收藏本站
收藏 | 论文排版

基于夹层结构上转换纳米颗粒的荧光共振能量转移探针的设计及应用

李贞  
【摘要】:荧光共振能量转移(FRET)被喻为纳米尺度的“光学分子尺”,是一种重要的均相荧光分析技术,具有简单快速、灵敏度高等优势,已被广泛应用于核酸杂交、免疫分析、生物大分子之间相互作用等生物医学分析领域。然而,传统的基于单光子激发的FRET技术存在一些缺陷。譬如,其激发光波长通常位于紫外或可见光区,使得检测体系易受到来自生物样本散射光和自发荧光的干扰。另外,当能量供受体的激发光谱具有一定程度的重叠时,在能量供体的有效激发波长下,常常会导致受体的直接激发,从而产生“假阳性”信号。上转换纳米颗粒(UCNPs)是一类稀土离子掺杂的反-Stokes发光材料,能够连续吸收两个或两个以上低能量光子(波长通常为980 nm),发射高能量的紫外-可见光。该特性可明显削弱来自生物样本的散射光和自发荧光的干扰,提高组织内光穿透深度,有效降低光损伤和光漂白。此外,在980 nm波长激发下,还可以克服能量受体被直接激发的问题。因此,UCNPs是一类具有良好发展前景的FRET供体材料。同时,FRET分析方法中通过发射猝灭-恢复的检测模式提高信背比,可弥补UCNPs发光效率较低的不足。鉴于此,结合两者优点发展起来的UC-FRET技术将会发展成为复杂基质生物样品及活体分析的有力手段,基于UC-FRET原理的各种检测平台及探针已经应用于生物医学的诸多领域。UC-FRET技术自2005年被首次提出以来,已获得长足发展。但是,由于UCNPs自身的固有缺陷,该方法学领域仍存在亟待解决的问题,即探针的能量转移效率与其它某些性能(包括探针发光效率、稳定性、生物相容性及灵活性等)之间的矛盾。通常以有机小分子染料为能量受体的UC-FRET体系中,探针具有较高的热力学稳定性,结构灵活易于调控,在细胞、活体中应用时生物相容性较好。但是,由于只有位于UCNPs颗粒表面或距离表面较近的发光中心才能发生有效的能量转移,能量转移效率通常不高,供体荧光很难被猝灭,因而大大制约了分析检测的灵敏度。近几年来,为了提高能量转移效率,一些超小尺寸(10 nm)的均相结构UCNPs开始被用作FRET的能量供体,以缩短能量供受体对之间的距离。然而,这类材料粒径小,比表面积大,发光易受溶剂猝灭效应的影响,导致发光效率较低。另外,一些无机纳米材料如纳米金、碳纳米材料(石墨烯、碳纳米颗粒等)及二维平面原子晶体等被用作能量受体,利用其极强的光吸收能力、电子传输能力以及表面能量转移机理,使得有效的能量转移距离增加至20-30 nm,从而可提高对UCNPs荧光的猝灭能力。可是,引入纳米尺寸的猝灭剂又导致体系稳定性及生物相容性下降,其过大的尺寸也不利于探针在细胞和组织分析中的应用。综上,本论文以提高UC-FRET体系能量转移效率并兼顾探针各项重要性能为目的,提出以一种夹层结构上转换纳米颗粒(Sandwich-structure UCNPs,SWUCNPs)作为UC-FRET体系的能量供体,且在此基础上通过选择或设计合成合理的能量受体构建一系列新型的上转换纳米探针,并将其应用于生物成像分析。主要研究内容如下:1. 设计一种S WUCNPs,将发光离子尽可能多地限域在纳米颗粒表面或表面附近的位置,使其处于能量转移的有效距离范围内,从而达到提高能量转移效率的目的。在均相结构UCNPs中难以实现对掺杂离子的准确定位,因此我们以惰性NaYF4基质为内核,再在内核表面沉积一层掺杂了发光离子的NaYF4:Ln (Ln=Yb, Er/Tm)内壳,最后,在纳米颗粒表面外延生成一层惰性NaYF4保护壳,以有效降低溶剂猝灭效应,从而得到一种特定结构的SWUCNPs(即NaYF4@NaYF4:Ln@NaYF4)。以其作为能量供体,选择一种有机小分子染料作为能量受体,利用两者之间的静电作用,拉近能量供受体之间的距离,即可发生FRET作用,以此考察SWUCNPs作为能量供体时的能量转移效率。