用于肿瘤标志物检测的稀土掺杂AMnF3（A = Na, K）单色上转换纳米荧光标记材料及其发光物理

Emerging as a new technique for tumor diagnosis, upconversion luminescence (UCL) labeling is still limited in bio-application, due to the strong tissue absorption and low penetration depth of the emission light from upconversion materials. In this project, we will synthesize a kind of nano-biolabels based on lanthanide (Ln3+) doped AMnF3 (A = Na, K) nanocrystals (NCs) that emit single band UCL in the red or near-infrared regions. Both the excitation and emission light of these NCs can penetrate through deep tissue. The synthesis, surface modification, and photophysics of these AMnF3:Ln3+ NCs will be systematically studied. The relationship between UCL intensity, energy transfer process of these NCs and the particle size (or the dopant concentration) will be investigated, aiming to clarify the single band UCL mechanism and improve the UCL effiviency. One or two highly sensitive nano-biolabels will be chosen and used for UCL assays of urokinase-type plasminogen activator receptor (uPAR, biomarker in tumor metastasis), and for targeted imaging for tumor cells.These AMnF3:Ln3+ NCs that emit single band UCL are expected to show higher tissue penetration depth, better photochemical stability and lower detection limit than traditional organic fluorophores and quantum dots, therefore could have promising biological applications in tumor diagnosis, fluorescence immunoassay and bioimaging.

上转换荧光标记作为肿瘤诊断的一种新技术，目前在应用上受到其材料的发射光易被生物组织吸收和穿透深度较浅的限制。本项目致力于研发一类具有单一红色（或近红外）上转换发光的稀土掺杂AMnF3（A = Na，K）纳米荧光标记材料，使其激发光和发射光均具有较高的组织穿透能力。我们将开展这类材料的可控合成、表面修饰及发光物理研究，揭示材料的上转换发光强度、能量传递过程与颗粒尺寸和稀土离子掺杂浓度的关系，阐明单色上转换发光机理，寻找提高发光效率的途径，从中筛选出一、二种高灵敏的荧光标记材料，实现对尿激酶受体（肿瘤转移的靶标分子）的上转换荧光检测，以及对肿瘤细胞的靶向成像。预期本项目研制的具有单色上转换发光特性的纳米荧光标记材料在组织穿透深度、光化学稳定性和检测灵敏度等方面都表现出优于传统有机染料和稀土鳌合物的良好性能，在肿瘤诊断、免疫分析、生物成像等领域发挥重要作用。

与传统的分子荧光标记材料（如荧光染料）相比，稀土上转换纳米发光材料不仅化学稳定性高、荧光寿命长、潜在生物毒性低，而且由于采用近红外光源激发具有较大的光穿透深度、无生物组织自荧光以及对生物组织几乎无损伤等显著优点，在荧光生物检测和成像等领域具有重要应用前景。目前上转换纳米荧光标记材料发展的瓶颈问题是其量子产率低。提高上转换发光效率、探索新型高效的上转换纳米荧光标记材料一直是人们关注的焦点与努力的目标，也是该类材料能否获得实际应用的关键。我们将开展了稀土掺杂AMnF3（A = Na，K）纳米材料的可控合成、表面修饰及发光物理研究，揭示材料的上转换发光强度、能量传递过程与颗粒尺寸和稀土离子掺杂浓度的关系，阐明其单色上转换发光机理。同时，我们首次采用热分解的方法，通过高温前驱体注射包覆合成了发光性能优良的LiLuF4:Ln3+核壳结构上转换纳米晶。多层核壳包覆显著提高了纳米晶的上转换发光效率，其中Er3+和Tm3+的绝对量子产率分别达到5.0%和7.6%，为目前已报道单分散稀土掺杂上转换纳米晶的最高值。特别地，该纳米晶经表面修饰后可作为上转换荧光探针实现对疾病标志物的高灵敏特异性检测。另外，我们以稀土离子Eu3+为结构探针，通过低温高分辨荧光光谱揭示了在稀土掺杂阳离子无序分布结构的晶体中普遍存在的结晶学位置对称性破缺现象。从而解决长期困扰该领域的一个争议，为此类材料发光性能优化奠定理论和实验基础。在项目执行期间，已在Angew. Chem. Int. Ed., Chem. Soc. Rev., Coord. Chem. Rev. 等国际顶尖期刊发表SCI论文17篇，其中影响因子大于10的8篇，大于5的15篇，攥写英文专著1部，受理中国发明专利8项，很好的完成了预定研究目标。