基于稀土掺杂纳米颗粒间荧光共振能量传递的均相生物检测应用研究

Lanthanide-doped luminescent nanoparticles (NPs), owing to their superior optical properties, are regarded as a new generation of luminescent nanoprobes for versatile biomedical applications. In this project, we are devoted to the development of a new type of lanthanide (Ln3+) nanoprobes with high inter-particle Förster resonance energy transfer (IP-FRET) efficiency. The controlled synthesis, surface modification and bioconjugation of Ln3+ nanoprobes will be systematically investigated. The effect of the NP phase, size and surface structure as well as the concentration and distribution of Ln3+ in the NPs on IP-FRET efficiency will be unraveled. A reliable and general bioconjugation technique will be proposed for specific recognition. Finally, a novel and efficient time-resolved or upconversion IP-FRET biosensing nanosystem will be established for sensitive and specific in-vitro detection of trace amount of biotin in human serum, thereby laying a foundation for its application in fluorescent immunoassay. The developed Ln3+ nanoprobes are expected to exhibit much more superior properties in the PL intensity, photostability and sensitivity than traditional molecular bioprobes like Ln3+ chelates and organic dyes, and thus are promising for applications in the fields of fluorescent immunoassay and clinical diagnosis.

稀土纳米发光材料因其优异的光学性能，有望成为新一代荧光探针应用于生物医学领域。本项目将致力于研发具有高效纳米颗粒间荧光共振能量传递（IP-FRET）的稀土纳米探针，开展稀土纳米探针的控制合成、表面修饰和生物偶联，揭示纳米颗粒间稀土离子的能量传递效率与其基质相态、尺寸、表面结构以及稀土离子的掺杂浓度和空间分布的关系，发展成熟可靠的具有特异性识别作用的生物偶联技术，开发基于新型高效稀土时间分辨和上转换IP-FRET均相生物检测技术，实现对人体外周血中痕量生物素的高灵敏特异性体外检测，为该类生物传感体系的荧光免疫分析奠定应用基础。预期本项目研制的稀土纳米荧光探针在荧光强度、光化学稳定性和灵敏度等方面都表现出优于传统分子探针如稀土螯合物和有机荧光染料的良好性能，在荧光免疫分析和疾病诊断等领域将发挥重要作用。

本项目主要围绕稀土纳米发光材料的控制合成、电子结构、能量传递过程及其体外检测应用开展研究工作。按原定研究计划，项目组成功研制出一批单分散、水溶性好、且兼具高效发光的LiLuF4:Ln3+时间分辨/上转换纳米荧光探针，其中LiLuF4:Ce3+/Tb3+纳米荧光探针的荧光量子产率高达67.6%，荧光寿命长达4.69 ms，以此构建的时间分辨荧光共振能量传递（TR-FRET）均相检测方法实现了对生物素的检测，检测限达到0.08 μM。在电子结构和能量传递研究方面，以Eu3+离子为结构探针，对LiLuF4:Eu3+纳米探针的电子结构及局域位置对称性进行研究，在此基础上对LiLuF4:Nd3+纳米荧光探针近红外区域的能级跃迁进行了精确指认；提出一种光控合成新方法实现稀土氟化物上转换纳米晶与钙钛矿纳米晶复合结构的原位、实时限域合成，并利用稀土发光材料和钙钛矿纳米晶颗粒间的能量传递，首次实现全光谱高效上转换/长余辉发光调控；利用自主研发的单颗粒偏振光谱测试系统和低温高分辨荧光光谱等测试手段，对LiLuF4:Yb3+/Er3+单颗粒微米晶偏振各向异性上转换发光进行了系统的研究，为各向异性稀土纳米探针单颗粒间FRET过程的研究奠定理论基础。在体外检测应用方面，发展了稀土掺杂氟化物和硫化物等时间分辨和近红外二区纳米荧光探针，实现对人绒毛促性腺激素、黄嘌呤等疾病标志物的高灵敏、特异性体外检测。在项目执行期间，已在 Adv. Sci., Mater. Today Nano, Angew. Chem. Int. Ed., Nano Today等国内外期刊发表高影响力论文16篇，影响因子>10的1区论文10篇，3篇入选物理和化学领域ESI高被引频次（top 1%）论文，所发表论文4 年内被他引400多次。申请国内外发明专利9项（授权8项），圆满完成预定研究目标。