相比于传统的均相结构UCNPs,我们所提出的SWUCNPs具有明显提高能量转移效率的优势,而且通过调节壳层厚度能够进一步改善材料的光学性能,提高能量转移效率。2. 考察利用SWUCNPs作为能量供体构建高灵敏UC-F-T探针的可行性,以一种商品化钙离子探针Fluo-4为能量受体及Ca2+识别单元,建立基于UC-FRET原理的近红外Ca2+纳米探针。首先通过酸处理的方法将SWUCNPs表面的油酸配体去除,得到表面为裸露稀土离子的bared-SWUCNPs。由于Fluo-4分子中Ca2+识别域部分含有四个羧基,可以与稀土离子发生螯合作用,从而实现能量供受体之间的组装,猝灭供体荧光,以此构建纳米探针。由于bared-SWUCNPs表面无额外配体修饰可直接与受体分子相结合,则进一步缩短能量供受体之间的距离,提高能量转移效率。当体系中有Ca2+存在时, Fluo-4与之亲和力更强,故Fluo-4与之结合而从SWUCNPs表面脱落,能量供受体之间距离增大,阻断FRET作用,SWUCNPs荧光恢复,通过SWUCNPs荧光恢复的程度即可实现对Ca2+的定量检测。该探针具有较高的能量转移效率,从而提高了分析检测的灵敏度,同时兼具良好的稳定性及生物相容性。因此,该探针不仅能够应用于溶液中Ca2+的定量分析,而且还可应用于活细胞及组织中Ca2+含量水平变化的监测。3. 构建UC-FRET探针用于解决生物医学实际问题,拓展基于SWUCNPs上转换探针的应用范围。设计合成一种偶氮染料作为·OH识别配体同时充当FRET体系中的能量受体,构建基于UC-FRET原理的·OH荧光探针。偶氮染料具有较强的光吸收性质,因此很适于作为SWUCNPs的能量受体。利用mOG分子中的羧基与bared-SWUCNPs表面裸露的稀土离子之间的螯合作用,将能量受体负载于SWUCNPs表面,实现供受体组装,供体荧光被猝灭,可构建上转换探针。由于mOG的吸收光谱与SWUCNPs的发射光谱之间具有较大的光谱重叠积分,因此猝灭效率可达90%以上,确保探针的灵敏度。·OH与mOG反应后,会破坏分子结构中的偶氮键,改变mOG的吸收光谱,从而对以其为能量受体的FRET过程产生影响,恢复供体的荧光信号,实现对·OH的定量检测。由于SWUCNPs具有较强的抗干扰能力及较高的能量转移效率,该探针具有超高的灵敏度,并首次实现了组织样本中·OH浓度水平的监测。4. 充分发挥UC-FRET探针在生物成像中的优势,将其应用于亚细胞结构水平,有效避免小分子探针中所存在的光漂白等问题,并丰富基于SWUCNPs上转换探针的生物应用。设计一种咔唑-半花菁染料Caz-Hcy,将其作为SWUCNPs的能量受体,构建定位于线粒体的ClO-上转换纳米探针。利用受体分子中的羧基与bared-SWUCNPs表面稀土离子之间的螫合作用实现供受体组装。C10与Caz-Hcy一旦发生反应,便破坏其共轭体系,从而改变其光吸收性质,调节能量供受体对之间的能量转移效率。同时,半花菁染料中带正电荷的氮杂环部分具有线粒体定位功能,使探针可以在线粒体中富集,从而实现对线粒体中ClO-浓度水平的监测。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前19条
1 陈奇丹;杨生;;上转换材料的制备及发展[J];广东化工;2012年08期
2 祝威;张晓丹;金鑫;刘永娟;王东丰;赵颖;;NaYF_4:Er/Yb上转换材料的优化制备及其特性研究[J];光电子.激光;2010年09期
3 周永红;田玉鹏;吴杰颖;;有机上转换激光材料研究进展[J];化工时刊;2006年04期
4 张瑞萍,陈晓波,康洞国;双频上转换三维立体显示实时动态模拟[J];北京师范大学学报(自然科学版);2004年01期
