近红外量子壳层敏化稀土上转换纳米生物探针及其发光物理

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs), owing to their near-infrared (NIR) excitation and large anti-Stokes shift, are promising for the application in background-free luminescent bioassays. However, the UCNPs usually suffer from a low upconversion (UC) efficiency due to the parity-forbidden nature of the 4f transitions, which is currently the major bottleneck towards their commercialization. In this project, we aim to develop novel near-infrared quantum shell-sensitized lanthanide-doped UC nanoprobes. The PbS quantum shell is introduced to sensitize lanthanide ions in the core-shell heterostructured NaLuF4:Yb3+/Er3+@NaLuF4:Yb3+@PbS@CdS@ZnS nanoparticles (NPs) under NIR excitation. Meanwhile, the exciton absorption and band-edge emission characteristics, as well as the energy transfer process from exciton to Yb3+ will be systematically investigated. Subsequently, the most efficient near-infrared quantum shell-sensitized lanthanide-doped UCNPs will be selected to function as nanoprobes for bioassays of tumor markers.

稀土掺杂上转换纳米发光材料因其近红外光激发、反Stokes位移大等优点，在无背景荧光的生物检测中具有重要的应用前景。然而，由于三价稀土离子4f电子组态间的禁戒跃迁特性的限制，该类材料普遍存在发光效率低的问题，成为制约其实际应用的瓶颈。本项目将致力于研发可用于肿瘤标志物体外检测的近红外量子壳层敏化稀土上转换纳米荧光探针。我们通过设计一种硫化铅近红外量子壳层异质包覆无机稀土氟化物纳米晶的核壳结构（NaLuF4:Yb3+/Er3+@NaLuF4:Yb3+@PbS@CdS@ZnS）来实现近红外光激发下，PbS量子壳层对稀土离子（Er3+）上转换发光的敏化。与此同时，利用光谱学手段探究PbS量子壳层的激子吸收及带边发射特性，及其与Yb3+离子的能量传递机理，从而通过优化核壳结构设计参数来遴选出最佳发光纳米晶，并建立基于近红外量子壳层敏化稀土上转换无机纳米探针的肿瘤标志物体外检测方法。

三价稀土离子因其具有可近红外光激发且近红外光发射、反斯托克斯位移大等优点，在无背景荧光干扰的生物检测中具有重要的应用前景。由于三价稀土离子4f电子组态间的宇称禁戒跃迁特性，稀土离子的能级呈分立的阶梯状，因而稀土离子掺杂的纳米材料往往具有锐线吸收与发射谱线窄的特点。同时，由于稀土离子具有分立能级的特征，导致某些稀土离子的发光能级是热惰性的。相比而言，量子点，尤其是近红外量子点，具有比稀土离子大得多的吸收截面，同时具有连续的带间跃迁吸收特征，且其带边激子发射具有温度敏感性。依据三价稀土离子与近红外量子点各自不同的特点，本项目组通过微乳液法使稀土氟化物纳米晶与近红外量子点在胶束内腔中进行自组装，从而形成近红外量子点/稀土氟化物纳米晶异质复合材料，并将该复合材料应用于生物组织内精准温度检测中，为开拓该类发光材料在生物医学检测中的应用奠定重要的研究基础。