磁性-上转换纳米复合材料的制备及其在生物检测中的应用研究

Preparation of the magnetic upconversion nanocomposites with small size, strong magnetic response, and high luminescence has become one of the key challenges in the development of novel bionanolabels for bioseparation and biodetection. In our project, these nanocomposites were designed to prepare by the following protocol. The aggregates of magnetic nanoparticles will be firstly fabricated. An organic buffer film will be then introduced in order to enable pseudo-epitaxial growth of the upconversion host shell. The location of rare earth dopants will be controlled by the growth-doping strategy. The effect of the nanocomposites on the detection sensitivity, the detection time, and the separation efficiency will be investigated with a typical biomolecular recognition model. Our project will provide the theoretical and experimental basis for exploring high sensitive, rapid, and real-time biodetection prototype devices based on the magnetic upconversion nanocomposites.

如何在相对较小的尺寸范围内实现磁性纳米粒子和上转换荧光材料的复合，并保证强磁响应能力和高发光强度，是发展集生物分离和生物检测功能于一体的新型纳米生物标记材料必须解决的关键问题。本申请拟从构建多核磁性纳米聚集体出发，借助有机过渡层，实现上转换基质材料的"赝外延生长"，并利用"生长掺杂"，调控稀土离子掺杂位置，以此制备一种具有小尺寸、强磁响应能力和高发光强度的磁性-上转换纳米复合材料。并利用典型生物识别过程，评价这种多功能纳米复合材料对检测灵敏度、检测时间和分离效率的影响，为研制基于磁性-上转换纳米复合材料的高灵敏度、快速、实时检测原理型器件提供理论和实验依据。

磁性-上转换纳米复合材料在生物标记、分离、检测、治疗等领域有着巨大的应用潜力，对其结构、尺寸的精确调控，发光机制的全面深入理解及物化性能的高效利用是推动这类材料临床实用化的关键所在。本项目以磁性纳米粒子聚集体和稀土掺杂上转换纳米材料的设计和物性调控为基础，研发出一系列可满足生物医学应用需求的新型磁性-上转换多功能纳米复合材料，并发展了基于磁性-上转换纳米复合材料的新型生物检测、治疗技术。主要结果如下：（1）针对磁性纳米粒子聚集状态制约磁性-上转换纳米复合材料磁响应能力这一关键科学问题，分别采用一锅煮和两步自组装法制备了尺寸可控、具有强磁响应能力的磁性纳米粒子聚集体，证实了反应前驱物、表面活性剂、溶剂等反应参数对磁性纳米粒子聚集体尺寸、形貌和性能具有重要调控作用，揭示了磁性纳米粒子聚集体的形成机制，实现了高效的磁性分离，为成功构建高质量磁性-上转换纳米复合材料奠定了理论和实验基础。（2）立足于局域环境对上转换纳米材料光学性能的影响，分别从基质晶格调控、溶剂局域环境调控和表面钝化等角度优化了稀土掺杂上转换纳米材料的上转换发光性能，揭示了相关机制，为上转换纳米材料的结构设计和性能优化提供了重要参考。（3）为了实现对稀土离子掺杂位置的精确调控，加深对稀土掺杂上转换纳米材料给受体体系能量传递机制的认识，最大程度地提高能量传递效果，构建了上转换纳米粒子-染料给受体体系，发现了上转换纳米粒子壳层厚度对能量传递效果的影响规律，从Förster共振能量传递和再吸收两方面考虑，建立了能量传递机理模型，为基于能量传递的上转换纳米生物平台的构建提供了重要的理论指导。（4）研发出了一系列具有良好水溶性、生物相容性、超顺磁性、上转换发光性能和光热性能的多功能纳米复合材料，开发了其在磁场辅助下的快速、高灵敏、实时生物检测和治疗技术，为诊疗一体化纳米生物平台的构建提供了新思路。