稀土上转换发光杂化纳米材料及其传感和生物成像应用研究

At present, the heavy metal pollution has caused great harm to the environment and the living creatures and human beings, which has aroused the great attention of scientists all over the world. Timely and accurate detection of heavy metals in the environment can be informed in advance the degree of heavy metal pollution, in order to provide guidance for the corresponding treatment measures. In this paper, the rare earth upconversion luminescent polycrystal materials are used as the energy donor for the heavy metal ion detection, which is expensive and complicated, and the organic fluorescent probe cannot realize the selective recognition in the pure water phase. Ion hybrid fluorescent probes with high selectivity and high sensitivity can be used to detect trace heavy metal ions in the environment. The hybrid probes have been applied to the determination of heavy metal ions The sensitivity and the sensitivity of FRET were investigated. The effects of distance between energy donor and energy receptor on the efficiency of FRET in hybrid system were investigated. The structure-activity relationship of FRET and detection sensitivity was established. The hybrid probe was used in biological imaging and biosensor, which provided theoretical basis and technical support for the application of hybrid probe in the corresponding field. The study of environmental protection and human health have important scientific significance and practical application value.

目前，重金属污染已对环境和生物及人类造成了极大的危害，引起了世界各国科学家的高度重视。及时并准确地对环境中重金属进行检测，可提前获知重金属污染程度，为相应的治理措施提供指导。本研究项目针对目前重金属离子等检测物质检测中过程繁杂、有机荧光探针无法实现纯水相中选择性识别等常见问题，拟设计以稀土上转换发光纳米材料作为能量给体，对单一重金属离子等检测物质具有识别位点的有机染料探针作为能量受体，构筑可用于环境中重金属离子等检测物质痕量检测的高选择性、高灵敏度有机-无机杂化荧光探针；考察该杂化探针对检测物质的识别机理、检测灵敏度，重点研究杂化体系中能量给体与能量受体之间能量传递，建立杂化探针体系结构与FRET效率、检测灵敏度之间的构效关系；并进一步将杂化荧光探针用于生物成像及传感等研究，为杂化探针在相应领域的应用提供理论依据和技术支持。该研究对环境保护及人类健康都具有重要的科学意义和现实的应用价值。

该项目通过FRET效应和荧光内滤效应分别构建了一系列上转换发光有机-无机杂化纳米材料，将其分别应用于细胞内乳酸脱氢酶活性、过氧化氢浓度水平的传感检测，并对相应的荧光传感性能在细胞中进行了系统的研究；围绕协同发光效应构建了上转换发光金属有机框架基质的有机-无机杂化荧光探针，实现了对环境相对湿度的荧光传感；针对稀土上转换/下转移发光过程中不同激发波长对稀土离子跃迁的调控行为，探讨中间过渡能级对稀土发光性能影响的基本规律，通过对稀土能量迁移路径的优化，设计制备新型稀土近红外二区（NIR-II）多模发光纳米晶，探索稀土NIR-II多模发光纳米晶与深度学习结合的新型荧光成像技术等应用研究；发展了一系列表面功能化的稀土上转换发光纳米材料，并进一步采用温和、新颖的方法合成了一系列基于上转换发光的有机-无机纳米杂化材料，这些纳米杂化材料成功用于生物成像和治疗的应用探索研究。相关研究以通讯作者发表标注该项目编号（51872183）的SCI检索论文24篇（SCI一区论文10篇），其中第一标注该编号的SCI检索论文18篇；项目执行期间以第一发明人申请有应用前景的发明专利12项，获授权发明专利8项；培养了5名硕士和2名博士，他们顺利毕业、并获得硕士或博士学位；有1项授权专利获得转让，且授权专利组合获得2021年粤港澳大湾区高价值专利培育布局大赛的百强项目；负责人获上海市“曙光学者”人才计划，申请并承担了2项上海市项目。.通过该项目的凝聚，我们形成了一支年轻而充满朝气的团队，尤其为后续研究奠定了坚实的基础。在该项目执行期间，负责人主持了上海市国际科技合作项目(中国-加拿大)，加深了国际合作交流，提升了团队成员的国际化视野。在后续的研究工作中，我们将进一步深化研究成果，加强合作交流，争取将研究成果用于传感和生物成像等方面。