注射法可控合成夹心结构NaYF_4@NaYF_4:Yb/Tm@NaYF_4上转换纳米晶及生物成像应用

【摘要】：目前荧光成像技术作为一种很有潜力的成像检测手段正在迅速发展。但是经典的荧光材料如有机染料和量子点,存在着光漂白和生物毒性大等缺点,限制了其在荧光成像方面的潜力。而稀土掺杂的上转换荧光材料因优秀的光学性能和独特的自身结构,具有检测灵敏度高,毒性低等优点。其中Yb~(3+)和Tm~(3+)共掺的稀土纳米晶在980 nm激光激发下,在近红外一区生物窗口范围内的800 nm波长处有较强的发射。而处于近红外生物窗口内的生物荧光成像呈现出低背景干扰、高穿透深度和低生物损伤等优点,所以是优秀的近红外一区生物探针。但是目前,受荧光荧光性能的限制,Yb~(3+)和Tm~(3+)共掺上转换纳米晶的成像效果无法满足需求,成像精度有待进一步提高。本文分别研究了离子浓度、不同惰性层包覆以及惰性壳层厚度对纳米晶光学性能的影响,得到发光性能最优化的纳米晶。对优化后的纳米晶进行水化处理并验证了其稳定性和生物毒性,之后又探究了其在活体小鼠内的成像效果和代谢过程,并进一步探索了其在人颅骨内的成像效果。首先,本文设计了一种夹心结构,通过调整注射法参数,在NaYF_4模板籽晶上生长出不同厚度的形貌均一的Yb~(3+)和Tm~(3+)共掺的NaYF_4:Yb~(3+),Tm~(3+)活性层,并且成功将活性层调控到约5 nm的厚度,随后继续调整注射参数在活性层外成功生长出均一且尺寸可控的惰性包覆层。其次,选择不同的惰性包覆材料如NaYF_4、NaLuF_4和NaGdF_4对活性层进行包覆,探究了不同包覆材料对纳米晶发光性能的影响。结果表明与模板籽晶结构一致的NaYF_4惰性壳层对纳米晶荧光性能提升最大。选择NaYF_4作为惰性包覆材料,分别探究了Yb~(3+)浓度和Tm~(3+)浓度对纳米晶光学性能的影响,得到了最优化的掺杂浓度,即99%Yb~(3+)和1%Tm~(3+)。在最优掺杂浓度的基础上,对NaYF_4惰性壳层的厚度进行了调控,研究了惰性层厚度与纳米晶荧光强度的关系,得到了较优的包覆厚度。量子效率比传统纳米晶提高了3倍。然后,使用PAA对最优性能的纳米晶进行亲水性处理,通过DLS检测验证了水化样品的热力学稳定性;通过赫拉细胞存活实验,验证了样品的低毒性;通过尾静脉注射实现了活体小鼠头部血管的清晰成像;通过离体内脏的荧光成像和元素含量分析得出纳米晶代谢出小鼠体外需要2周;通过苏木精-伊红染色法(HE)进行组织学分析,验证了纳米晶对小鼠器脏低损伤。最后初步探究了优化纳米晶在人骨内的成像精度高于2mm,并且实现了简单图案在人颅骨内的清晰成像。