高效稀土掺杂LiLuF4上转换荧光探针及其生物医学应用

Lanthanide (Ln3+)-doped upconversion (UC) nanoparticles (NPs), owing to their superior optical properties, are regarded as a new generation of luminescent nanoprobes for versatile biomedical applications. However, the UCNPs usually suffer from a low photoluminescence (PL) quantum yield (QY), which is currently the major bottleneck towards their commercialization. In this project, we aim to synthesize highly emissive LiLuF4:Ln3+ UC nanoprobes through homogeneous Ln3+ doping. The controlled synthesis, surface modification and bioconjugation of LiLuF4:Ln3+ NPs and their core/shell counterparts will be systematically surveyed. The influence of Ln3+ doping, particle size and surface structure on UC luminescence (UCL) of the NPs will be investigated, with an effort to improve their UCL efficiency. To this regard, we'll develop at least two kinds of efficient UC nano-bioprobes for sensitive and specific multiplex detection of pregnancy associated plasma protein-A (PAPP-A) and free β subunit of human chorionic gonadotropin (Fβ-hCG), both of which are determined in maternal serum during the first trimester of pregnancy as biomarkers for Down syndrome. Such efficient LiLuF4:Ln3+ UC nanoprobes are expected to exhibit an unprecedented UCL efficiency and show much more excellent features in the optical property, photochemical stability and sensitivity than traditional downshifting PL bioprobes, and thus may have great potentials in the fields of fluoroimmunoassay and clinical diagnosis.

稀土掺杂上转换纳米发光材料因其优异的光学性能，有望成为新一代荧光探针应用于生物医学领域。目前，该类材料普遍存在荧光量子产率低的问题，成为制约其实际应用的瓶颈。本项目致力于研发具有高效上转换发光的稀土离子均匀掺杂LiLuF4荧光生物探针，开展LiLuF4:Ln3+纳米晶及其核壳结构的控制合成、表面修饰和生物偶联，揭示材料的发光效率与纳米晶的掺杂、尺寸和表面结构的关系，寻找提高上转换发光效率的有效途径，从中遴选出至少两种高效的上转换荧光生物探针，实现对孕早期唐氏综合症血清标志物妊娠相关血浆蛋白A（PAPP-A）及游离人绒毛膜促性腺激素（Fβ-hCG）的高灵敏特异性双重检测，为该类生物探针的疾病早期诊断应用奠定基础。预期本项目研制的上转换荧光探针的发光效率将达到一个新的水平，在发光特性、光化学稳定性和灵敏度等方面都表现出优于传统荧光探针的良好性能，在荧光免疫分析和疾病诊断等领域将发挥重要作用。

稀土掺杂上转换纳米发光材料因其优异的光学性能，有望成为新一代荧光探针应用于生物医学领域。目前，该类材料普遍存在荧光量子产率低的问题，成为制约其实际应用的瓶颈。近期，我们通过稀土离子均匀掺杂及核壳结构设计成功研制了单分散、水溶性好、且具有高发光效率的LiLuF4:Ln3+上转换纳米荧光探针，其中Er3+和Tm3+的上转换荧光绝对量子产率分别达到6.5%和9.2%，并利用LiLuF4:Er3+和LiLuF4:Tm3+纳米晶作为上转换纳米荧光探针实现了对疾病标志物妊娠相关血浆蛋白A（PAPP-A）和游离人绒毛膜促性腺激素（Fβ-hCG）抗原的双重体外检测，检测限分别达到了0.51和0.62 pg/mL；以Eu3+离子为结构探针，我们对LiLuF4:Eu3+纳米探针的电子结构及局域位置对称性进行研究，在此基础上对LiLuF4:Nd3+纳米探针近红外区域的能级跃迁进行了精确指认，并利用能级指认的结果实现在低温领域（77K-275K）对温度的高灵敏探测。另外，我们还对Er/Yb、Ho/Yb、Tm/Yb 和Tb/Yb 等离子体系的合作与非合作上转换激发态动力学展开了系统研究，在LiYbF4:Tb@LiYF4 核壳结构纳米材料中通过低温高分辨及变温上转换荧光光谱等手段，揭示了源自声子辅助能量传递以及Yb-Tb 二聚体介导的合作基态/激发态吸收的上转换发光机理，为该类材料的性能优化及其在生物医学领域的应用奠定基础。在此基础之上，项目组进一步合成了系列稀土掺杂纳米荧光标记材料，并实现对血清中重要肿瘤标志物前列腺特异性抗原（PSA）、血清及全血中葡萄糖含量的高灵敏体外检测，检测结果均优于商用体外诊断试剂盒。在项目执行期间，已在Nat. Commun., Adv. Sci., Chem. Sci., Nanoscale等国际期刊发表SCI论文9篇，其中影响因子大于10的2篇，大于7的7篇；合著英文专章1篇；受理或授权中国发明专利6项，圆满完成预定研究目标。