基于局域场增强效应的上转换荧光肿瘤标志物传感器研究

The sensitive detection of trace tumor markers is significant in early diagnosis of cancer. Recently, comparing to conventional detection method, upconversion luminescence detection became an important detection method for tumor marker and has attractted extensive attention because the inference of autofluorescence from blood samples can be avoided due to the near infrared excitation and visible light emission. However, low luminescence efficiency limits its practical application in early diagnosis and self-screening of cancer. In this project, we plans to fabricate an novel tumor marker sensor with composite structure, which combining opal photonic crystal with multiple bandgap, plasmonic semiconductor and upconversion nanocrystals. Upconversion luminescence can be greatly enhanced due to the surface plasma and photonic crystal effects. Also, the excitation threshold can be reduced, imporving the detection sensitivity. We will further prepare the composite films on flexible substrate, combining nanoprinting technology, to achieve flexible high sensitive detection. Since a certain specific cancer can be related to several tumor markers, we will build detection arrays on the flexible composite film, based on multicolor emission property of upconversion nanocrystals, which can detect the multi-biomarkers simultaneously, improving diagnostic accuracy of tumors. The project can provides important theoretical and experimental surpports for early cancer diagnose with upconversion fluorescence.

肿瘤标志物的高灵敏度检测对癌症早期筛查具有重要意义。上转换荧光检测法具有近红外光激发、可见光发射的特点，同传统荧光检测法相比可避免血液中自荧光干扰，是肿瘤标志物检测的重要方法，引起广泛关注；但是上转换荧光检测还存在荧光效率低的问题，限制了其在肿瘤早期诊断和自我筛查方面的实际应用。本项目拟设计制备基于柔性衬底的多带隙光子晶体/半导体表面等离子体/上转换纳米晶复合结构的肿瘤标志物传感器，利用光子晶体与表面等离子体效应的协同作用大幅度增强上转换荧光，降低上转换工作阈值，提高检测灵敏度，并结合纳米打印技术实现柔性检测；针对多肿瘤标志物联合检查的问题，拟利用上转换纳米晶的多色发光特性建立针对单一肿瘤的多种标志物检测阵列，实现多种标志物的高效同时检测，提高肿瘤诊断准确率。本项目将为上转换荧光在癌症早期诊断中的应用提供重要的理论和实验依据。

肿瘤标志物的高灵敏度检测对癌症早期筛查具有重要意义。上转换荧光检测法具有近红外光激发、可见光发射的特点，是肿瘤标志物检测的重要方法。本项目着眼于上转换荧光效率低的问题，开展了多带隙光子晶体/半导体表面等离子体/上转换纳米晶复合材料研究，利用光子晶体与表面等离子体效应的协同作用大幅度增强上转换荧光，实现多种肿瘤标志物检测。1）我们通过双带隙光子晶体效应大幅度提高了上转换荧光强度171倍，并制备了前列腺癌肿瘤标志物（PSA）传感器，大幅度降低工作阈值，实现了在0.1-10ng/mL范围内的线性检测，激发光功率密度低至1.7W/cm2。基于类似方法，还测试了CA-125肿瘤标志物。2）我们制备了纯红光发射的LiErF4:0.5%Tm3+@LiYF4 UCNPs/光子晶体传感器，在980nm激发下实现了单色红色的48.5倍增强，通过检测胆固醇级联反应产生的 3,3',5,5'-四甲基联苯胺 (TMB) 氧化产物，对胆固醇的检测限为1.6μM，检测结果与临床诊断数据高度一致。3）本项目进一步将场增强效应应用于循环肿瘤细胞标志物检测中，成功制备了具有三维反蛋白石光子晶体（IOPC）结构捕获面的微流控芯片，利用IOPC结构实现了35%荧光信号增强；结合磁性复合纳米颗粒实现了循环肿瘤细胞有效捕获和同步监测，在1mL/h的流速下，捕获效率达到92%，为基于循环肿瘤细胞的癌症早期监测和治疗提供重要实验数据。.2021年7月，本项目负责人作为大会组委会秘书长，举办了第八届全国掺杂纳米材料发光性质学术会议；2021年，本项目负责人被聘为吉林大学唐敖庆领军教授；过去四年间，在国际国内学术会议上做邀请报告18次，其中国际会议邀请报告3次。发表论文方面，项目团队发表SCI论文55篇，其中影响因子大于10的论文15篇，一区论文32篇；授权发明专利2项；获得吉林省自然科学一等奖一项（项目负责人排名第三），吉林大学优秀博士后一等奖一项（项目负责人排名第一）。