基于界面结构和二维半导体材料增强FRET效率的上转换复合探针构建及应用研究

It is the lower sensitivity and shorter interacting distance that hinder the homogenous assays based on the fluorescence resonance energy transfer (FRET) and upconversion nanoparticles (UCNPs) in medical and clinical application. Here, under the guidance of the basic principles of UCNP-FRET, the energy migration process in upconversion luminescence and the special advantages of long-range FRET interaction with the two-dimensional semiconductor (2D-SECD) as acceptors are particularly exploited to design and construct a new type of FRET biosensor based on the UCNPs and 2D-SECD to solve the problem faced in medical and clinical application. The focus is placed on the interacting mechanism of the rare earth ions with rare earth ions or 2D-SECD, and how to regulate the efficiency of energy transfer. On the basis of which, the multi shell structure UCNPS with the manipulatable concentration, spatial distribution of the rare earth ions in nanostructure are designed and constructed as the donors and the 2D-SECD are prepared with the adjustable size, band gap and surface structure as the acceptors, which are used to construct the composite structure in order to obtaining the new methods to enhance the FRET efficiency and the interacting distance. We will research the scientific problems related to the application of UCNP-FRET biosensing technology in the blood detection and develop a highly sensitive and rapid blood test technology. The research results will provide the universal significance for solving that the UCNP-FRET is not fit for the medical and clinical applications.

灵敏度低以及有效作用距离短是限制上转换纳米晶（UCNPs）基荧光共振能量转移（FRET）技术临床应用的关键。本项目从UCNP-FRET的基本工作原理出发，利用上转换发光中的能量迁移机制，结合二维半导体（2D-SECD）的长程能量转移效应，设计和构建基于UCNPs和2D-SECD的新型UCNP-FRET生物传感技术平台。重点研究稀土离子之间及其与2D-SECD之间的相互作用机制以及调控能量转移效率的有效途径。在此基础上，设计和构筑稀土离子浓度和空间分布可控的多壳层结构UCNPs以及尺寸、帶隙和表面结构可调的2D-SECD，分别作为FRET的供体和受体构建复合结构，获得提高FRET效率和有效作用距离的新途径。研究UCNP-FRET生物传感技术在血液检测应用中的相关基础科学问题，发展一种高灵敏的快速血液检测技术。对解决UCNP-FRET生物传感技术所面临的难以临床应用的难题具有普适性的实际意义。

研究和发展出灵敏度高且有效作用距离长的上转换纳米晶FRET均相检测新技术和新方法，将为实现疾病的早期预警、诊断、及时的干预和治疗提供一种非常有效的技术平台。按照研究计划，本项目重点开展了UCNPs/2D-SECD复合结构基FRET均相检测关键技术及其相关科学基础问题的研究。在构建基于上转换纳米晶和二维半导体分别作为给受体的FRET体系的研究中，以理论模拟为指导，结合上转换纳米晶和二维半导体的可控合成技术，完善了上转换纳米晶发光的微观物理图像以及UCNPs/2D-SECD复合结构中点面相互作机制，从原理和实验上给出了提高UCNPs/2D-SECD复合结构基FRET效率的可行性途径。通过对本项目中所用纳米材料本征性质的研究，给出了改进和提高相应纳米材料基的检测方案，发展出了可用于缓冲溶液体系以及生物复杂体系的高灵敏原位检测新技术。同时结合本项目中纳米材料的本征性质，拓展了其在诊疗领域中应用。经过本项目的研究掌握了精确调制二维半导体（Bi2Se3、Bi2Te3）尺寸、带隙、结构以及表面性质的可控合成技术；结合成熟的电化学方法，获得对二维半导体缺陷的精确调控。对于上转换纳米晶的合成，实现了对其敏化和发光中心离子浓度、空间分布的精确调控，和蒙特卡洛模拟相结合，拓展了蒙特卡洛模拟在离子能量迁移方面的应用；在上转换纳米晶合成过程中通过控制引入纳米晶中氢氧根缺陷的数量，完善了上转换发光的微观物理图像。基于上述可控合成技术获得的纳米材料构建FRET体系，结合蒙特卡洛模拟，深入理解和探讨了UCNPs/2D-SECD复合结构基FRET体系影响机制，给出了提高FRET效率的有效途径。本项目紧跟国家需求，发展了新冠病毒的检测方法，对于SARS-COV-2的检测灵敏度为0.77飞克每毫升（缓冲溶液），在未经处理的唾液中直接检测，其灵敏度也可达6.07飞克每毫升。