新型稀土配合物和上转换纳米晶掺杂的Ag@SiO2荧光纳米粒子的制备及其生物医学应用

Rare earth complexes and upconversion nanocrystals have unique advantages，such as large Stokes shift and long lifetime. However, their weak fluorescent intensities limit their applications. The core/shell Ag@SiO2 nanoparticles doping with rare earth complexes or upconversion nanocrystals can significantly improve their fluorescent intensities due to the functions of metal enhanced fluorescence and the silica shell. In this study, we will prepare new rare earth complexes and upconversion nanocrystals, then fabricate a novel nano-structure of metal enhanced fluorescence by introducing graphene, and synthesize novel rare earth complexes and upconversion nanocrystals-doped core/shell Ag@SiO2 nanoparticles through new methods, respectively. Subsequently, the structures and properties of the nanoparticles, the fluorescence enhanced mechanisms of the new methods, and the applications in biological medicine of the nanoparticles, will be investigated. Through this study, the desired rare earth fluorescent nanoparticles which are novel, strong fluorescent, high photostable and applicable in biological medicine, will be obtained. Moreover, it is promise to develop new methods to prepare novel fluorescent probes which are advantageous over the existed probes. This work can contribute greatly to research in nanoscience and has a great potential for application.

稀土配合物和上转换纳米晶具有较大的Stokes位移和长荧光寿命等独特优点，但其荧光强度不够高，限制其应用与发展，而构建它们掺杂的核壳型Ag@SiO2纳米粒子，利用纳米银的金属增强荧光效应及硅壳的作用，可以显著提高它们的荧光强度和光稳定性。本研究在合成新的稀土配合物及上转换纳米晶的基础上，将石墨烯引入金属纳米结构，构建崭新的金属增强荧光纳米结构，通过两种新制备方法，分别制备新型稀土配合物及上转换纳米晶掺杂的Ag@SiO2纳米粒子，研究其组成、结构、性能及相互间的关系与规律，探究新方法的荧光增强机制,最后将制备的纳米粒子作为新型荧光探针应用于生物医学研究。通过该课题的研究，制备出新型、荧光强度高、光稳定性好、可以直接应用于生物医学研究的稀土荧光纳米粒子，解决目前稀土荧光探针存在的不足，探索制备新型稀土荧光探针的新方法。该项目的实施既有重要的科学意义，又有广阔的应用前景。

稀土配合物和稀土上转换纳米晶是两类重要的荧光探针，具有较大的Stokes位移或反Stokes位移、长荧光寿命及窄的发射峰等独特优点,已在生物医学、光学等领域具有广泛的应用。但它们的发光强度不够高，难以满足生物医学领域高灵敏检测的需要。如何提高它们的发光强度，拓展其应用范围，是稀土及生物医学领域需要解决的关键科学与技术问题。本项目通过构建荧光团掺杂的核壳型Ag@SiO2纳米结构体系,利用纳米Ag的金属增强荧光效应,显著提高稀土配合物与稀土上转换纳米晶的发光强度。首先合成了多种新的稀土配合物及稀土上转换纳米晶，然后完成两种新方法合成几种稀土配合物及稀土上转换纳米晶掺杂的核壳型Ag@SiO2纳米粒子。方法一为反相微乳液法直接合成，方法二为将银负载到石墨烯上的反相微乳液法合成。对于每一种方法，研究了各种反应参数对合成的影响。采用多种现代技术手段对所合成的各种产物进行了表征分析。研究了产物的组成、结构及性能之间的关系与规律，研究了每种方法及不同条件下的荧光增强机制。最后研究产物在细胞成像、免疫分析及蛋白质芯片中的应用。通过该项目的研究，分别成功设计和制备了多种新型稀土配合物和稀土上转换纳米晶掺杂的核壳型Ag@SiO2纳米粒子，如Ag@SiO2/Eu-PABA-DTPA-ATPS、Ag@SiO2/Eu-BHHCT-DPPDA-APTS、Ag@SiO2/NaLuF4:Yb,Gd,Er、Ag/Graphene@SiO2/NaLuF4:Yb,Gd,Er、Ag@SiO2@Lu2O3:Gd,Yb,Er等。结果表明所制备的纳米粒子具有高的荧光强度，相对无Ag核的纳米粒子，荧光强度提高了1至2个数量级，达到了显著提高稀土配合物与稀土上转换纳米晶发光效率的预期目的。对两种制备方法进行比较，发现将Ag负载到石墨烯上的反相微乳液法合成的纳米粒子具有更好的金属增强荧光效应。所制备的纳米粒子具有良好的光稳定性与生物相容性，作为荧光探针在细胞成像、生物标记等生物应用方面显示出优良的性能与良好的应用前景。同时，研究还理清了产物的组成、结构及性能之间的关系与规律，明确了每种方法及不同条件下的荧光增强机制。通过该项目研究，共发表署名该基金号的SCI论文16篇，其中有些发表在国际知名期刊上，申请国家发明专利6项，其中获授权3项。培养博士和硕士研究生十余名。