近红外上转换长余辉纳米复合材料的制备及其生物功能应用的研究

The main objective of this project is to design and synthesize a nano structure complex of rare-earth doped upconversion nanoparticles and Cr3+ based near-infrared long persistent phosphor, achieving an optimized nano material with near-infrared emissions which can restore energy in vivo under near-infrared excitation. The advantages of using persistent luminescence nanoparticles in vivo optical imaging include avoiding antofluorescence signals from endogenous chromophores and no exposure to X-rays/UV light, etc. However the poor emission intense limited their further biological applications. The breakthrough of persistent luminescence quantum efficiency, afterglow length and energy transfer mechanism are the keys. Luminescence lanthanide upconversion nanomaterials have become a research hotspot for in vitro/in vivo studies. Incorporation long persistent nanomaterials, the complex should be successfully and easily excitation by near-infrared light and restore energy in vivo; therefore there will be no limit to the poor afterglow length. The promising nanomaterials will greatly improve the performance of traditional long persistent phosphors in their biological applications, such as responsive target-specific probes and bio-imaging.

基于Cr3+离子的近红外长余辉纳米发光材料在生物成像和癌细胞靶向治疗等前沿技术领域具有重要的潜在应用前景。但目前的研究主要集中在材料研究，着重研究具有小尺寸、单分散性以及水溶性和良好的生物兼容性的材料的制备以及在细胞成像中的可应用性，而长余辉纳米材料中的电子或空穴俘获和释放以及能量转移等发光机理方面还未有涉及；另一方面纳米材料在生物成像应用方面依然存在着余辉时间短、余辉发光强度低等不足。本项目拟通过将稀土上转换纳米荧光材料与近红外长余辉纳米材料相结合，利用上转换的特点，设计并制备出可以利用近红外光激发的复合长余辉纳米材料，并最终实现材料在活体中可实现多次补充能量，以克服长余辉材料余辉时间短、发光强度低的劣势。与此同时通过设计不同结构的复合纳米材料来研究长余辉发光过程中涉及的能量存储、转移、释放等机理以及与掺杂的稀土离子间的能量传递，为发展生物信息技术提供具有自主知识产权的功能材料提供依据。

通过将具有特殊上转换发光的Yb3+团簇材料与长余辉材料相结合，得到了在特定上转换激发下长余辉发光材料的余晖时间延长的实验结果。Yb3+能级简单且与余辉的吸收波段以及Cr3+离子的吸收发射波段存在较大的能量差，彼此之间不存在能量传递因而可以有效降低能量回传；Yb3+团簇的合作发光为宽带且与Cr3+离子和长余辉材料的吸收存在较大的光谱交叠，因此可以较高效地将大部分荧光的能量传递给长余辉材料，最终使长余辉的荧光强度变强，余辉时间延长；同时团簇合作发光在紫外区也存在能量输出，使对紫外光吸收更强的长余辉材料得到更多的深能级能量存储，有利于长余辉材料的发光性能的提高；此外近红外激发光的相对较深的穿透深度使得能量可重复激发补充的长余辉材料在生物成像方面有着潜在的应用价值。研究表明，微波辐射高温固相合成法是一种非常快速有效的材料制备方法，此方法可以将数小时的反应时间减少至10分钟，在合成性能优良的钙钛矿发光粉体材料方面具有节省时间和降低耗能的优势。