上转换发光生物探针基光纤传感器在体动态血液检测的关键科学问题研究

In this project, the new bio optical sensor and its immunoassay method will be studied based on optical fiber and upcoversion luminescence bio-probes for saving the major difficulties with realizing early diagnosis of cancer etc. by combining no adsorption of near infrared light by biomolecules, no excitation of self biofluorescence, upconversion bioprobes from near infrared light to near infrared light, the technology of “soft” biomodification of nanoparticle surface, evanescent wave characteristics and biosensor of optical fiber. To study: (1) these based problems with enhancing the upconversion luminescence efficiency; (2) the biotechnology of “soft” modification of nanoparticle surface and the dynamics of interaction between the biomolecules and the surface of nanoparticles; (3) the preparation of biosensor based bio fiber with self-reference quantitative biodetection and upcoversion luminescence bioprobe; (4) effects of the structure of bio sensor of optical fiber based on upconversion bioprobes on in vivo blood flow velocity, biodetection sensitivity and specificity. . The key problems to be solved in this proposal include (1) the fundamental scientific approaches to increase upconversion luminescence, (2) effects of the interaction between upconversion nanoparticles and biomolecules on sensitivity and biospecificity, (3) effects of in vivo blood flow velocity and the interaction between the biosensor and blood flow on sensitivity and specificity of the quantitative immunoassay for getting a technical platform and physical foundation.

本项目针对癌症无法早期诊断重大难题，基于近红外光生物不吸收，不激发生物荧光的性质，以低能近红外上转换高能近红外发光的纳米生物探针为主线，结合固相生物“柔性”修饰技术，借助倏逝波特异性激发荧光生物标记探针和光纤传感生物信息手段，构建上转换发光生物探针基光纤传感器和建立在体血液检测新方法。开展提高UNBP上转换效率的新途径及其相关科学基础问题、固相表面生物“柔性”修饰及其相互作用动力学、UNBP基自参考量化EWOFBS制备及多重性能的研究以及EWOFBS结构对在体血液流速的影响及其与检测灵敏度和特异性的关系研究。将重点解决离子高浓度掺杂UNBP纳米新结构与近红外上转换效率的关系、固相表面与耦联抗体分子相互作用对其灵敏度和特异性的影响规律以及体内高速流动血液与EWOFBS相互用及其对检测灵敏度和特异性影响的三个关键科学问题，为实现癌症等重大疾病在体早期诊断和预警提供创新技术平台和物理基础。

项目针对癌症等重大疾病无法实现早期诊断的重大难题，基于近红外光难于为生物吸收，不激发生物荧光的性质，将稀土近红外光子上转换纳米生物探针（UNBP）、光纤倏逝波特异性激发生物探针和光纤传感生物息手段相结合，开展了提高UNBP光子上转换效率、UNBP基光纤微纳生物传感器及其在体血液检测新方法相关的关键科学问题研究。经过4年的研究，获得了如下创新结果：1）发展了在鼠模型内合成UNBP的新方法，解决了UNBP生物相容生差的重要问题；2）首次揭示了UNBP光子能量迁移光子动力学“随机游走”的新规律和动力学图像，为提高光子上转换纳米生物探针转换效率指明了研究方向；3）设计构建了核壳新结构有效地抑制稀土离子浓度发光猝灭效应，突破了经典体系中稀土离子浓度发光猝灭科学瓶颈，实现了100%Er3+的纳米新结构“颠覆性”的上转换发光；4）实现了基于上转换纳米探针全血环境下的最IgG的最高灵敏检测, 在缓冲液中最低检测限达0.042 μg/mL, 在全血溶液中达0.51 μg/mL以及单细胞内pH值为3.56的精准检测；5）首次发现并提出了在体复杂全血环境下微纳传感器表面凝血机制制约检测灵敏度的关键科学问题。 . 针对项目研究过程中发现光纤條逝波激发光子上转换纳米生物探针效率低制约项目研究进展的难题，扩展了SERS生物探针基纳米生物传感器和光纤生物探针基生物传感器的创新研究。在国际上首次突破了SERS纳米生物传感器血糖检测灵敏度1nM的检测极限，检测限达到400pM，比文献报道最低值低了3个数量级的重要结果。本项目发表SCI论文12篇，国际会议邀请报告1篇，国内会议邀请报告1篇，口头报告1篇。获得了授权和申请发明专各1项，培养博士研究生3名，硕士研究生3名，博士后2名。. 项目实现了认识和理解制约光子上转换效率的光子能量迁移机制和揭示制约光子上转换基光纤微纳生物传感器在体全血环境应用的表面凝血机制的科学研究目标，为建立癌症等重大疾病在体早期诊断和预警提供创新技术平台提供研究基础。