稀土掺杂LiLuF4@LiGdF4核壳纳米晶的制备及多模生物标记应用

Multimodal bioprobes, owing to their ability to realize target specific, noninvasiveness, high spatial resolution, 3-D tomography, and real-time bioimaging, have been regarded as a new and promising generation of bioprobes. However, the research on multimodal bioprobes is still in its infancy. In this project, we aim to synthesize lanthanide-doped LiLuF4@LiGdF4 core-shell bioprobes, which could simultaneously realize the optical bioimaging, MRI and CT. The synthesis, characterization, surface modification, bio-conjugation and multimodal bioimaging will be systematically studied. The relationship between the capability of bioprobe and the size of nanoparticle, core-shell structure and surface functionalized groups will be investigated in an effort to improve the bioimaging effect. To this regard, we will develop one efficient and practical nanoprobe applied for early detection of SMN1 (clinical marker in diagnostic of neuromuscular disease) by in vivo optical, MRI, CT multiomodal imaging. Such multimodal LiLuF4@LiGdF4 core-shell bioprobes are expected to show more superior feature in the optical intensity, and contrast ability than commercial contrast agents such as organic fluorophores, lanthanide-chelate, and iodinated products, and thus may have great potentials in the field of early disease detection and investigation of disease mechanism.

多模生物标记材料，由于其具有实现特定靶向、无损伤、高空间分辨率、实时以及三维扫描多模式成像能力，而被认为是新一代生物标记材料，然而，目前关于多模生物标记材料的研究仍非常有限。本项目致力于研发同时具有光学成像、磁共振成像（MRI）和X-射线断层扫描成像（CT）功能的稀土掺杂LiLuF4@LiGdF4核壳纳米标记材料，开展LiLuF4@LiGdF4的合成、表征、表面修饰、生物分子偶联和多模生物成像，探索这一类多模纳米材料的造影能力与颗粒尺寸、核壳结构以及表面官能团的关系，从中研制出一种高效多模纳米标记材料，通过光学成像、MRI和CT等多模成像，实现对神经肌无力症临床诊断标记物SMN1的超敏检测。预期本项目研制的多模纳米标记材料在发光强度以及MRI和CT造影能力方面均表现出优于荧光染料、稀土螯合物以及碘制剂等的良好性能，在疾病的早期检测以及疾病发展机理研究等领域发挥重要作用。

癌症在疾病致死率排行榜上位列第二，特别是在发展中国家，25%的患者死于癌症。这一令人恐怖的现状主要由于癌症的诊断灵敏度较低，确诊癌症患者往往已处于癌症晚期，在当前的治疗手段下，已经无法进行有效治疗。因此如何实现癌症的早期诊段，对于攻克癌症这一疾病具有重要意义。随着纳米技术的发展，利用纳米材料进行癌症早期诊断受到临床医学领域地广泛关注，特别是能实现多模态生物成像的纳米材料，并能同时实现特定靶向、无损伤、高空间分辨率、实时和三维成像的检测手段，更是成为目前癌症监测和临床治疗的热点领域。然而目前多模态成像纳米材料的设计，主要是将具有不同成像性能的纳米颗粒组装成为一个较大的纳米颗粒，这不仅会大大增加颗粒尺寸，同时也会由于颗粒间的互相影响而导致各自的成像性能降低。因此如何在有效控制颗粒尺寸的条件下，实现成像能力的叠加，是目前多模成像材料面临的最大困难之一。此外，利用新的合成方法，得到尺寸形貌可控的纳米材料，对于实现多模成像纳米材料也具有至关重要的影响。壳层外延生长，由于可以有效提高外层与周围介质的接触，体表面积往往大于单一内核，因此成像效果会明显改善；同时，由于外延壳层的生长，会有效祛除内核表面缺陷，因此也会大大提高其成像能力；因此这种方法不仅能够实现双模，而且可以实现1+1>2的效果，同时也可以推动多模态成像造影材料在生物检测和临床诊疗中的应用。.本研究基于前期在磁光双模成像造影材料方面取得的初步研究成果，试图从纳米材料的合成方法、壳层对于内核功能的影响和壳层在检测领域的影响三个层面全面推进该领域的研究，具体包括以下几个方面：通过惰性壳层外延生长，有效缓解发光内核浓度效应，不仅能够提高发光强度，能有效提高发光寿命，而且可以保持发光光谱的完整性，同时可以进一步探索基于减少表面缺陷缓解稀土掺杂高浓度纳米颗粒浓度效应的机理；调控惰性壳层的厚度，在无镉量子点上实现了对镉离子的定量检测，并提出基于调控惰性壳层厚度调控来控制能量传递是实现离子检测的关键所在；通过利用自上而下的合成策略，实现了对于成核较慢金属有机框架材料的纳米晶制备，选择合适的刻蚀溶剂，实现块材的破碎，进而得到均匀的纳米金属有机框架材料，并进一步探索其在发光催化等领域的应用。