稀土MOF纳米荧光探针的设计合成及其生物应用

Nanoscale lanthanide metal-organic frameworks (Nano-Ln-MOFs) have shown potential biological and biomedical applications as a new class of luminescent probes by virtue of their high photostability, sharp emission band width, high luminescent efficiency, long lifetime and tunable emission; however, an in-depth and systematical investigation of controlled synthesis, chemical/photophysical properties and bioapplications for Nano-Ln-MOFs is still lacking so far. In this project we aim to synthesize Nano-Ln-MOFs with hydroxquinoline derivatives as organic ligands. The site symmetry, localized electronic energy level, excited state dynamics as well as luminescence efficiency for lanthanide ions in nanoscale MOF will be systematically studied in an effort to clarify the mechanism of ligand-dependent luminescence sensitization and to reveal the new approaches to enhance the luminescence efficiency. We'll develop one or two efficient luminescent Nano-Ln-MOFs used for sensitive time-resolved (TR) heterogeneous photoluminescence and homogeneous fluorescence resonance energy transfer (FRET) bioassays of urokinase-type plasminogen activator receptor (uPAR, biomarker in tumor metastasis) and for targeted tumor imaging. This research can provide critical insights into the exploration of Nano-Ln-MOFs in applications of biological assays and imaging.

稀土有机骨架化合物（MOF）纳米材料因其良好的光学性能，如高光化学稳定性、窄线宽、长荧光寿命、高发光效率和可调谐荧光发射波长等，有望成为一类新型纳米荧光探针应用于生物医学领域。目前国内外对稀土MOF纳米材料的可控合成、发光物理及生物应用缺乏系统、深入研究。本项目将致力于可控制备以羟基喹啉衍生物为配体的稀土MOF纳米材料，系统研究稀土离子在该类材料中的位置对称性、局域态电子结构和发光效率，阐明稀土敏化发光机理，揭示提高稀土MOF纳米材料发光效率的有效途径，获得高效发光的稀土MOF纳米材料1-2 种。在此基础上，发展基于稀土MOF纳米荧光探针的异相和均相时间分辨检测技术，实现对人体血清中肿瘤标志物如尿激酶受体的高灵敏特异性检测以及肿瘤靶向成像，为该类发光材料在生物医学检测和成像领域的应用开拓奠定重要的研究基础。

由于稀土离子含有独特的4f电子结构，稀土发光材料具有发光谱带窄、色纯度高、荧光寿命长等优点。但稀土离子的f-f跃迁属于宇称禁阻跃迁，在紫外光区吸光系数小，导致许多稀土发光材料具有较低的量子产率。稀土MOF材料利用有机配体“天线效应”可以很好地解决这一问题。有机配体作为天线分子将其强的紫外吸收通过无辐射跃迁方式有效地传递给稀土离子，从而大大提高稀土离子的发光效率。因此稀土MOF纳米材料有望成为一类新型纳米荧光探针应用于生物医学领域。然而，目前稀土MOF纳米材料的可控合成技术尚未成熟，而且稀土MOF纳米材料的水溶性较差和如何实现该类材料与生物分子的偶联等问题也没有得到很好的解决。这些问题已成为稀土MOF纳米材料应用于生物医学领域的瓶颈。.本项目针对以上问题，以羟基喹啉衍生物和芳香羧酸为配体合成了一系列稀土MOF纳米材料，其尺寸最小约为40 nm，发展了一种新的稀土MOF纳米材料合成方法。同时对所得稀土MOF纳米材料的光物理性能进行了系统的研究，阐明配体敏化稀土发光的机理。在此基础上，筛选出一例发光性能较好的稀土MOF纳米材料Eu-QPTCA作为荧光探针，利用生物素化的两亲性高分子材料DSPE-PEG-Biotin对其进行表面修饰和生物偶联，探索基于稀土MOF纳米材料的异相和均相时间分辨检测技术，应用于人体血清中肿瘤标志物如尿激酶受体的高灵敏特异性检测以及肿瘤细胞靶向成像，为该类发光材料在生物医学检测和成像领域的应用开拓奠定重要的研究基础。