基于稀土上轉(zhuǎn)換納米材料的熒光探針研究.pdf

1、傳統(tǒng)的熒光分析是指利用待測物在紫外光照射下產(chǎn)生熒光的特性及其強(qiáng)度，對待測物進(jìn)行定性和定量分析的方法。盡管早在十九世紀(jì)六十年代，熒光分析作為一種新興的分析方法就已經(jīng)出現(xiàn)，但是受限于相對落后的分析技術(shù)和檢測儀器，科學(xué)家們直到二十世紀(jì)六十年代才開始對待測物進(jìn)行熒光光譜、熒光量子產(chǎn)率和熒光壽命等的測量。進(jìn)入21世紀(jì)，由于激光技術(shù)、納米技術(shù)和光電子學(xué)等領(lǐng)域的許多新技術(shù)的引入，熒光分析法在理論以及應(yīng)用方面取得了迅猛發(fā)展。隨著熒光探針技術(shù)、熒光顯微與

2、成像技術(shù)、近紅外熒光分析等熒光分析領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法的出現(xiàn)，熒光分析法不斷向著實(shí)時(shí)、原位和高效的方向發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐步開始向材料科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域擴(kuò)展。
　　熒光探針技術(shù)是熒光分析法的核心，但是以傳統(tǒng)有機(jī)熒光染料為主的熒光探針在應(yīng)用中始終存在著光漂白、光降解以及生物體自身背景熒光等諸多因素的干擾。盡管近十幾年來，半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QDs)由于其較強(qiáng)的抗光漂白能力和較高的量子產(chǎn)率在生物分子檢測和活體熒光成像領(lǐng)域被人們廣泛應(yīng)用，但

3、是其化學(xué)穩(wěn)定性和生物毒性問題始終沒有得到很好的解決。相比于傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料和QDs，稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)作為新一代的熒光探針，近幾年來逐漸受到人們的關(guān)注。當(dāng)UCNPs受到近紅外光激發(fā)時(shí)能夠通過多光子機(jī)制發(fā)出可見光，所以被稱為“上轉(zhuǎn)換”。和傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料以及QDs相比，UCNPs具有熒光發(fā)射峰窄、反Stokes位移大、熒光壽命長、化學(xué)和光穩(wěn)定性高以及生物毒性小等優(yōu)點(diǎn)。由于使用近紅外光作為激發(fā)光，UCNPs在生物分子檢

4、測和活體熒光成像應(yīng)用時(shí)沒有背景熒光干擾、組織穿透能力強(qiáng)、對生物組織損傷小。雖然UCNPs具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，但同樣還存在著諸如上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率不高以及水對UCNPs常用的980 nm激發(fā)光有強(qiáng)吸收等問題，只有逐一對這些問題加以克服，UCNPs才能真正在生物分子檢測和生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域發(fā)揮作用。本論文中，我們以UCNPs為研究主體，力圖從制備方法、親水性改性、提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率和生物體內(nèi)多模式生物成像這幾方面都有所創(chuàng)新。主要研究內(nèi)容概括如下:

5、
　　第一章，我們簡要介紹了稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米粒子的背景理論知識、研究進(jìn)展以及本博士論文的選題依據(jù)。
　　第二章，采用OA/ODE作為耐高溫混合溶劑，在300℃條件下制備了以O(shè)A做表面配體，具有均一形貌和優(yōu)異上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的六方相NaYF4:18％Yb，2％Er、NaYF4:25％Yb，0.3％Tm和NaYF4:18％Yb，2％Ho上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子。同三氟乙酸鹽熱分解法相比，溶劑熱合成法是更為“綠色”的環(huán)境友好的新方法。與

6、此同時(shí)，我們還通過多種表征手段，考察了OA/ODE比例和反應(yīng)時(shí)間對UCNPs制備的影響，進(jìn)一步討論了UCNPs的生長和上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理。
　　第三章，我們利用反相微乳液法實(shí)現(xiàn)了對UCNPs的水溶性改性。通過調(diào)控反應(yīng)過程中UCNPs和TEOS濃度，獲得了尺寸均一、形貌規(guī)整、單分散性好、發(fā)光性能優(yōu)良的UCNPs@SiO2復(fù)合納米粒子，并且實(shí)現(xiàn)了對UCNPs表面SiO2殼層厚度的控制，最終得到了表面由超薄SiO2(2nm)包裹的UCNPs

7、@SiO2核殼納米粒子。
　　第四章，我們首先采用一鍋溶劑熱法合成核殼結(jié)構(gòu)的NaYF4:Yb，Er/NaYF4上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)。該方法以逐次注射加入殼原料（稀土油酸物和氟化胺油酸物）的方式實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換納米粒子表面的殼層生長，通過調(diào)控殼原料的加入次數(shù)和加入劑量，合成了不同殼層厚度的核殼結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)換納米粒子。在此基礎(chǔ)上，我們又合成了硅烷化的氮氧自由基前驅(qū)體TEMPO-APTS，并通過與TEOS在反相微乳相中的共水解作用，在U

8、CNPs的表面包裹上了一層具有順磁性的SiO2殼層，不僅對UCNPs進(jìn)行了水溶性改性，還同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對UCNPs的自旋標(biāo)記并且取得了較為理想的抗還原效果。隨后我們通過后修飾對UCNP@TEMPO@SiO2納米復(fù)合顆粒的表面進(jìn)行了PEG功能化，提高了UCNP@TEMPO@SiO2的生物相容性，最終實(shí)現(xiàn)了該復(fù)合探針在細(xì)胞和小鼠體內(nèi)的UCL/MRI多模式成像。
　　第五章，我們首先合成了具有不同共軛結(jié)構(gòu)的花菁染料(Cyanine)，對染料

9、的激發(fā)和發(fā)射波長進(jìn)行了調(diào)控，并通過磺酸基修飾對其進(jìn)行了水溶性改性。隨后，我們基于本論文第二章所構(gòu)建的超薄SiO2包裹的上轉(zhuǎn)換納米粒子UCNP@SiO2，通過在UCNP@SiO2納米粒子表面進(jìn)行花菁染料修飾，成功實(shí)現(xiàn)了Cyanine和UCNPs之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移，并在800nm激發(fā)光激發(fā)下，實(shí)現(xiàn)了對上轉(zhuǎn)換發(fā)光高達(dá)40倍的熒光增強(qiáng)。通過本章工作，我們進(jìn)一步發(fā)展了Hummelen教授所提出的花菁染料敏化上轉(zhuǎn)換發(fā)光體系。和Nd3+摻雜增強(qiáng)上