高效稀土金属-有机框架晶态发光材料及其生物医学应用

Research on lanthanide metal-organic frameworks (Ln-MOFs) has been a hot topic in the field of chemistry and materials science. Ln-MOFs are promising functional materials because of their excellent luminescent properties. However, it is still a big challenge to obtain high efficient Ln-MOF crystalline materials by tuning of the metal center and the organic ligand simultaneously. Furthermore, an in-depth and systematical investigation of controlled synthesis, photophysical properties and bioapplications for Ln-MOF crystalline materials, expressly the nanoscale Ln-MOF materials, is also still lacking so far. Aimed on these key scientific problems, a serial of high efficient Ln-MOF crystalline materials with porphyrin carboxylate ligands will be designed and synthesized in this proposal. Through the implementation of this proposal, the relationship between luminescent properties and crystal structures will be systematically studied in an effort to clarify the mechanism of luminescent properties and to reveal the new approaches to enhance the luminescence efficiency. The controlled synthesis, surface modification and bioconjugation of the Ln-MOF nanomaterials will be systematically surveyed. We will develop at least two kinds of Ln-MOFs for sensitive detection of tumor markers as well as tumor-targeted bioimaging and photodynamic therapy. This research can provide critical insights into the exploration of Ln-MOF materials in the biological applications.

稀土金属-有机框架（MOF）材料是当前化学和材料科学领域的一个研究热点，优良的光学性能使之成为非常有应用前景的功能材料。然而，目前还很难实现稀土金属中心和有机配体两个功能基元的充分利用，合成出高效的稀土MOF晶态材料。另外，国内外对稀土MOF晶态材料，特别是纳米材料的可控合成、发光物理及生物医学应用也缺乏系统、深入的研究。围绕这些关键科学问题，本项目将设计合成以卟啉羧酸为配体的高效稀土MOF晶态材料，系统研究这类稀土MOF材料的晶体结构与发光性能的构效关系，阐明材料的发光机理，揭示提高稀土MOF晶态材料发光效率的有效途径。可控合成出高效发光的稀土MOF纳米材料1-2种，发展这类纳米材料的表面修饰和生物偶联技术，实现其对人体血清中重要肿瘤标志物的高灵敏特异性检测，以及肿瘤细胞的靶向成像和光动力学治疗，为这类发光材料在生物医学领域的应用奠定重要的研究基础。

稀土金属-有机框架材料是当前化学和材料科学领域的一个研究热点，优良的光学性能使之成为非常有应用前景的功能材料。然而，国内外对稀土金属-有机框架晶态发光材料，特别是其晶态纳米材料的可控合成、发光物理及生物医学应用尚缺乏系统、深入的研究。本项目致力于研发具有高效发光的稀土金属-有机框架晶态纳米材料，并实现其生物医学应用。利用配体交换等方法实现稀土金属-有机框架晶态纳米材料的可控合成；通过有机配体结构的设计实现配体对稀土离子的高效敏化发光；利用高分辨荧光光谱等揭示稀土金属-有机框架材料发光与有机配体结构、材料晶体结构等因素的关系；发展基于稀土金属-有机框架纳米荧光探针的检测技术，实现对重大疾病标志物的高灵敏特异性体外检测。此外，项目组还发展了基于稀土掺杂无机纳米荧光探针的检测技术，实现对肿瘤相关物质的高灵敏特异性体外检测。具体的研究成果包括:（1）可控制备一种强发光的稀土金属-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高灵敏特异性体外检测，检测限为1.0 U/L；（2）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；（3）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；（4）利用具有高效NIR-II发光的稀土掺杂CaS纳米荧光探针实现了疾病标志物黄嘌呤的高灵敏特异性体外检测，检测限低至32 nM。这些研究结果有望加快稀土金属-有机框架材料在生物医学领域的应用突破, 实现稀土资源的高值利用。