chem.Soc.2004，126，273-279；Nano Lett.20044(1)；187-190；J.Am.Chem.Soc.2002；124，8204-8205；以及J.Phys.Chem.B.2001；105，7913-7919)。实施例1-4描述了配体和聚合物的包裹方法。67Gd、111In和90Y等可以被螯合到磁性纳米颗粒的表面，形成了磁性-放射性双重探针。
实施例7：111In或90Y和Gd3+标记的QD纳米结构
111In、90Y、Gd3+可以被共同螯合到DTPA或DOTA官能化的QD，形成三峰探针。
实施例8：
使用交联剂如EDAC、硫代-SMCC等(参见，Piercenet.com和Nature，424(6950)：810-816 Aug 14 2003)将用聚合物、类脂、洗涤剂、小配体增溶的磁性纳米颗粒以共价键的形式连接到有机染料以形成磁性-旋光性双重探针纳米结构。
例如，使用实施例1-8描述的方法将用聚合物、类脂、洗涤剂、小配体增溶的金属纳米颗粒(参考：J Mater.Chem.，2002，12，2671-2674，CHEM.COMMUN.，2002，1334-1335，Chem.Comniun.，2000，183-184，J.AM.CHEM.SOC.2003，125，14280-14281，Chem.Mater.2004，16，3513-3517，J.AM.CHEM.SOC.2004，126，8648-8649)改性到表面上以形成磁性-旋光性双重探针纳米结构，或放射性-旋光性双重探针纳米结构，或三官能的纳米结构。
实施例9：
使用交联剂如EDAC、硫代-SMCC等通过静电引力、疏水性相互作用或共价键将磁性纳米颗粒连接到QD以形成磁性-旋光性双重探针纳米结构(卫星结构)。另外，磁性颗粒可以连接到QD上。
实施例10：
多峰性纳米结构可以连接到多核苷酸、多肽、基因、蛋白质、抗体、小分子药物、PEG、右旋糖酐等，用于活体内的靶标和成像。
实施例11：
磁性-旋光性双重探针纳米结构被用作纳米-镊子，其中磁性提供了运动用的把手以及光学性质作为示踪器。示例性的结构包括表面上用染料标记的磁性颗粒核，表面上用QD标记的磁性颗粒核，表面上用Gd3+标记的QD等。纳米镊子比传统的光学镊子小的多(参见，Nature，424(6950)：810-816 Aug 14 2003；Annu Rev Bioph Biom 23：247-285 1994；and P NaT1Acad Sd USA 94(10)：4853-4860 May 13 1997，其合并到本文中作为参考)和磁性镊子(参见，Review of Scientific Instruments(2003)74，4158-4163；Biophysical Journal 75，1998，2163-2169；Review of Scientific Instruments(2003)74，4012-4020；and Hypertension 2001，38，1158-1161)。
实施例12：
与有机染料相比，荧光量子点(QD)由于其独特的光学性质，如多色发射、横跨宽光谱范围的高吸收系数、非常高等级的亮度和耐光性而应用于活体内分子成像领域是目前相当令人感兴趣的。然而，这些技术由于其荧光成像固有的组织穿透问题不可能广泛使用在大型动物体上。为了设法解决这些问题，描述和检验了结合了多重成像形态的优势的多峰性QD探针。由于QD大的表面积和我们沉积多重其它官能度(如，磁性造影剂、同位素、治疗药物等)的能力，这些技术预计将在活细胞和动物内分子靶标的超灵敏和多路成像，以及治疗用可示踪的输送载体开发方面拓展新的机会。
图15显示了磁性-旋光性双峰探针的样式。使用半导体QD作为用于组装Gd-DTPA(二乙三胺五乙酸-钆)的荧光探针和结构连接物来设计和制备了这种多官能的结构。为了验证此构想，按照文献中的方法用巯基乙酸包裹QD并输送进水中。这种配体交换法容易实施，但伴随着量子效率的显著降低(通常下降90％)。为了恢复荧光并增添额外的成像峰，用聚(乙二醇)(PEG)和DTPA-Gd将具有平均340单体单元聚赖氨酸(PL)改性到一定程度。一旦与QD混合，PEG接枝的PL紧密地粘合到QD表面并会形成高稳定性的单纳米颗粒(至少比未处理的巯基乙酸QD稳定100倍以上)。
如图16所示，聚胺增大了巯基乙酸QD的荧光强度高达10倍。虽然并不打算受理论束缚，但是荧光的增强可能来自于伯胺与QD表面上的未饱和Cd和Zn的直接相互作用，因此降低了由表面缺陷引起的电荷载体表面重组的可能性。应该注意，当前的方法立即增大了QD荧光，这带来了基于纳米颗粒的荧光传感器的新发展。
