长寿命近红外量子点的制备及用于二维荧光编码构建研究

Optical codes have great potential for biomedical diagnosis, document security, and optical data storage. As one of the best examples of such enabling technologies, fluorescently codes attracted considerable attention due to the large encoding capacity. However, most of reported fluorescent codes usually have too large size, and emit in the visible region, not NIR region. Moreover, the principle of reported fluorescent codes are based on multi-emission and multi-intensity. As an excellent parameter that is independent of probe concentration, the fluorescence lifetime of fluorophore is always neglected in fluorescent encoding. In this project, we have developed a new strategy for preparing doped quantum dots (QDs) with widely tunable NIR-fluorescence and long lifetime by band gap engineering. Then, the nano-sized NIR-emitting two-dimensional encoded metal-organic frameworks (MOFs) have been fabricated using as-prepared long-lifetime NIR-emitting doped QDs. It opens up opportunities for design and fabrication of multi-emission and multi-lifetime based fluorescent 2D encoding.

光学编码技术在生物医药诊断，文件安全，以及光信息储存等领域具有重大的应用前景。作为众多可行的光学编码技术之一，荧光编码因其巨大的信息容量吸引了研究者广泛的注意。然而，现有的荧光编码尺寸过大，发光波长多位于可见光区，而不是近红外光区，同时，荧光编码的构建往往基于复合波长-复合强度。荧光物质的荧光寿命特性作为一种独立于探针浓度的优异参数，却一直被忽视。本项目面向光学编码构建的重大需求，根据带隙工程理论，利用过渡金属离子生长掺杂的方式，合成具有不同荧光寿命的覆盖整个近红外光区的量子点，将制备出来的长寿命近红外掺杂型量子点包覆在金属有机骨架结构(MOFs)中，以此来构建纳米级荧光编码，发展一种基于复合波长-复合寿命的二维荧光编码方法。

本项目研制合成长寿命近红外量子点，并将其用于构筑基于复合波长复合寿命的二维编码，以提升其信息容量。首先，采用水热法合成基于晶格应变的寿命可调量子点（30-160 ns），并通过修饰CPP30穿膜肽使其具有MCF-7细胞靶向性。合成的量子点表现出良好的光学稳定性、较低的细胞毒性。其次，构建基于复合寿命以及相对强度的量子点编码方法，将构筑的靶向荧光编码用激光共聚焦显微镜以及荧光寿命显微镜（FLIM）进行识别，进而大大提高荧光编码的信息容量。该项目更进一步地发展出基于镧系金属（铽和铕）掺杂量子点/二氧化硅核壳结构的单颗粒纳米编码，通过精确控制镧系金属与量子点之间的距离，调节镧系金属致敏量子点荧光发射寿命（0.6-1.8 ms），大幅度提高了编码方法的稳定性，并针对性地采用时序门控显微镜（time-gated）对该编码进行识别。本课题在长寿面近红外量子点的制备工艺方面进行大量实验，并获得最佳合成工艺路线，使其性能稳定，同时针对性地提出编码解码方法，进一步实现了二维荧光编码的功能化应用。