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Ni/Mn掺杂Gd_2O_3:Yb,Er纳米材料的性能及其在生物诊疗方面的应用

宋韶欣  
【摘要】:人体的生命活动离不开各种金属离子的参与,但是当体内的离子浓度不能维持在恰当的生理浓度时,就会导致种种生理功能的紊乱,因此离子检测对于预防和诊断各种疾病来说意义重大。光动力疗法是一种新兴的癌症治疗手段,相对于传统的癌症治疗方法,具有靶向性高、创伤性小、副作用小等诸多优势,近年来愈发受到人们的关注。但肿瘤部位的乏氧微环境和治疗过程中不断消耗氧气会降低治疗效果,除此之外,目前使用的大多数光敏剂只能被可见光激发,这也限制了光动力治疗的治疗深度。本论文以Gd_2O_3:Yb,Er为基质,通过不同过渡金属离子掺杂提高Gd_2O_3:Yb,Er上转换纳米材料的荧光强度,然后将制备出的材料分别用于离子检测和光动力治疗中,一方面通过荧光检测方法实现了细胞内检测Fe~(3+)离子;另一方面提高了光动力治疗效率,并且这种材料还能用于检测H_2O_2。1、上转换纳米材料Gd_2O_3:Yb,Er,Ni的制备、荧光性能测试及在离子检测中的应用研究。(1)首先以Gd_2O_3:Yb,Er为基质,选择Ni~(2+)进行掺杂,通过水热法制备了相应的前驱体,经900oC高温煅烧制得Gd_2O_3:Yb,Er,Ni上转换荧光纳米粒子。(2)研究了材料的荧光性能及其在金属离子荧光检测中的应用。结果表明,在980 nm激光的激发下,材料主要发射绿色和红色荧光,分别对应Er~(3+)的~4S_(3/2)→~4I_(15/2)和~4F_(9/2)→~4I_(15/2)跃迁。而且,Ni~(2+)离子的适量掺杂使得Gd_2O_3纳米粒子的上转换荧光强度得到了提高。材料对于Fe~(3+)离子具有选择性,Fe~(3+)离子的加入可以使材料发生明显的荧光猝灭现象,其荧光猝灭程度与Fe~(3+)离子浓度相关,浓度越高,猝灭现象越明显。(3)利用人宫颈癌细胞系(HeLa细胞系)对材料的细胞毒性进行了评价,结果表明材料具有较低的毒性。在Gd_2O_3:Yb,Er,Ni介导的离子检测中,选用Fe~(3+)与细胞和材料共培养12 h,结果表明,浓度为50 mM的Fe~(3+)可以使细胞内的材料发生明显的荧光猝灭现象,说明材料有望成为一种新的荧光探针。2、Gd_2O_3:Yb,Er,Mn上转换纳米材料的制备、性能以及在肿瘤光动力治疗中的应用研究。(1)通过向Gd_2O_3:Yb,Er基质中掺杂Mn离子,利用简单的水热法并经900oC高温煅烧制得立方相的Gd_2O_3:Yb,Er,Mn上转换荧光纳米粒子。在980 nm激光的激发下,Gd_2O_3:Yb,Er,Mn上转换发光纳米粒子在540 nm和663 nm处分别发射出绿色和红色荧光。另外,较低的浓度范围内,Mn~(2+)的适量掺杂能够显著提高Gd_2O_3纳米粒子的上转换荧光强度。Gd_2O_3:Yb,Er,Mn也具有检测H_2O_2的性能,检测限为1.33879μM。(2)在pH为5.6~7.0的缓冲溶液中,研究了Gd_2O_3:Yb,Er,Mn上转换纳米材料催化H_2O_2产氧的性能,结果表明其在酸性环境具有优异的催化产氧能力,溶液环境的pH值越低,产氧速度越高;并且材料的催化能力随Mn掺杂量的增加而增强。(3)利用HeLa细胞对材料的细胞毒性进行了评价,结果表明,材料的细胞毒性很低。采用亚甲基蓝作为光敏剂将其负载到纳米材料上制备成光动力药物,研究了体外光动力治疗效果。结果表明,采用Gd_2O_3:Yb,Er,Mn代替Gd_2O_3:Yb,Er上转换纳米材料,能够显著提高光动力的治疗效果。另外,乏氧环境下和酸性环境下(pH=6.4)的光动力治疗效果均优于正常环境下的光动力治疗效果,与材料在酸性环境中催化产氧的性质相对应。Gd_2O_3:Yb,Er,Mn治疗组细胞内的ROS水平显著提升,说明通过提高发光强度和催化产氧能够解决PDT的氧含量不足的问题,从而提高治疗效果。最后对细胞的死亡方式进行了研究。


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