808nm激发下高效红光发射稀土上转换发光纳米晶的制备及光动力学治疗研究

Lanthanide-doped upconverting nanomaterials have important significance and great potential applications owing to their high photostability, low-cost excitation source, and high signal-to-noise ratio. However, the frequently-used 980 nm excitation source largely overlaps the absorption band of water molecules that are dominant in biological samples, which would be significantly attenuated while passing through biological samples. This project aims at preparing high efficient red-Emission of lanthanide-doped upconverting nanoparticles under excitation at 808 nm by doping Nd3+ and multi- core-shell structure in suitable host materials to achieve photodynamic therapy and bio-imaging in deep-tissue cancer. The deep-tissue cancer photodynamic therapy and imaging based on the obtained nanomaterials suitable surface modification will be carried out. The development of this project may be benefit for simultaneously enhancement of deep-tissue fluorescence imaging and photodynamic therapy, and eliminates defects of overheating and penetration issues resulting from absorption of near-infrared light by biological samples. It also may be valuable for expanding the application in biological area based on lanthanide doped upconversion materials.

稀土上转换发光纳米材料的信噪比高、发光稳定性好、激发光源(近红外半导体激光器)价廉易得，具有重要的研究意义和应用潜力。然而，目前该材料多使用生物组织吸收较强的980 nm激发，限制其穿透深度和发光效率的提高，难以满足实际需求。本项目拟通过选择合适的基质，掺杂Nd3+和其他稀土离子，利用多层核壳结构及Mn2+过渡金属离子，制备出808 nm 激发下高强度红光发射的稀土上转换发光纳米材料。通过合适的表面修饰方法，实现该材料在小动物活体深层组织癌细胞的光动力学治疗及生物成像。本项目的开展能有效消除生物组织对近红外光的吸收造成的温度过高和穿透深度浅等缺陷，有利于实现癌细胞活体同步增强荧光成像和光动力学治疗，对扩展稀土上转换发光纳米材料在生物领域的应用范围具有一定的指导价值。

稀土上转换发光纳米材料的信噪比高、发光稳定性好、激发光源价廉易得，具有重要的研究意义和应用潜力。然而，目前该材料多使用生物组织吸收较强的980 nm激发，限制其穿透深度和发光效率的提高，难以满足实际需求。本项目通过选择合适的基质，掺杂Nd3+和其他稀土离子，利用多层核壳结构及Mn2+过渡金属离子等方式，从纳米晶制备、发光性能优化、上转换能量传递机制等几个方面，分阶段系统研究基于稀土离子掺杂的NaREF4高强度红光发射的稀土上转换发光纳米材料。取得的主要成果如下：1)成功制备了单一红光发射的NaYF4:20Yb/2Er/30Mn的纳米晶。实验结果表明Mn2+容易被氧化为正四价，同时掺杂适量K+可在一定程度上阻止其氧化。2)制备了尺寸较均一、单分散性好的NaGdF4:Nd@NaGdF4核壳纳米晶，在800 nm激发下获得较强的特征发射，其中位于900 nm的发射峰强度随着温度的升高存在规律变化。I859/I863的相对强度比随温度升高逐渐增大，可以有效实现在102～368 K范围内的温度探测。3)合成了水溶性很好的PEI-NaYF4:Yb/Er(20/2%) 和PEI-NaGdF4:Yb/Er(20/2%)纳米晶。通过zeta 电位测试，结果表明其表面电势分别为+22.0 eV和+24.9 eV，同时红外光谱也进一步证明了PEI成功的修饰。采用水热方法成功合成了具有高效橙红光发射水溶性良好的碳点。实验结果表明K+的加入可导致碳点的发射峰出现明显的降低，这表明该方法合成的碳点有可能实现对K+的检测。本项目的研究结果对于进一步拓展上转换发光材料在生物医学领域的应用以及理解上转换发光过程中的能量传递机制有一定的参考价值。