用于生物细胞温度探测的超小稀土掺杂上转换纳米复合材料

Lanthanide-doped upconvertion nanomaterials (UCNPs) are able to convert near infrared light (NIR) into shorter wavelength NIR, visible, and ultraviolet (UV) emissions, and have a great deal of potential application in many fields, especially in biology and biomedicine (such as biolable, bioimaging, biosenser, medical diagnosis and treatment). However, it has been reported that the quantum yield (QY) of Lanthanide-doped upconvertion materials is usually lower. The QY of UCNPs in the nanoscale (below 30 nm) is only about 0.1%. When it is applied in biomedicine, there is usually a higher excitation power density for using, which is easy to damage the biological tissue. This project is aiming to improve the fluorescence of rare-earth doped upconvertion nanocomposites via multi-shell structured coating. The approach for improving QY of UCNPs focuses on two aspects: 1) coating the active shell to increase the absorption of excitation light and the energy transfer; 2) coating the inert shell to prevent quenching of emitting surface ions by solvent, ligand, and defect ect.. Finally, It is to obtain the multi-shell structured lanthanide-doped UCNPs with higher luminescence efficiency and smaller size, so as to realize intracellular temperature measurement and bioimaging applications with no tissue damage, higher spatial and temperature resolutions.

稀土掺杂上转换纳米发光材料可以将近红外光转化为短波近红外光、可见光和紫外光，在生物技术（如生物荧光标记、生物成像、生物温度探测等）和医学诊断与治疗等领域有着巨大的应用前景。但目前已报道的上转换发光材料的发光效率都很低，尺寸小于 30 nm 的纳米材料一般仅为 0.1% 左右。因此在实现其生物技术应用时，通常需要很大的激发功率密度，极易造成生物组织损伤。本项目拟在稀土上转换纳米粒子表面包裹敏化剂（如Yb3+ 离子）壳层和惰性壳层，尝试通过敏化剂壳层增加对激发光的吸收和能量传递，利用惰性壳层保护纳米复合材料核内发光中心，使其远离表面的溶剂、配位体和缺陷等，从而获得发光效率显著增强的、粒径超小的、多壳层结构的稀土上转换纳米复合材料，并期望最终实现无组织损伤的、高空间分辨率和高温度分辨率的生物细胞温度探测应用。

稀土掺杂上转换纳米发光材料在生物技术（如生物荧光标记、生物成像、生物温度探测等）和医学诊断与治疗等领域有着巨大的应用前景。但目前已报道的上转换纳米发光材料的发光效率都很低，通常需要很大的激发功率密度，极易造成生物组织损伤。本项目主要研究内容为提高上转换纳米材料的发光效率或移动激发波长，期望实现无组织损伤的生物组织温度探测。本项目的主要研究内容及研究成果如下：一、通过本项目的研究，成功地合成了单分散、尺寸均一的NaYF4体系上转换纳米发光材料。二、通过在NaYF4:Yb3+, Tm3+ 核和NaYF4:Yb3+, Er3+ 核等纳米材料表面，包裹NaYF4惰性壳层和NaYF4: Yb3+, Nd3+ 敏化剂壳层材料，使得NaYF4体系上转换纳米发光材料的发光强度得到了显著增强，从而降低了测试的激发光功率密度。三、在上转换纳米发光材料的壳层中掺入Nd3+ 离子形成敏化剂壳层，利用激发谱和时间分辨光谱证实了Nd3+ → Yb3+ → Er3+ 的上转换能量传递过程，实现了用794 nm的激发光代替975 nm的激发光，而794 nm的激发光对于生物组织热效应小且有深层组织穿透能力，从而实现Nd3+ 离子掺杂上转换纳米材料的无组织损伤和深层组织探测的生物应用。四、我们从绝对荧光强度、荧光寿命、和荧光强度比等方面研究了稀土掺杂纳米发光材料的温度依赖发光特性，研究表明稀土Eu3+ 离子的5D2能级寿命和发射强度在生理温度区间内变化非常剧烈，其变化率分别可以达到 2.04% ºC-1和2.5% ºC-1，此外，Er3+ 离子的2H11/2 和 4S3/2能级发射强度比、Tm3+ 离子的3F2,3 和 1G4能级发射强度比及Tb3+ 离子的5D4与Dy3+ 离子4F9/2能级发射强度比均随温度有剧烈变化，可用于温度探测。本项目工作的开展使研究者对可用于生物组织温度探测的纳米发光材料有了深入的认识，为实现低功率激发、无组织损伤和高温度分辨率的生物温度探测提供了颇有价值的研究基础，促进了稀土掺杂纳米发光材料的广泛生物医学应用。