[发明专利]一种生物窗口内激发/发射的超亮单色上转换纳米探针及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种生物窗口内激发/发射的超亮单色上转换纳米探针及其制备方法和应用，属于稀土发光纳米材料的制备及生物活体成像技术领域。本发明提供的纳米探针是由Nd³⁺、Yb³⁺、Er³⁺和Mn²⁺共掺杂形成的具有多层核壳结构的纳米颗粒，其化学组成为α‑NaYF₄:Yb/Er/Mn@CaF₂:Yb@NaNdF₄:Yb。本发明通过组分优化和结构设计，所制备的上转换探针材料在808nm近红外光激发下获得高量子效率的单谱带红光发射。本发明的上转换荧光探针材料结构独特、性能稳定，应用于小鼠活体成像分析具有高组织穿透深度和高灵敏、高分辨及高信噪比等优点，在生物成像方面具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于稀土发光纳米材料的制备及生物活体成像技术领域，更具体地说，涉及一种生物窗口内激发/发射的超亮单色上转换纳米探针及其制备方法和应用。

背景技术

光学成像技术作为一种新型的成像手段，具有高灵敏度、高空间分辨率、成本低廉、简单和快速等优点，在生物医学研究和临床治疗中具有重大应用价值。生物组织对光存在吸收和散射等现象，限制了光学成像技术在生物领域的应用。一般来讲，生物组织对可见光(400～700nm)和红外光(＞1000nm)具有较强吸收和散射，而对650～1000nm(生物窗口)范围的光吸收和散射较弱，具有高的组织穿透深度。因此，设计和制备激发和发射波长位于生物窗口的荧光探针材料对于深层生物组织的光学成像具有重要意义。

稀土上转换纳米材料(UCNPs)具有窄带发射、长荧光寿命、优异的光稳定性和低毒性等优点，尤其是用于激发的近红外光具有较大的组织穿透深度和不会引起自发荧光的独特性质，在生物成像领域展现了巨大的应用前景。然而，UCNPs在生物成像应用中仍面临三个焦点问题亟待解决：(1)激发光引起的热效应问题：因Yb³⁺在975nm附近的吸收(Yb³⁺:²F_7/2→²F_5/2)，以yb³⁺作为敏化剂的UCNPs采用980nm近红外光作为激发光。水分子作为生物体的主要成分，对980nm光具有很强的吸收。980nm激光辐照会产生过热效应，继而导致生物组织的损伤和破坏，并降低激发光的穿透能力。因此，在生物窗口内寻找水分子吸收弱的近红外光作为激发光，有望解决激发光辐照引起的过热效应及穿透深度浅等问题。(2)稀土离子的多峰发射问题：以Er³⁺、Ho³⁺或Tm³⁺为激活剂的UCNPs，除了能够发射出位于生物窗口内的红光(～660nm，Er³⁺:⁴F_9/2→⁴I_15/2、Ho³⁺:⁵F₅→⁵I₈)和近红外光(～800nm，Tm³⁺:³H₄→³H₆)外，还有位于生物窗口外的短波长发光。而这些短波长荧光容易使生物体产生自发荧光，对成像信号造成干扰。而且，多峰发射导致能量分散，不利于生物窗口内发射峰强度的提高。因此，开发发射峰位于生物窗口内的单色UCNPs对于提高成像分辨率和探测深度具有积极意义。(3)上转换发光强度问题：发光强度是影响生物成像质量的重要因素，越强的发光能够得到更高的信噪比。进一步增强UCNPs的发光强度，有利于实现高分辨和高灵敏度的生物成像。目前研究报道的UCNPs无法实现激发光的低热效应，又保证单谱带发射，同时兼顾高的发光强度，进而限制了其在深组织生物成像中的应用。因此，在生物窗口区设计合适的激发和发射波长，并提高单色UCNPs的上转换发光强度，是解决以上问题的关键所在，有望促进UCNPs在深层组织成像中应用研究。

发明内容