稀土发光纳米晶的可控合成、表面功能化及在生物成像领域的应用

The controllable synthesis and application of high-quality luminescent nanocrystals in the field of biomedical science has been the research hot spot in recent years. In this proposal, luminescent nanocrystals with high luminescence efficiency, high dispersity, water-solubility, and biological function are to be synthesized through two routes (two-step and one-step methods). The relationship between the composition, morphology, size, surface modification, nano features and their fluorescent properties will be systematically investigated in order to achieve the size and function controlled synthesis of the final crystals. The photoluminescent properties of the nanocrystals will be accurately adjusted by tuning the kinds and concentrations of the doped rare earth ions. The fluorescnet mechanisms and the relationship between the fluorescence and the structure, phase will be also be studied. Furthermore, the as-synthesized fluorescent nanocrystals will be covered by fluoride layers to markedly improve the luminescence efficiency. The relationship and the action mechanism between the functionalized groups on the surface of nanocrystals and the biological macromolecules are also to be disucssed in detail. The bioimaging performance and biological toxicity of as-synthesized high-quality luminescent nanocrystals in variou cells and living bodies will also be systematicallly studied based on a series of tests, in order to provide the basic research results and theoretical guidance for the wide application of this kind of fluorescent nanocrystals in biomedical field.

高质量发光纳米晶的可控合成及在生物医学领域的应用是近年来研究的热点课题之一。本项目拟采用两种路线（两步法和一步法）制备出高发光效率、高分散度、水溶性和生物功能性的荧光纳米晶。系统研究发光纳米晶的组成、形貌、尺寸、表面修饰、纳米特性与其光学等性质的内在关系，实现发光纳米晶尺寸和功能设计可调；通过调节掺杂稀土离子的种类和相对浓度，对发光纳米晶的发光性质进行精确调变，并研究纳米晶的光转换机制及发光性质与其结构、形态的内在联系；通过在纳米晶表面包覆氟化物壳层的方法减少表面缺陷所导致的无辐射衰减，大幅提高发光效率，解决液相法合成发光纳米晶发光效率低的关键问题；研究表面功能基团与细胞或活体内生物大分子特异性结合的规律和相互作用机制；对发光纳米晶在细胞和活体内的成像和毒性进行系统评价，为该类发光材料在生物标记、荧光成像等领域的广泛应用提供基础性研究数据及理论指导。

近年来，与人类身体健康和国计民生息息相关的生物医用纳米材料引起了科研工作者极大的研究兴趣。各种医用纳米材料中，发光纳米材料在生物成像等多个领域有着广阔的应用前景，不但能提高诊断和检查的准确性，还能加快临床医疗的发展速度，提高诊疗效率。因此，探索高质量发光纳米晶的设计合成、修饰、医学应用和安全性检测已经成为材料学和生物医学界的一个研究热点。本项目设计合成了多种稀土发光纳米材料，创立了结构和性能可控的多功能稀土发光材料合成方法，发现调整材料组成、结构和表面性质能消除荧光猝灭影响，构筑核壳结构、掺杂优化和基质调变等方法可将发光强度提高20~200倍，并达到了多色和白光调变，同时，揭示了上转换发光的能量传递机制。相关研究提升了国内发光材料的研究水平，完善了多功能组分的复合机制和方法。开展了稀土发光纳米材料的多模式生物成像研究，发现利用多功能稀土材料的不同组分能够实现单一粒子的多模式成像，据此提出利用多功能稀土材料实现单一粒子的高效上转换发光、核磁和CT多模式成像性质，并揭示了其在诊断和荧光监控领域应用的可行性。患癌小鼠注射UCMCs体系后CT值高达2189.2HU，与注射前相比CT成像信号提高约48倍，能够清晰分辨原来无法监测到的器官和组织，相关研究解决了单一模式成像分辨率、组织透深、对比度和敏感度等无法兼顾的难题，为疾病的全方位、立体化诊断提供了新方法。此外，将稀土发光纳米材料用于红外光诱发的、靶向、多模式光学治疗载体，揭示了单一多功能纳米粒子的多模式光学治疗性质。利用不同模式疗效的联合与相互促进作用，大幅提高了肿瘤消除能力。Y2O3:Yb/Er-CuxS-FA载体协同治疗的癌细胞移除能力比单一模式治疗提高了2~4倍、比传统药物治疗提高约2倍，可完全抑制癌细胞的生长。相关研究一定程度上解决了传统化学疗法安全性低和疗效差的难题，推动了我国精准、高效、安全癌症治疗的发展。