新型高效光致荧光开关无机纳米结构材料的的制备及生物应用

The development of materials in which the photoluminescent properties could be changed by using an external stimuli, have been actively pursued in the past few years. The recent surge of interest in these switchable systems stems from the widespread number of applications to many areas in science and technology ranging from displays, ultrahigh-density optical data storage, molecular switches, logic gates, molecular wires, optic/electronic devices, sensors, bioimaging and so on. The aim of this study is to fabricate the color-tunable photoluminescence switching system that can exhibit a quick response, high on/off contrast, remarkable photostability and good cycling performance by taking advantage of to photochromic polyoxometalates and quantum dots. Furthermore, the proposed photoluminescence switching system will be used as photoswitchable probe for cell imaging and tissue imaging. Compared to the conventional organic products and photoactive fluorescent protein, the proposed system displays several advantages: (1) multi-color system in which the emission colors can be tuned by changing irradiation time; (2) high on/off contrast; (3) remarkable photostability and excellent resistance to fatigue.

光致荧光开关材料由于可根据外界环境的不同刺激产生荧光效率或波长的开关，因而在彩色显示器、可擦重写高密度光存储、荧光成像探针等领域具有潜在的应用前景。本项目拟利用多金属氧簇化合物的光致变色特性和量子点的荧光特性，发展高对比度、耐疲劳性好、响应快、稳定性好的光控荧光开关无机纳米材料，并利用该纳米材料的光控可逆荧光特性，将其作为荧光探针，应用于细胞和生物组织高分辨荧光成像。与已报道的光响应荧光蛋白和聚合物荧光开关材料相比，多金属氧酸/量子点复合纳米材料作为荧光探针具有多重优点：（1）可实现多色标记；（2）高成像信噪比；（3）由于活性成分为无机物，具有很好的光稳定性和耐疲劳性，可进行反复多次的荧光成像。

光致荧光开关材料由于可根据外界环境的不同刺激产生荧光效率或波长的开关，因而在彩色显示器、可擦重写高密度光存储、荧光成像探针等领域具有潜在的应用前景。本项目设计和制备具有光致荧光开关特性的多金属氧酸/量子点纳米颗粒，利用多金属氧酸/量子点纳米颗粒的可逆、稳定的光控荧光开关特性，研究该类无机光致荧光开关材料作为荧光成像探针在细胞及肿瘤组织成像中的特性，发展新一代高稳定性的和低背景干扰的高分辨荧光成像探针材料：（1）合成制备了在可见区具有良好荧光性质的CdSe@CdS、CdTe以及CdSe@ZnS纳米粒子，以及在近红外区具有良好光学性质的Ag2S、混合价态钨青铜纳米材料；合成制备了多金属氧酸[P8W48O184]40-以及一系列多金属氧酸的有机无机复合物，并对其光学性质、自组装性质、生物活性进行了深入的研究；（2）发展了多金属氧簇、量子点层层自组装技术，构建一种快速、高灵敏、高稳定性和低成本的有机磷类农药纳米结构检测芯片以及对近红外/可见区的光吸收独立可调纳米复合结构；结合自组装技术和溶胶凝胶法制备了7种具有良好的光控可逆荧光开关性能的多金属氧酸/量子点复合纳米颗粒，通过控制P8W48和量子点组装层数实现了对复合纳米粒子荧光开关的调控，其开关比可高达84.66 %，响应时间为5 min（开）和10 min（开），具有耐疲劳性好和循环稳定性好的优点；（3）研究了多金属氧酸/量子点复合纳米颗粒对肝癌细胞HepG-2和正常细胞人脐静脉内皮细胞HUVEC的细胞毒性，研究表明其对两种细胞都没有明显的生物毒性；（4）将EpCAM等抗体修饰在多金属氧酸/量子点复合纳米颗粒的表面，实现了对HepG-2细胞单色和多色光控可逆荧光开关成像，荧光开关比可达70-90%；（5）建立了肿瘤小鼠模型，将P8W48/CdTe@SiO2复合纳米粒子用于小鼠肿瘤原位活体成像研究。.获得北京市科技二等奖以及和黑龙江省高校科学技术奖一等奖各一项，在国际核心期刊发表文章10篇，其中包括《Advanced Materials》2篇，Science子刊《Science Advance》1篇、《Small》1篇、《ACS Nano》1篇，授权专利5个，申请专利1个。培养从事纳米传感器研究和应用工作的青年技术骨干22人，其中包括博士毕业生5名，硕士毕业生5名。.