稀土上转换纳米材料的制备及其生物医学中的应用

摘要

近年来，随着纳米科学与技术的发展，稀土元素掺杂的上转换发光纳米材料作为一种新型的生物标记物在生物医学领域的应用倍受人们关注。与传统的荧光标记物(如有机荧光染料、量子点等)所不同，上转换发光纳米材料的激发光为红外光，可以有效避免生物体自发荧光的干扰，从而提高检测的灵敏度及信噪比。红外光对生物组织具有良好的穿透能力，对生物样品造成光损伤也较小。另外，上转换纳米材料还具有毒性低、稳定性好、发光强度高等优点，在生物标记和生物检测等领域有着非常好的应用潜力。因此发展这类材料的可控合成新方法及其表面修饰技术，具有十分重要的理论研究价值和现实意义。　　本论文的研究内容包括两部分，第一部分是运用稀土元素三氟乙酸盐热分解的方法制备了多种形貌、不同粒径、不同基质的双离子掺杂稀土上转换发光纳米材料。第二部分是将制备的油溶性稀土上转换发光纳米材料进行表面改性，建立了改性蛋白连接生物大分子修饰上转换发光纳米材料的方法，并用于细胞毒性试验。主要研究内容如下：　　1.六方相晶型结构的NaYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒的合成及表征。以稀土元素的三氟乙酸盐为前驱体，利用热分解法在油酸(OA)/油胺(OM)/十八烯(OME)的混合液相体系中合成了平均粒径20nm左右，具有良好上转换荧光性能的六方相NaYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒。并通过X射线衍射(XRD)，透射电子显微镜(TEM)，荧光光谱观测等途径考察了温度、时间以及溶剂比例等反应条件对纳米颗粒的粒径、形貌以及发光强度等性能的影响。得到合成NaYF4:Yb，Er上转换纳米颗粒的优化条件是:反应温度为310℃、反应时间为1.5h、溶剂配比为OA:OM:OME=1:1:2。　　2.四方相八面体晶型结构的LiYF4:Yb,Er上转换纳米粒子的合成及表征。以稀土元素的三氟乙酸盐为前驱体，利用热分解法在油酸/油胺/十八烯的混合液相体系中合成了粒径均一、形貌规则、上转换荧光强度高的LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒。利用荧光光谱仪对相同浓度下的NaYF4:Yb,Er和LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒的荧光性能进行了研究。在波长为980.0nm连续激发光的激发下，观测到了源于2H11/2-4I15/2和4S3/2-4I15/2能级跃迁的绿色上转换荧光发射、4F9/2-4I15/2能级跃迁的红光发射和2H9/2-4I15/2能级跃迁所产生的微弱紫光发射。通过分析Yb3+/Er3+共掺的LiYF4纳米颗粒的上转换发光机理以及基质对上转换荧光性能的影响，结果表明：LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒明显地增加了Er3+离子作为激发剂在550 nm处的上转换荧光强度，具有更好的荧光性能。　　3. LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒的表面修饰及生物应用。本文成功的制备了羧基化改性的牛血清白蛋白(DBSA)，并通过取代LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒表面包覆的油酸分子来进行表面亲水性修饰。将油溶性的上转换纳米颗粒转变为水溶性的纳米颗粒后，又进一步和氨基化的聚乙二醇(mPEG-NH2)生物分子连接来扩展其生物相容性。通过TEM、荧光光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)的观察和分析得出：LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒成功的修饰上羧基化的DBSA，并连接上mPEG-NH2生物分子。采用MTS细胞毒性试剂盒利用子宫颈癌细胞系Hela细胞来测试修饰后的LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒的细胞毒性，通过酶联免疫检测仪检测记录细胞在490nm波长处的光吸收值，来反映活细胞数量进而考察纳米颗粒的细胞毒性，证明修饰后的纳米颗粒在不同时长的条件下都显示出较低的细胞毒性。研究表明：经过表面修饰后的LiYF4:Yb,Er上转换纳米颗粒不仅具有良好的上转换荧光性能，而且改善了水溶性和生物相容性，能够进一步的应用于生物医学领域。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 稀土元素上转换发光的基本理论

1.3 稀土上转换发光材料的类型

1.4 稀土氟化物上转换发光纳米材料的合成方法

1.5 稀土上转换发光纳米材料在生物标记方面的优势及其应用

1.6 本论文的研究意义、创新点和研究内容

第二章 稀土掺杂NaYF4:Yb,Er上转换纳米材料的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 稀土掺杂LiYF4:Yb,Er上转换纳米材料的制备及基质变化对荧光的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 稀土掺杂LiYF4:Yb,Er上转换纳米材料的表面修饰及生物应用

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