具有温度反馈的稀土掺杂光热转换核壳结构设计与物性研究

Photothermal therapy, which presents less side-effect, small pains suffered by the patients, low cost and short treatment cycle, has attracted much attention and has been widely investigated. Based on our previous work and aimed at the problems with photothermal conversion and temperature reading in the photothermal therapy of tumors, it is proposed that the photothermal conversion is obtained by using rare earth ions as doping centers. To this end, the one amongst Yb3+ (having large absorption cross section at 980 nm) and Nd3+ (having large absorption cross section at 808 nm) as absorber and one amongst Sm3+, Dy3+, Eu3+ and Pr3+ as quencher are co-doped into fluoride host, thus resulting in transferring the absorbed excitation energy to the quencher and further transforming the photo energy into heat via nonradiative transitions. Meanwhile, it is also proposed that the above-mentioned photothermal conversion and the temperature sensing of Ho3+, Tm3+, Er3+ and Nd3+ ions are combined together in a core-shell structured nanoparticle to obtain a material with which the temperature controllable photothermal therapy can be achieved. The factors, such as host composition, core size, shell thickness, doping concentration of rare earth ions and the shielding layer for avoiding energy transfers between the rare earth ions in the core and shell, influencing the photothermal conversion and temperature sensing will be studied. In this way, the physical nature for the photothermal conversion and temperature sensing of rare earth ions will be discovered, meanwhile, the nanostructured materials meeting the practical applications in photothermal therapy will be explored.

光热治疗具有副作用小、患者承受的痛苦少、成本低、治疗时间短等优点而倍受研究者们重视和研究。本项目以研究组前期工作为基础，针对目前肿瘤光热治疗中光热转换及温度读出等方面存在的问题，提出采用稀土离子实现光热转换，即以分别在980nm和808nm处具有大的吸收截面的Yb3+和Nd3+离子作为吸收中心，以Sm3+、Dy3+、Eu3+、Pr3+离子为猝灭中心，并将二者共掺杂在氟化物基质中使激发能传递到猝灭中心后通过无辐射跃迁实现光热转换。同时，提出把光热转换和Ho3+、Tm3+、Er3+、Nd3+离子的温度传感通过核壳结构结合在一起同时实现温度反馈和光热转换，进而获得温度可控的光热治疗用纳米结构材料。通过实验探讨基质组分、核的尺寸、壳的厚度、稀土离子的掺杂浓度、核壳间能量传递阻挡层等因素对光热转换与温度传感的影响，揭示稀土离子的光热转换和温度传感物理规律，寻求满足实际应用要求的光热治疗纳米结构材料。

在光热治疗中，精确测量和控制光热转换体（纳米粒子）的温度具有重要意义，但是传统的温度测量技术难于实现实时的、微观局域温度的测量和控制。本项目提出了开展利用稀土离子掺杂的NaYF4作为光热转换体，同时采用稀土离子掺杂的NaYF4的荧光强度比技术进行光热转换温度测量。由于实现光热转换和温度传感所掺杂的稀土离子是不同的，而把它们同时掺杂在同一粒子中会产生温度传感荧光信号的猝灭，因此我们提出将二者分别掺杂到核壳结构的核和壳中，同时实现光热转换和温度传感，并将温度信号反馈给激发源，通过控制激发源的功率和辐照时间实现对光热转换的控制。. 为了深入研究光热转换和温度传感的机理，提出了两种计算稀土离子掺杂粉体材料光学跃迁的方法：一是利用漫反射谱进行计算，该方法对所有稀土离子具有普适性；二是利用荧光衰减数据进行计算，该方法避免了对非透明样品体积的限制。我们主要研究了Tm3+/Yb3+、Dy3+/Yb3+、Sm3+/Yb3+三种掺杂方案的光热转换性能，并将它们分别与Er3+/Yb3+组合成了多个核壳结构体系，重点研究了稀土离子掺杂浓度、980nm激发光的激发密度、激光辐照时间等因素对光热转换的影响。研究结果表明，光热转换广泛存在于稀土离子发光材料中，而我们提出的Sm3+/Yb3+和Dy3+/Yb3+组合是两个非常有效的光热转换掺杂方案。此外，研究还揭示了基质材料和掺杂浓度对稀土离子的光学跃迁的影响，在具体的基质体系中给出了基质组分和激发波长对光学温度传感的影响规律，证实了在多数情况下利用非热耦合能级荧光强度比进行温度传感是不可行的。. 以往Judd-Ofelt计算多对稀土离子掺杂的透明材料进行，本研究将Judd-ofelt理论应用拓展到了非透明材料。本项目所开发的光热转换和温度传感双功能核壳结构为光热治疗提供可选择的纳米材料。