上转换长余辉发光纳米颗粒的设计合成及其在深层肿瘤再激发成像中的应用

The luminescence of persistent luminescence materials (PLMs) can last for a long time after they are excited. The background noise originating from in situ excitation can be completely removed in bioimaging process， thus the long-term and high sensitivity bioimaging can be achieved. In recent years, PLMs have attracted widely attention from researchers in the field of bioimaging. However, it was difficult in situ excitation in deep tissue because of their short excitation wavelength. This disadvantageous factor hinders further application of PLMs in bioimaging. In order to solve this problem, this project will design and synthesize a new core/shell up-conversion persistent luminescence nanoparticles (UCPLNPs) using core/shell technology. Combining the advantages of PLMs and up-conversion materials (UCMs), the objective of near-infrared light excitation of PLMs can be achieved using UCMs as excitation light source. On this basis, we will evaluate the biotoxicity of UCPLNPs. After surface modification with tumor-target molecule, UCPLNPs will be used in tumor cell imaging in vitro and tumor re-excitation imaging in deep tissue, finally we will achieve the super long-term and high sensitivity detection of tumor cells in vitro and in vivo. This project can provide a new technical means for diagnosis and treatment of disease in deep tissue in vivo.

长余辉发光材料经光激发后能够持续长时间发光，在生物成像过程中可以完全避免原位激发光引起的背景荧光，实现长时间和高灵敏度的生物成像。近年来，长余辉发光材料在生物成像领域受到研究人员的广泛关注。然而，目前长余辉发光材料的激发波长短，难以实现活体深层组织原位再激发，这严重制约了其在生物成像领域的进一步应用。针对长余辉发光材料激发波长短的问题，本项目计划采用核壳包被技术，设计合成一种新型的具有核壳结构的上转换长余辉发光纳米材料。结合长余辉发光材料和上转换发光材料的优点，以上转换发光材料作为激发光源，激发长余辉发光，从而实现近红外光激发长余辉发光材料的目的。在此基础上，对其生物毒性进行初步评价。在其表面修饰肿瘤靶向分子后，开展体外肿瘤细胞成像，以及活体深层组织肿瘤再激发成像，实现体内和体外肿瘤细胞超长时间、高灵敏度成像检测。本项目有望为活体深层组织疾病诊断和治疗提供一种新的技术手段。

近红外长余辉纳米材料是一种新型的生物荧光材料，被激发后可以持续长时间发射近红外光，在生物成像过程中可以完全避免原位激发光引起的背景荧光，极大地提升生物成像的灵敏度。然而，目前近红外长余辉纳米材料的激发波长短，体内余辉衰减后难以实现原位再激发，这严重制约了近红外长余辉纳米材料在生物成像领域的进一步应用。针对这一问题，本项目通过Sn元素的掺杂，极大的改善了近红外长余辉材料对可见光的响应能力。我们利用乙酰丙酮联合低温煅烧法合成了近红外长余辉纳米材料，由于Sn元素的掺杂，在基质中形成大量与能级匹配的陷阱，导致其可见光激发性能比原始材料提升了55倍。我们进一步根据近红外长余辉纳米材料的激发光谱特征，合成了可见光发射的上转换纳米材料。利用蒸发诱导自组装的方式将近红外长余辉纳米材料和上转换纳米材料结合，形成上转换长余辉复合纳米材料，复合纳米材料中上转换纳米材料发射的可见光可以有效的传递给近红外长余辉纳米材料，并激发其产生近红外长余辉发光。随后，我们将上转换长余辉复合纳米材料表面进行功能化改进，使其具备肿瘤靶向能力。将复合纳米材料注射到小鼠体内后，可以实现上转换激发的肿瘤靶向长余辉成像，在肿瘤部位发光信号衰减之后，可以对其进行重复再激发肿瘤长余辉成像。本项目为开发长波激发的近红外长余辉纳米材料提供了一个新的思路，同时进一步拓展了近红外长余辉纳米材料在活体原位再激发成像中的应用。