基于施主-受主缺陷对调控策略的高亮度近红外IIa 区发光CuInSe2量子点的构建及荧光成像应用

For in vivo imaging, near infrared IIa region (1000–1400 nm) provides several advantages: general lack of autofluorescence, low light absorption by blood and tissue, and reduced scattering. The development of fluorescent labels with high brightness (high quantum yield) in IIa region plays an important role in biomedical research community. Stoichiometric CuInSe2 with low toxicity and narrow band gap of 1.04 eV is an ideal NIR IIa emitter. In consideration of quantum confinement effect, it is unable to achieve high quantum yield in NIR IIa through size change. In present proposal, defects-related light emitting mechanism is exploited to realize high quantum yield in NIR IIa by introduction of donor-acceptor pair in stoichiometric CuInSe2 quantum dots. The theoretical model and technical route of optical properties control with consideration of quantum confinement effect is built with help of intensive study of emitting mechanism and quantitative analysis of light emitting efficiency. To demonstrate the imaging capabilities of high brightness NIR IIa CuInSe2 quantum dots, two kinds of biocompatible functionalized probes for physiology and deep pathological tissue imaging applications are developed and evaluated in vivo.

近红外IIa（1000nm-1400nm)区光学窗口能够有效克服活体成像面临的自荧光、血液及组织吸收、光散射等生物学干扰，是高质量成像新窗口。高亮度（高荧光量子产率）近红外IIa区荧光体开发是生物医学应用的关键。计量学CuInSe2低毒且禁带宽度极低（1.04 eV）是理想的近红外IIa发光体。然而受困于量子限域效应，理论上很难通过尺寸改变在近红外IIa区发光同时获得高量子产率。本申请拟基于缺陷对发光机制，通过引入施主-受主缺陷对进行CuInSe2量子点光学改性，兼顾近红外IIa区发光调制与亮度提高。利用对发光机制的深入研究与发光效率的定量解析，建立量子限域效应下施主-受主缺陷对光学性能调控的理论模型与技术路线，并基于活体生理机能动态监测及深层病变组织的成像示踪应用，开发两类表面生物功能化探针开展应用性评价。

低毒、窄带隙的CuInSe2是理想的荧光半导体材料，开发高亮度发光光谱连续可调制的量子点探针是实现其生物医学应用的关键。项目首先研究并证实了活化剂油胺、油酸及二苯基膦对产物量子点在可见光区荧光性能的影响。基于此，通过本征缺陷态及阳离子活性调控，实现了CuInSe2量子点在近红外Ⅰ区-Ⅱa区之间的荧光光谱调控。其次，选用典型一价、二价及三价金属阳离子，制备了系列单一或双金属元素共掺杂的CuInSe2量子点，系统研究了掺杂离子物理特性、浓度、空间分布等对产物光学性质、结构及尺寸的影响。再次，我们制备了核壳结构的Zn-Mn共掺杂CuInSe2量子点，证实并解析了基于母体-掺杂剂耦合效应的辐射跃迁机制。通过铜不足的纯CuInSe2量子点与Zn掺杂CuInSe2量子点光学性能的研究，解析了本征、杂质中间态对量子点光学性能的调控规律及机制。紧接着，我们通过改变阴离子前驱物中硫醇及硒的含量，结合卵磷脂的表面包覆制备了高稳定性、高亮度的生物功能化Zn掺杂CuInSe2量子点荧光探针，6个月保存期后探针量子产率仍高达21.5%。另一方面，在油相合成体系中使用十二硫醇与硫代甘油混合物为阳离子活性平衡剂，也制备出高亮度的水相Zn掺杂CuInSe2量子点。最后，基于双抗体夹心免疫原理设计并制备了针对胆管癌标志物脑源性神经营养因子检测的、具有良好靶向性和高灵敏度的量子点免疫层析试纸条，紫外灯下目测最低检测浓度可达0.67μg/mL。上述研究表明，项目组制得的高亮度、光谱连续可调的基于CuInSe2量子点的荧光探针在生物医学标记与传感分析领域具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。