高效染料敏化稀土上转换荧光探针及其肿瘤标志物体外检测应用

Lanthanide-doped upconversion nanoparticles (UCNPs), owing to their near-infrared (NIR) excitation and large anti-Stoke shift, are promising for the application in background-free luminescent bioassays. However, the UCNPs usually suffer from a low upconversion (UC) efficiency due to the parity-forbidden nature of the 4f transitions, which is currently the major bottleneck towards their commercialization. In this project, we aim to design a novel dye-sensitized silica-UCNP nanocomposites. The loaded NIR dyes can sensitize the lanthanide ions of UCNPs and enhance the UC luminescence (UCL). The silica shell is introduced to minimize the quenching and photobleaching of the NIR dyes. The effect of core-shell structure of UCNPs, dye-sensitization and the silica coating on the UCL efficiency is also revealed. Subsequently, one or two types of efficient dye-sensitized silica-UCNP nanoprobes will be chosen and used for sensitive heterogeneous and homogeneous UCL bioassays of tumor makers (eg. CEA) in human saliva and serum, thereby laying the foundation for the applications of these nanoprobes in early cancer diagnosis. The developed dye-sensitized silica-UCNP nanoprobes are expected to exhibit much more superior features in the UCL intensity, photostability and sensitivity than commercial nanoprobes, and thus have great potentials in the fields of bioscience and clinical diagnosis.

稀土掺杂上转换纳米发光材料因其近红外激发、反Stokes位移大等优点，在无背景荧光的生物检测上具有重要的应用前景。但由于稀土离子4f电子组态间的禁戒跃迁特性，该类材料普遍存在发光效率低的问题，成为制约其实际应用的瓶颈。本项目将致力于研发可用于肿瘤标志物体外检测的染料敏化稀土上转换纳米荧光探针。通过近红外染料敏化增强上转换发光，利用二氧化硅包覆方法解决染料的负载和稳定化以及纳米颗粒表面修饰的问题；发展基于染料敏化稀土上转换纳米荧光探针的均相和异相检测技术，实现对人体血清或唾液中肿瘤标志物如CEA的高灵敏特异性体外检测。此外，利用高分辨激光和荧光光谱等揭示上转换发光与纳米晶核壳结构、染料敏化效率以及二氧化硅微环境等因素的关系。预期本项目研制的染料敏化二氧化硅复合上转换纳米探针在发光强度、光稳定性、生物安全性和灵敏度等方面都优于目前商用的荧光探针，在生命科学和临床诊断等领域将发挥重要作用。

稀土掺杂上转换纳米发光材料因其近红外激发，在无背景荧光的生物检测上具有重要的应用前景。但由于稀土离子4f电子组态间的禁戒跃迁特性，该类材料普遍存在发光效率低的问题，成为制约其实际应用的瓶颈。本项目致力于研发用于肿瘤标志物体外检测的染料敏化稀土上转换纳米荧光探针。通过近红外染料敏化增强上转换发光，采用包覆方法解决染料的负载和稳定化以及纳米颗粒表面修饰的问题；利用高分辨激光和荧光光谱等揭示上转换发光与纳米晶核壳结构、染料敏化效率等因素的关系；发展基于染料敏化稀土上转换纳米荧光探针的检测技术，实现对肿瘤相关物质高灵敏特异性体外检测。此外，项目组还利用配体或配合物敏化稀土下转移发光，发展了稀土-有机框架纳米探针特异性响应和稀土氟化物溶解增强荧光免疫分析等方法实现对其他疾病标志物和肿瘤细胞的高灵敏检测。具体的研究成果包括:（1）发展基于聚合物包覆的水溶性染料敏化稀土上转换荧光探针，利用近红外染料IR808到NaGdF4:Yb,Er上转换纳米颗粒的高效能量传递和低背景荧光信号，实现808 nm激发下对次氯酸根的超灵敏检测，检测限低至16.1 nM；（2）通过自主研制的近红外双激发共聚焦显微镜系统，项目组成功实现了对人乳腺癌细胞（MCF-7）中内源性和外源性次氯酸根的精确定量分析；（3）可控制备一种强发光的稀土-有机框架纳米材料，利用ATP和ADP对探针发光具有不同的猝灭效果以及心脏疾病标志物肌酸激酶作为ATP和ADP的转化酶，实现对肌酸激酶活性的检测，检测限为1.0 U/L；（4）利用时间分辨稀土纳米荧光探针首次实现了全血中循环肿瘤细胞（CTC）的高灵敏直接检测，其检测限低至1 CTC/well。这些研究有望加快稀土无机发光材料在生物应用的突破, 实现稀土资源的高值利用。