NaErF_4@NaREF_4核壳结构上转换纳米探针的制备及应用

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	NaErF_4@NaREF_4核壳结构上转换纳米探针的制备及应用
	李齐清
学位类型	博士
导师	孔祥贵
	2018
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位名称	博士
关键词	稀土离子上转换发光水分测定光动力治疗多模成像
摘要	稀土掺杂的发光材料具有独特的光谱性质和磁学性能,使其广泛应用于照明显示、光伏电池、生物成像和生物传感器等领域。尤其是上转换发光纳米材料,可以将长波长的光子转换成短波长的光子。与传统的荧光标记物(有机染料和量子点)相比,上转换发光纳米材料具有红外激发、毒性低、化学性质稳定、发光性质稳定、斯托克斯位移(Stokes shift)大等优点,有望成为新型多功能发光生物标记材料,吸引了广大研究者的兴趣。然而,受掺杂离子的浓度猝灭效应的制约,低浓度掺杂而导致上转换发光效率或强度低,是限制稀土掺杂上转换发光材料进一步实际应用的问题之一。并且,稀土离子的低浓度掺杂导致其它性能,如磁学性能、X射线衰减等无法被完全利用。针对以上问题,本文设计和制备了稀土氟化物(NaREF_4)的核壳结构纳米粒子,实现了NaErF4纳米核心的高效上转换发光,以实际应用需求为目的,研究其应用于水分子痕量测定和肿瘤的多模成像和光动力治疗。取得如下创新性的研究成果:1.得到稳定高效的NaErF_4@NaREF_4上转换发光体系的制备方法以及阐述了其发光机理。结果表明核壳结构NaErF_4@NaREF_4能够确保该上转换发光体系高效的发光效率,氯化物溶剂热方法可以合成相对稳定的纳米粒子。本章中我们分别通过氯化物溶剂热法和三氟乙酸盐分解法两种合成方法成功制备了NaErF_4@NaREF_4核壳纳米粒子。发现三氟乙酸盐分解法合成出来的纳米粒子由于表面带有油胺配体而化学性质不太稳定,长时间保存会沉淀,不适合进一步应用。研究了不同壳层厚度的纳米粒子的上转换发光,阐述了表面缺陷在浓度猝灭效应中的作用。由于Er~(3+)具有丰富的阶梯状能级,因此NaErF_4@NaREF_4核壳结构纳米粒子可以被三种波长激发(800 nm,980 nm和1530 nm),均能发射近单色的红光发射,我们研究了各种激发条件下的上转换发光性质,阐述了其中的上转换发光机理。2.制备了用于痕量水测定的NaErF_4@NaYF_4上转换纳米探针,并实现了ppm级水分的超灵敏测量。纳米粒子中高浓度发光离子会产生强烈的相互作用,导致其对周围环境特别敏感的特性,水分子的声子振动与Er~(3+)离子的~4F_(9/2)和~4I_(11/2)能级之间相互作用,从而降低上转换发光效率。利用此特性,我们构建了NaErF_4@NaYF_4上转换纳米探针用于痕量水的测定。此外纳米探针采用800 nm波长的激发,降低了溶液中水分子对激发光的吸收而产生的热效应。与980 nm激发方式相比,可以进一步确保检测痕量水的准确性。我们研究了水对不同纳米壳厚的NaErF_4@NaYF_4发光的影响。继而测试了纳米探针的上转换发光强度与DMF溶液中水含量的变化关系。实验结果表明,在不同水含量的条件下,不同壳厚的纳米探针的上转换发光对水分子的灵敏度不一样。水含量在0.1 vol%以下,壳厚越小,灵敏度越高;水含量超过0.1 vol%时,壳厚越大,灵敏度越高。经过计算,1 nm壳厚的纳米探针对水分子的最低检测限为5 ppm。通过分析发光中心Er~(3+)离子各个能级的发光寿命的变化,阐述了水分子猝灭其上转换发光的机理过程。3.构建了可用于肿瘤多模成像引导的光动力治疗的多功能上转换纳米探针NaErF_4@NaLuF_4-Ce6/PEG,研究了实现高效单线态氧产率下的最佳壳层厚度,演示了该纳米探针在癌症诊疗一体化应用的可行性。本章利用Er~(3+)离子具有较强的T_2-MR信号、CT信号的优点,结合强CT信号的Lu~(3+)离子,构建NaErF_4@NaLu F_4纳米粒子可用于CT、MRI成像的双模成像造影剂。同时结合其高效的上转换发光,可用于光动力治疗和光学成像,这样就可以实现三模态成像以及成像引导下的光动力诊疗一体化纳米探针。该纳米探针具有以下几方面的突出优势:(1)多波长激发(800 nm,980 nm和1530 nm),尤其是采用800 nm波长激发上转换发光,可以有效避免980 nm波长激发导致的过热效应;(2)有效地实现了高效上转换发光、CT和MRI三模态成像,解决了三种成像不平衡的矛盾。基于上述思想,我们研究了NaErF_4@NaLu F_4核壳上转换纳米粒子可用于光动力治疗的最佳壳厚为5 nm。随后,通过共价偶联方法在纳米粒子表面装载光敏剂Ce6,并用mPEG修饰表面,构建了可用于生物体内的NaErF_4@NaLuF_4-Ce6/PEG多功能上转换纳米探针。体内外的光动力治疗实验结果表明该光动力纳米探针在800 nm近红外激光照射下,可以对癌细胞产生高效有效的抑制作用。另外,在荷瘤鼠模型中,演示了其在CT和MRI成像的能力,结果表明该探针具有增强T_2-MRI和CT造影的能力。这一结果为制备多功能纳米探针实现多模式生物成像引导的光动力治疗提供了新的思路。
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/61549
专题	中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	李齐清. NaErF_4@NaREF_4核壳结构上转换纳米探针的制备及应用[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2018.

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