具有双模激发荧光编码功能的稀土荧光探针的设计和制备研究

Fluorescent encoding approach provides an effective way to get mass of biological information with high-density and high-precision from a complex biological system. When the optical probes with fluorescent codes are used to label cells and biological molecules, their size should be smaller than 100 nm and the number of the unique optical codes should be sufficient. However, the total number of conceivable codes is limited in the recent fluorescent encoding system. Therefore, designing and synthesizing a sufficient number of sub-100 nm optical probes possessing available codes becomes one of the key factors for their application in multiplexed analyses. In this proposal, we suggest to solve the above problem by the development of dual-mode excitation nanoprobes. In such hybride nanoprobes, the upconversion rare earth nanocrystals will be used as core and the downconversion rare earth complexes will be doped in the shell, therefore the obtained rare earth hybride nanoprobes can be excited by both UV and NIR light. Through the dual-mode excitation, a large amount of distinct fluorescence codes can be generated by various combinations of upconversion and downconversion luminescence. We estimate that more than 10000 unique fluorescence codes can be obtained. According to the spectral characteristics of rare earth ions and the dual-mode luminescent properties of the rare earth hybride nanoprobes, we will explore the novel spectral encoding strategy, discuss the total number of conceivable codes and study the distinguishability and applicability of such new type of fluorescence codes. Using these codes, we will explore to detect multiple molecules a complex biological system. This research work will provide a theoretical basis for the development of rare earth fluorescent coding probes.

在细胞和生物分子水平上进行生物信息探测是生物技术研究的前沿与热点。将荧光编码技术应用于生物信息检测是实现复杂生物环境下海量生物信息准确提取的有效手段，而在尺寸小于100nm 的光学探针中实现有效的荧光编码并进行生物分子编码标记是其中的核心技术。本项目拟研制在双模激发下用于荧光编码技术的稀土纳米探针；利用稀土离子f-f跃迁荧光谱线窄、特异性强以及上/下转换共存的双模激发特征，实现十万级有效荧光编码；利用核-壳复合纳米结构，将稀土上/下转换发光材料构造在同一纳米颗粒中，通过双模激发模式，提高荧光检测的分辨率和准确度；根据不同稀土离子上/下转换发光的峰位和相对强度的不同，设定荧光编码规则，探讨稀土双模激发荧光探针的可编码数量，研究荧光编码的可区分性和应用条件；在生物细胞双模检测与成像的基础上，开展生物组织中多种待测生物分子的光谱编码研究。为研制具有自主知识产权的稀土荧光编码探针提供理论依据。

在细胞和生物分子水平上进行生物信息探测是生物技术研究的前沿与热点。生物荧光标记、检测和成像技术是分子生物学的重要检测手段。荧光编码技术应用于生物信息检测是实现复杂生物环境下海量生物信息准确提取的有效手段，而在尺寸小于100nm 的光学探针中实现有效的荧光编码并进行生物分子编码标记是其中的核心技术。传统的荧光编码技术在某些方面存在着缺陷，例如：荧光蛋白质和有机染料的荧光光谱较宽且不对称，Stokes 位移也比较小，导致不同探针分子的光谱重叠，难以实现有效的区分。量子点荧光编码微球不同程度地存在着量子点泄漏、荧光共振能量转移等问题，这些问题导致了不同波段量子点发光强度的改变，极大地影响了荧光编码的准确性。同时，泄漏的量子点还存在着潜在的生物毒性。因此也局限了量子点荧光编码微球的应用。而在本项目中我们提出的利用镧系稀土离子具有f－f 跃迁的锐谱线发射和无可替代的特征光谱构造荧光编码探针，是一项具有创新性的工作。在本项目中，我们通过构建核-壳结构，将稀土上/下转换发光材料构造在同一纳米颗粒中，研制了在双模激发下用于荧光编码技术的稀土纳米探针。镧系离子的锐谱线光发射主要来源于它们丰富的4f 电子能级跃迁，光谱可覆盖从紫外到红外波段；十余种镧系离子都具有自己的特征光谱，利用稀土离子f-f 跃迁荧光谱线窄、特异性强以及上/下转换共存的双模激发特征，根据不同稀土离子上/下转换发光的峰位和相对强度的不同，设定了荧光编码规则；在具有稀土上/下转换发光的同一纳米颗粒中，通过双模激发模式，提高了荧光检测的分辨率和准确度；探讨了稀土双模激发荧光探针的可编码数量，研究了荧光编码的可区分性和应用条件。研究结果具有创新性，发表在《Journal of Materials Chemisrtry C》，《RSC Advances》等杂志上。在项目运行期间共发表学术论文18篇，获得发明专利授权4项，其中项目负责人为第一发明人专利1项；申请发明专利5项，其中项目负责人为第一发明人专利2项；获吉林省自然科学一等奖一项；人才培养包括在站博士后1名，博士研究生5名，硕士研究生5人。