用于肿瘤标志物检测的稀土掺杂超小MF2(M=Ca,Sr,Ba)纳米荧光探针及其发光物理

Ultrasmall (<10 nm) MF2 (M = Ca, Sr, Ba) nanocrystals (NCs) doped with trivalent lanthanide ions (Ln3+), owing to their excellent bicompatibility, could serve as excellent fluorescencent probes for biomedical applications. However, currently they are still limited in practical bio-applications due to the low photoluminescent quantum yield. In this project, we aim to synthesize ultrasmall Ln3+-doped MF2 nanoprobes that are highly emissive. The synthesis, surface modification, and photophysics of these ultrasmall MF2:Ln3+ NCs and their core/shell counterparts will be systematically studied. The relationship between the structure and the photoluminescence (PL) properties in the matrices heterovalently doped with Ln3+ will be investigated; the influence of the particle size and surface structure on the PL intensity will be revealed, in an effort to improve the luminescence efficiency. To this regard, we'll develop at least one efficient and pratical nanoprobe used for sensitive and specific detection of tumor markers in human serum such as urokinase-type plasminogen activator receptor (uPAR), and for targeted tumor imaging.Such ultrasmall MF2:Ln3+ nanoprobes are expected to show much more superior features in the PL intensity, photostability, biosafety and sensitivity than commercial molecular probes such as organic fluorophores and Ln3+-chelators, and thus may have great potentials in the fields of bioscience and clinical bioassays.

稀土掺杂超小(<10 nm) MF2（M = Ca, Sr, Ba）纳米晶因其良好的生物相容性，有望成为一类高效的荧光探针应用于生物医学领域，但目前受到了荧光量子产率低的限制。本项目致力于研发具有高效发光的稀土掺杂超小MF2纳米荧光探针，开展超小MF2纳米晶及其核壳结构的可控合成、表面修饰和发光物理研究，探索稀土离子异价掺杂体系结构和发光性能的关系，揭示纳米晶的尺寸和表面结构对发光强度的影响，寻找提高小尺寸纳米晶发光效率的途径，从中筛选出至少一种高效、实用的纳米荧光探针，并实现其对人体血清中肿瘤标志物如尿激酶受体（uPAR）的高灵敏特异性体外检测以及肿瘤靶向生物成像。预期本项目研制的超小纳米荧光探针在荧光强度、光稳定性、生物安全性和灵敏度等方面都表现出优于目前商用的分子探针如有机荧光染料和稀土螯合物的良好性能，在生物科学和临床检测等领域将发挥重要的作用。

稀土掺杂无机纳米晶具有高光化学稳定性、几乎无毒性、窄线宽、长荧光寿命、高发光效率和可调谐荧光发射波长等优点，是目前普遍看好的新一代荧光生物标记材料。然而，荧光生物标记材料对纳米晶的发光、尺寸、水溶性以及生物安全性等都有着极高的要求。特别是生物体内成像与荧光共振能量传递（FRET）免疫分析应用，更是要求纳米晶兼具高效发光与超小尺寸（<10 nm）。作为一种高效的稀土掺杂基质材料，CaF2具有极好的生物相容性。但是，由于稀土离子的异价掺杂与表面荧光猝灭效应，目前制备超小高效发光稀土掺杂CaF2纳米晶仍是一个技术难题。近期，项目组提出高温共沉淀结合钠离子共掺杂技术，合成了粒径小于10 nm的单分散CaF2:Ln3+及其核壳结构纳米晶。钠离子的共掺杂显著提高了纳米晶的晶化和发光性能，同时引起超小尺寸（~3.8 nm）CaF2:Ce,Tb纳米晶反常尖锐的光谱线劈裂，并拉长荧光寿命（~12 ms）。经表面修饰后该纳米晶可作为时间分辨荧光生物探针实现对生物分子的高灵敏检测。例如，在TRPL异相检测和TR-FRET均相检测中，对亲和素蛋白的检测限分别达到48和164 pM，为当时已报道的稀土纳米晶时间分辨荧光探针最好记录；通过偶联尿激酶氨基末端片段ATF，该探针可实现对肿瘤标志物suPAR的TR-FRET检测，检测限达到328 pM，该值与肿瘤患者血清中suPAR水平相当；同时，也可实现对suPAR高表达肿瘤细胞（H1299）的上转换和下转移荧光靶向成像。在此基础上，项目组还合成了一系列稀土掺杂纳米荧光标记材料，并实现对重要肿瘤标志物如癌胚抗原（CEA）、前列腺特异性抗原（PSA）、人绒毛促性腺激素（β-hCG）和甲胎蛋白（AFP）等高灵敏体外检测，检测结果均优于商用体外诊断试剂盒，为该类荧光生物探针的肿瘤早期诊断奠定了基础。在项目执行期间，已在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci.等国际期刊发表SCI论文13篇，其中影响因子大于10的5篇，大于6的12篇，合著英文专章1篇，受理或授权中国（PCT）发明专利4项，圆满完成预定研究目标。