如图17所示，具有近40％的伯胺变成了酰胺的PL仍能非常有效地激活QD，但较高程度的改性导致了荧光微弱增强。因此，在通常的分析中，为了更高的溶解度和生物相容性，用PEG链接枝3％的胺，为了磁性造影，用DTPA-Gd接枝30％的胺。这种精心的构思使67％的伯胺未变化，其足够用于增强荧光。本报告中使用的以630nm(～5nm直径)发射的CdSe/ZnS QD以1∶10的摩尔比与PEG-PL-Gd混合。在经超离心作用纯化之后，再用水合茚三酮试验量化上清液中剩余的游离聚合物，与最初添加进QD中聚合物的量进行比较。结果显示每个纳米颗粒平均与4.87个接枝聚合物(相当于497个Gd离子)连接。文献中已经充分记载了固定到大分子和纳米颗粒上的DTPA-Gd比同样浓度的游离DTPA-Gd3+提供了更好的T1造影，由于其更快的水交换率。基于此机理，Gd-DTPA已经被连接到生物相容性聚合物(如聚赖氨酸、多糖、PEG、聚(谷氨酸等)以及天然大分子载体(如白蛋白)，用于MR成像。
实施了双峰探针的稳定性。如前所述，由于接枝聚合物的存在，QD纳米颗粒是高水溶性的和明亮的，这允许了在超出不出现颗粒聚集的延长的时限之外被渗析。在渗析三天之后，PEG-PL-DTPA-Gd聚合物包裹的QD仍旧是强的T1造影剂；然而，在对照试验中(PL-PEG包裹的QD与同样浓度的游离DTPA-Gd混合)，只能探测到荧光，而没有T1磁性造影剂。结果表明用于活体内分子成像的探针是稳定的，因为大多数特定的靶标结果在几小时内完成，以及用于基于PEG的长循环探针，经常在不到48小时内获得成像。为了验证使用QD-Gd作为双峰探针的可行性，我们将50μl的50nM QD-Gd共轭物注射进小鼠皮下。在注射前和注射后使用清楚地标出注射位的标准实验方案在clinical Philips 3T成像仪上进行小鼠的MR成像(图18)。在平行试验中，用真彩色CCD照相机还探测到了QD荧光并与MR图像共局部化。
总之，使用接枝聚合物不但会形成高稳定性和高亮度的QD纳米颗粒，还允许顺磁性化合物(如Gd)和同位素(如111In、90Y、99Tc、67Ga等)固定到其表面。由于纳米颗粒大的表面积和螯合化学的多功能性，结合了光学特性、磁性和同位素特性的三峰探针可以被进一步改进。在光学特性上，QD提供了比有机染料显著的优势，而Gd作为T1造影剂(增亮)比SPIO T2造影剂(昏暗效应)能提供更好的信/噪比。通过将PEG末端与靶标探针连接，这种技术期望为超灵敏度和多路分子成像开拓新的机会。例如，MRI和PET允许在直生器官内检查肿瘤，而在高分辨率和多彩色活组织研究中，荧光是最佳的。使用DTPA官能化的两性聚合物和特异性靶标的研究正在进展中并将会在临床杂志中报道。
应该强调本发明公开内容的上述实施方案仅仅是实施的可能的实施例，仅仅是为了更好地理解本发明公开内容的原理而被提供。可以对上述实施方案进行修改和变化而并不背离本发明公开内容的主旨和原理。所进行的全部修改和变化将被包括在由以下权利要求所公开和保护的范围内。

Claims (31)

1.一种多峰性纳米结构，其包括：
至少一种纳米物质，其具有第一可探测官能度；以及
第二分子，其具有第二可探测官能度，其中所述第二分子连接到所述纳米物质，以及其中所述第一可探测官能度和所述第二官能度是不同的。
2.如权利要求1所述的纳米结构，其中所述第一可探测官能度和所述第二可探测官能度各自选自以下官能度：光学官能度、磁性官能度、x-射线官能度和放射性官能度。
3.如权利要求1所述的纳米结构，其进一步包括连接到所述纳米物质的生物相容性化合物。
4.如权利要求3所述的纳米结构，其中所述生物相容性化合物是具有约500到50,000分子量的聚乙二醇分子。
5.如权利要求1所述的纳米结构，其进一步包括具有第三可探测官能度的第三分子，其中所述第三分子连接到所述纳米物质。
6.如权利要求5所述的纳米结构，其中所述第一可探测官能度、所述第二可探测官能度和所述第三可探测官能度各自选自以下官能度：光学官能度、磁性官能度、x-射线官能度和放射性官能度；以及其中所述第一可探测官能度、所述第二可探测官能度和所述第三可探测官能度是不同的。
7.如权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米物质是量子点以及所述第二分子是67Ga(镓)。
8.如权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米物质是量子点以及所述第二分子选自111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合。
9.如权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米物质是量子点以及所述第二分子选自Cr、Mn、Fe、Cu、Eu、Gd、Dy及其组合。
10.如权利要求5所述的纳米结构，其中所述纳米物质是量子点；所述第二分子选自111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合；以及所述第三分子选自Cr、Mn、Fe、Cu、Eu、Gd、Dy及其组合，其中所述第二分子和所述第三分子是不同的。
11.如权利要求1所述的纳米结构，其中所述纳米物质是磁性纳米颗粒以及所述第二分子选自有机染料、量子点、111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合。
