以贵金属原子簇为能量受体的上转换荧光探针构建及生物应用

Upconversion nanoparticles (UCNPs) with features of near infrared (NIR)-light excitation and anti-Stokes emission have been confirmed as promising luminescent materials for biological probes. Upconversion fluorescence resonance energy transfer (UC-FRET) with UCNPs as energy donors is the most effective and promising strategy to apply these probes. However, the UC-FRET technique faces with the bottleneck of methodology presently, which is the contradiction between the energy transfer efficiency (which determines the sensitivity of probe) and the biocompatibility and structure flexibility of probe. To deal with the problem, we herein focus our eyes on noble metal atom clusters (or named as noble metal nanoclusters, NM NCs) in this proposal. Water-soluble atom clusters consisting of several to tens of zero valence noble metal atoms have the size distribution between small molecules and nanoparticles. The discrete energy levels of these clusters endow them with excellent capability of tunable photo absorption and electron transfer. Furthermore, the clusters can be readily synthesized using various template or ligand molecules. Thus, NM NCs may be used as a kind of novel energy acceptor for the UCNPs. The as-constructed probes can resolve the contradiction between the energy transfer efficiency and the biocompatibility and structure flexibility of probe, and hence promotes the practical application of upconversion fluorescence probes in biology and medical science.

近红外激发、反斯托克斯发射的上转换荧光纳米粒子（UCNPs），已被证实为非常有前景的生物探针发光材料。以UCNPs为能量供体的上转换荧光共振能量转移(UC-FRET)是应用这类材料最有效率的技术。然而，目前UC-FRET面临着方法学上的瓶颈，即其关键性能存在自我矛盾难以兼顾。现有的两类能量受体，有机小分子无法保证能量转移效率，而无机纳米材料则存在水溶性、灵活性及生物相容度的不足。为突破这一瓶颈，我们拟研究贵金属原子簇(或称纳米簇，NM NCs) 作为UCNPs的新型能量受体。由数个至数百个0价贵金属原子形成的原子团簇，具有超小尺寸和优良的水溶性，有极强的光吸收能力且光、电性质可调，并可自如地通过多种模板或配体分子进行合成，便于和UCNPs灵活组装。课题将研究NM NCs-UCNPs的探针构建、能量转移机理及其效率调控等关键问题，最终解决能量转移效率与探针生物相容性、结构灵活性之间的矛盾。

上转换荧光的近红外激发、反斯托克斯发射特性，使其在生物医学分析中具有独特优势，如生物样品自发荧光低、样品穿透深度大等。荧光共振能量转移(FRET)是最常用的上转换荧光信号调控机制，目前90%以上的上转换荧光探针/传感器都是基于该原理而构建。由于上转换荧光纳米粒子(UCNPs)的尺寸及结构特征，该领域目前存在如下3个关键问题：1）上转换FRET效率低导致检测灵敏度受限；2）缺乏灵活的信号调控机制，使得分析性能的提升面临瓶颈；3）稀土离子吸光能力弱导致上转换发光效率低。这些问题严重制约了上转换荧光在生物医学领域的深入研究和应用。. 针对上述问题，本项目开展了如下研究：i) 发展贵金属纳米粒子等新型能量受体，利用其表面能量转移性质（异于传统小分子能量受体的Forster能量转移），将上转换荧光分析的能量转移效率从<50%提升到>90%；ii) 进一步发展顺磁性金属离子暗猝灭、目标物调控天线敏化等新型探针构建和传感原理，摆脱上转换荧光分析受“猝灭-回升”模式的局限，突破分析性能提升的瓶颈；iii) 以近红外有机染料作为吸光天线克服上转换发光效率低的难题，揭示并突破水相中有机染料敏化上转换发光的限制因素，使得发光增强从文献中的<20倍提升到近700倍；iv) 发展新型双光子激发/上转换发射的荧光材料，实现复杂生物、医学样品的体外快速均相检测和体内深度成像分析。. 上述研究取得一系列系统性和创新性的成果，为上转换荧光分析方法学的发展扫清了一些关键障碍，同时将有力地推动其在生物医学领域的广泛应用。部分研究成果发表在Analytical Chemistry, Chemical Communications, Journal of the American Chemical Society等本学科核心学术期刊上。项目执行期间高质量地培养了一批博、硕士研究生和博士后，其中优秀者获得“中国博士后创新人才支持计划”等项目资助。