长波发射磁性高效多功能上转换纳米材料制备及其应用研究

In the project, magnetic rare earth doped upconversion nanomaterials with long wavelength emission and high luminescent efficiency will be synthesized through hydrothermal method by doping different rare-earth ions, controlling the crystalline structure and the reaction conditions. The surface of these nanomaterials will be modified by ligand exchange approach. With cheap and efficient semiconductor laser (980nm) used as the light source, a test and imaging platform based on the inverted fluorescence microscope (IX83) will be constructed. With these long wavelength emission and magnetic high luminescent efficiency rare earth doped upconversion nanomaterials as the probe, and the combination of magnetic separation and enrichment technology, several models including immunoassay will be developed for the detection of antigens, antibodies, and tumor markers with high sensitivity and selectivity. The purpose of this plan is to provide new materials, new technology and new methods for luminescence sensing and bio-imaging in the long wavelength region.

本项目拟采用水热／溶剂热法，通过改变基质和掺杂离子，控制上转换纳米材料的生长粒径、晶型，改变掺杂离子的比例，控制反应时间等方法，来制备系列具有长波发射特性的、高发光效率兼具磁性的上转换纳米材料，包括核壳型，掺杂过渡金属离子，以及原位生长金（银）纳米颗粒等复合型纳米材料。通过配体交换或表面吸附等方法对其表面进行生物功能化修饰，使其具有良好的水溶性和生物相容性。利用廉价高效的近红外半导体激光器作为激发光源，结合奥林巴斯荧光倒置显微镜（IX83）, 自组装简便、价廉、高效的基于上转换纳米材料长波发射的成像装置，实现红区-近红外区生物成像等。以多功能长波发射磁性上转换稀土掺杂纳米材料作为探针，建立基于红区-近红外区检测的免疫分析模型等，结合磁性分离、富集，实现抗原、抗体、疾病（例如癌症）标志物等物质的检测以及长波区细胞成像等，以期为发光传感、生物成像等领域提供新材料、新技术、新方法。

课题组利用共沉淀法，合成了系列长波发射NaGdF4:Yb,Tm@NaYF4，NaYF4:Yb,Tm/Mn，NaYF4:Yb,Tm,Gd上转换近红外区发光纳米材料以及NaYF4:Yb,Er /Mn，Li+-NaYF4:Yb,Er, NaYF4:Yb,Er@NaYF4上转换红区发光纳米材料，并通过四氟硼酸亚硝或聚丙烯酸取代原始油酸配体或利用材料和DSPE-PEG-COOH之间的疏水作用进行了表面功能化修饰，使之具有良好的水溶性和生物相容性，适宜用作发光探针。合成了多种具有红区、近红外区吸收、发射性能的花菁类染料，以之作为能量受体或者敏化剂。组装了一套基于上转换纳米材料长波发射的成像装置，并建立了图像定量分析法。结合免疫分析和DNA杂交等模型及所建立的图像定量分析法，建立了人体前列腺抗原（PSA），miRNA155，焦磷酸酶，酪胺和酪氨酸酶，谷胱甘肽S-转移酶，谷胱甘肽，半胱氨酸，抗坏血酸，过氧化氢，尿酸，Hg2+，Fe2+，HClO，HSO3-，H2S等疾病标记物、环境污染物、细胞内源性物质的检测方法，并应用于实际样品的检测，实现了对抗原、酶、疾病标志物、环境中有害物等物质的快速、准确、高灵敏、高选择性的检测，为疾病诊断、环境污染物及细胞内源性分子检测等领域提供了新材料、新技术、新方法。