基于上转换/金纳米粒子光开关构建可用于全血原位在体检测光纤生物探针的研究

Nanotechnology provides a new solution to obtain new type in vivo and in situ assay technique with higher sensitivity. Here, the special advantages of higher energy near-infrared or visible luminescence of upconversion nanoparticles (UCNPs) excited by the lower energy near-infrared laser (980 nm) in biological window, the flurescence resonance energy transfer (FRET) and the optode fiber-optic biosensor are particularly exploited to construct a new type in vivo and in situ fiber-optic bioprobe (FOBP) with higher sensitivity. The nano turn-on sensors are constructed by using UCNPs and gold nanocrystals (GNPs) as donors and acceptors, respectively. To execute the highly sensitive and fast homogeneous immunoassays for whole blood detection, the new methods are investigated in detailed to enhance the FRET efficiency. We will research the mew methods of preparing nano-UCNPs array and obtain the optimal constants of excitation and coupling. Based on the above results, a new type in vivo and in situ assay technique with higher sensitivity will be conctructed based on nano turn-on sensor constructed by UCNPs and GNPs based FRET, UCNPs nano-array on the fiber tip surface. The researching results will provide some theoretical foundations and technical ways to realize early dianosis, prevention and treatment for serious diseases such as cancer.

纳米技术为发展高灵敏的原位在体实时检测技术提供了新途径。本项目利用上转换纳米粒子近红外光激发发射高能量近红外光和可见光的特性以及纳米光开关原理，结合光纤探针所具有的可体内介入和生物分子富集功能，设计和构建一种新型高灵敏的原位在体实时检测光纤生物探针（OFBP）。以固定于光纤端面的上转换纳米粒子（UCNPs）作为给体，金纳米晶（GNPs）作为受体构建纳米光开关平台；为实现全血快速高灵敏的原位在体实时检测，重点研究提高UCNPs和GNPs之间FRET效率的新途径；研究全血环境对OFBP检测结果的影响及其规律；研究在OFBP表面制备UCNPs纳米阵列的方法，从微观上确定激发和耦合的最佳结构参数；研究OFBP在高灵敏原位在体全血免疫检测应用中的相关基础科学问题，发展一种高灵敏的原位在体实时全血检测技术，为实现对癌症等重大疾病的早期预防、诊断和治疗提供理论依据和技术手段。

研究和发展可用于全血原位快速高灵敏检测的新技术和新方法是实现癌症等重大疾病早期预警和诊断的前提。而纳米技术的发展为开发全血原位实时检测技术提供了新思路。按照研究计划，本项目重点开展了纳米光开关基光纤生物探针全血原位快速高灵敏检测关键技术及其相关科学基础问题的研究。通过对设计和构建基于上转换纳米晶和贵金属纳米晶分别作为给受体的纳米光开关体系的研究，深入理解和认识了上转换纳米晶发光的微观物理图像以及基于上转换纳米晶作为给体的能量转移机制，从原理上给出了提高纳米光开关体系能量转移效率的可行性途径；通过对全血体系中各种成份和光相互作用的研究，从实验和原理上给出了改进和提高光纤探针性能的科学依据，发展出了一种可用于全血快速高灵敏原位检测的新技术。经过本项目的研究掌握了Au纳米晶等离子体峰位精确调制的可控合成技术；发展了一种制备高质量Ag纳米三角片的技术，获得了对Ag纳米晶等离子体峰位的精确调制；发展了一种精确调控上转换纳米晶壳层厚度的核壳包覆方法，获得了具有高效发光的上转换纳米晶；建立了一种新的利用蒙特卡洛模拟上转换发光过程的方法，给出了上转换发光的微观物理图像，加深了对上转换发光机制的理解，在高效上转换发光纳米材料的结构设计上给出了重要的理论指导；在此理论指导下，通过纳米结构的优化设计获得了一种新的高效上转换纳米发光体系-NaErF4；通过对基于上转换纳米晶作为给体的能量转移过程中相关基础科学问题的研究，提出和发展了一种新的能量转移模型；利用仿真结合实验给出了光纤探针的优化参数，获得了一种激发和耦合效率最高的光纤探针结构；量化表征纳米粒子表面配体参数一直是表面修饰研究的难点，在此设计和发展了一种表征表面配体稳定性的量化方法。在上述工作基础之上，获得了一种基于纳米光开关的原位高灵敏光纤生物传感器的原型器件，其在全血中的检测灵敏度达到5ng/mL。