12.如权利要求5所述的纳米结构，其中所述纳米物质是磁性纳米颗粒；所述第二分子选自有机染料和量子点；以及所述第三分子选自111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合；其中所述第二分子和所述第三分子是不同的。
13.如权利要求12所述的纳米结构，其中所述磁性纳米颗粒是氧化铁纳米颗粒。
14.如权利要求1所述的纳米结构，其进一步包括：
疏水保护结构，其包括至少一种选自封端配体、两亲共聚物及其组合的化合物，其中所述疏水保护结构密封所述纳米物质；以及
生物相容性化合物，其大体设置在所述疏水保护结构的表面上；
其中所述第二分子连接到所述疏水保护结构上。
15.如权利要求14所述的纳米结构，其进一步包括：
第三分子，其具有第三可探测官能度，其中所述第三分子连接到所述疏水保护结构上。
16.如权利要求1所述的纳米结构，其进一步包括：
聚合物层，其基本上设置在所述纳米物质的表面；以及
生物相容性化合物，其基本上设置在所述疏水保护结构的表面上；
其中所述第二分子连接到所述聚合物层。
17.如权利要求16所述的纳米结构，其进一步包括：
第三分子，其具有第三可探测官能度，其中所述第三分子连接到所述聚合物层上。
18.一种制备多峰性纳米结构的方法，其包括下述步骤：
提供具有第一可探测官能度的纳米物质；以及
将第二分子设置到所述纳米物质上，其中所述第二分子具有第二可探测官能度，以及其中所述第一可探测官能度和所述第二可探测官能度是不同的。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述第一可探测官能度和所述第二可探测官能度各自选自以下官能度：光学官能度、磁性官能度、x-射线官能度和放射性官能度。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述纳米物质是量子点以及所述第二分子选自111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合。
21.如权利要求18所述的方法，其进一步包括：
将第三分子连接到所述纳米物质，其中所述第三分子具有第三可探测官能度。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述第一可探测官能度、所述第二可探测官能度和所述第三可探测官能度各自选自以下官能度：光学官能度、磁性官能度、x-射线官能度和放射性官能度；以及其中所述第一可探测官能度、所述第二可探测官能度和所述第三可探测官能度是不同的。
23.如权利要求21所述的方法，其中所述纳米物质是量子点；所述第二分子选自111In(铟)、钇(90Y)、99mTc(锝)、201Tl(铊)、67Ga(镓)、123I(碘)、131I(碘)、32P(磷)、153Sm(钐)、186Re(铼)、188Re、165Dy(镝)、166Ho(钬)及其组合；以及所述第三分子选自Cr、Mn、Fe、Cu、Eu、Gd、Dy及其组合，其中所述第二分子和所述第三分子是不同的。
24.如权利要求18所述的方法，其进一步包括：
将生物相容性化合物连接到所述纳米物质。
25.一种探测受试者体内靶标的方法，其包括：
提供纳米物质，其具有：
至少一种具有第一可探测官能度的纳米物质；以及
第二分子，其具有第二可探测官能度，其中所述第二分子连接到所述纳米物质，其中所述第一可探测官能度和所述第二可探测官能度是不同的，以及
至少一种连接到所述纳米物质的探针，其中第一探针具有对所述靶标的亲合力；
将所述纳米物质引入受试者；以及
通过探测所述纳米物质的所述第一可探测官能度和所述第二分子的所述第二可探测官能度来确定所述受试者体内对应于所述探针的靶标的存在。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述纳米结构包括具有第三官能度的第三分子，其中所述第一可探测官能度、所述第二可探测官能度和所述第三可探测官能度是不同的，以及所述方法进一步包括：
通过探测所述纳米物质的所述第一可探测官能度、所述第二分子的所述第二可探测官能度和所述第二分子的所述第二可探测官能度来确定所述受试者体内对应于所述探针的靶标的存在。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述靶标是癌性疾病。
28.如权利要求27所述的方法，其中所述确定在体内完成。
29.如权利要求25所述的方法，其中所述第一探针选自多核苷酸、多肽、抗体、抗原及其组合。
30.如权利要求25所述的方法，其中实现所述引入的方法选自以下的至少一种：皮下注射和全身注射。
31.如权利要求25所述的方法，其中所述纳米结构进一步包括连接到所述纳米物质的生物相容性化合物。
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