微区发光可调的上转换微纳结构的制备及其在高通量生物检测和防伪中的应用研究

Lanthanide-doped upconversion nano/microstructures have showed great promising applications in the field of sensing, imaging, photovoltaics and anti-counterfeiting techniques because of their unique optical properties, including large anti-Stoke shift and sharp emission bandwidth. Currently, an important research topic in this field is to impart upconversion nano/microstructures with desired optic attributes for specified applications through regulation of the optical properties of the whole particles. In this proposed project, we tend to tune the optical properties of the small domains within the upconversion nano/microstructures by control over the synthetic kinetics of the products or via a self-assembly strategy, leading to the formation of a new class of upconversion nano/micromaterials. In the synthesis, we will reveal the influence of the reaction kinetics and the intrinsic crystal nature on the growth and self-assembly of nano/microparticles. The as-prepared nano/microparticles will be characterized at single-particle levels and considerable effect will be placed on elucidation of the energy transfer between the domains within the nano/microparticles. Finally, we will develop a high-throughput biosensing and screening technique for biomolecules by taking advantage of the novel optical properties of the as-prepared upconversion nano/microstructures. Meanwhile, the synthesized nano/microparticles will be examined as optical materials for multi-level anti-counterfeiting techniques.

稀土掺杂上转换微纳结构因具有优异的光学性质，在生物传感、成像、太阳能电池和防伪等领域具有重要的应用前景。目前，通过控制上转换微纳材料的结构，实现整个结构光学性质的均匀调控，使其满足某一特殊的用途，已成为上转换材料研究领域的研究热点之一。本课题拟利用控制上转换纳米颗粒在二次生长中的动力学及纳米颗粒取向连接等策略，实现上转换微纳材料掺杂的微区调控，进而实现其微区光学性质的调控，制备出一类新型的上转换微纳结构。在微纳结构的制备过程中，重点揭示反应动力学和上转换材料自身的晶体结构特点等因素对晶体生长和组装过程的影响，实现上转换微纳结构的可控生长和组装。在合成的基础上，对所得微纳结构进行系统的单颗粒尺度的表征，探索各个微区之间能量传递行为。最后，利用所得微纳结构特殊的光学性质，发展一种以它们为基础的高通量生物分子检测技术和多重防伪技术。

稀土掺杂上转换微纳结构因具有优异的光学性质，在生物传感、成像、太阳能电池和防伪等领域具有重要的应用前景。本项目的研究内容主要由利用水热、共沉淀和热分解等技术，合成用于二次生长研究的晶种和用于组装研究的上转换纳米颗粒，并对它们的相态、成分、粒径和光学性质进行表征；利用第一步合成出的上转换纳米结构为晶种，通过控制二次生成的动力学实现第二组分在晶种上的可控生长；改变第二组分的成分和浓度等，实现可控生长的微区光学性质的调控。在此过程中，重点揭示了除动力学因素外其它因素，如晶格匹配程度及实验中所用表面活性剂性质等因素，对第二组分可控生长的影响。在合成制备的基础上，利用单颗粒表征技术对所得结构进行表征；结合局域表面等离激元增强、微透镜阵列和电化学技术，对稀土掺杂纳米颗粒的发光强度和颜色进行了调控；利用毛细作用力组装技术，实现不同形貌纳米晶之间的可控连接；实现了不同发光颜色稀土掺杂纳米晶图案的可控构筑；利用表面修饰技术，发展了多种稀土掺杂纳米颗粒生物荧光探针，实现在肿瘤治疗和原代神经元细胞中毫秒级单颗粒水平的实时运动轨迹追踪应用，揭示了和宫颈癌中糖代谢和肿瘤生长发展的关系，利用稀土掺杂纳米颗粒的优异光学性质，发展了多种适用于多功能防伪应用的稀土掺杂材料，拓展了STED显微，实现了生物组织的高对比度、高空间分辨率和深层组织成像；开发了X射线拓展成像技术，突破传统X射线平板探测器的固有限制，实现准三维成像，为制备新一代柔性X射线成像设备提供了新的思路和途径。综上所述，本项目完成了预期研究任务，所得研究成果不仅揭示了稀土发光材料的生长、组装和发光机制，而且发展的相关材料和技术在实际应用方面显示了重要的应用前面。