5 李辉;桂征宇;梁永;俞樟森;吴爱国;;单分散上转换纳米荧光微粒的荧光寿命测量[J];光学精密工程;2017年02期
6 吴悦;胡继辉;梅青松;李炳南;;一种基于角锥棱镜的上转换荧光检测系统[J];集成技术;2016年05期
7 钟诚;毕剑;赖欣;高道江;;上转换白光材料的研究进展[J];现代化工;2015年06期
8 周书华;Marco Bettinelli;Luís Carlos;Xiaogang Liu;;镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒[J];物理;2015年09期
9 石连升;温猛;钱艳楠;王锐;郝铭;;Yb:Er:Tm:LiTaO_3的上转换发白光性能研究[J];中国稀土学报;2011年01期
10 单秉锐,邹玉林,刘燕行,臧竞存;上转换激光晶体研究进展[J];人工晶体学报;2004年05期
11 程干超;上转换激光器研究进展[J];光电子技术与信息;1994年05期
12 钟诚;;稀土上转换纳米荧光探针的制备与应用[J];四川化工;2017年01期
13 陈俊;王青松;;基于OLED显示单元的红外上转换器件研究进展[J];中国光学;2015年01期
14 周亚训;戴世勋;周灵;徐铁峰;聂秋华;黄尚廉;;掺铒碲酸盐玻璃中的协作上转换能量转移[J];物理学报;2009年02期
15 徐东勇,臧竞存;上转换激光和上转换发光材料的研究进展[J];人工晶体学报;2001年02期
16 余意;吴笑峰;;上转换荧光纳米探针的制备及其在染料检测上的应用[J];科技视界;2016年11期
17 蔡志彬;刘立芬;孔成;朱耀信;;新型蓝色上转换荧光分子的合成、表征与双光子吸收性能[J];物理化学学报;2014年01期
18 刘名扬;王秀庭;;上转换荧光强度与激光功率的关系[J];装甲兵工程学院学报;2011年03期
19 王金国,张治国,徐积仁,傅盘铭,闫秀丽,吴星,姜彦岛;掺铒矾酸钇晶体上转换荧光研究[J];物理学报;1998年05期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 韩庆鑫;刘伟生;;血清中的抗坏血酸上转换纳米探针[A];第十四届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2016年
2 严冬;杨正文;竺侃;;A1_2Y_4O_9:Yb,Er反蛋白石中的上转换发射和颜色调谐[A];战略性新兴产业的培育和发展——首届云南省科协学术年会论文集[C];2011年
3 高伟;李娇;高当丽;田宇;崔敏;孙瑜;阎晓庆;郑海荣;;颗粒形貌对六方相NaYbF_4:Pr~(3+)纳米晶体上转换荧光的影响[A];第七届全国稀土发光材料学术研讨会会议论文摘要集[C];2011年
4 刘明丽;李继山;杨荣华;;核壳型上转换荧光纳米探针用于一氧化氮的检测及成像研究[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第04分会:纳米生物传感新方法[C];2014年
5 李建地;李兴妍;白玉臻;李晶瑞;时国庆;弓爱君;;稀土上转换材料的基质选择及应用研究[A];第十七届全国稀土分析化学学术研讨会论文集[C];2019年
6 袁荃;;核酸适配体功能化稀土上转换纳米材料[A];第十三届固态化学与无机合成学术会议论文摘要集[C];2014年
7 臧竞存;邹玉林;刘燕行;单秉瑞;;上转换激光晶体研究进展[A];中国硅酸盐学会2003年学术年会论文摘要集[C];2003年
8 谷战军;田甘;赵玉亮;;荧光上转换纳米材料的光谱调控及其在生物医学中的应用[A];中国化学会第29届学术年会摘要集——第35分会:纳米生物医学中的化学问题[C];2014年
9 李乐乐;;上转换纳米晶的表面生物功能化及纳米探针构建[A];中国稀土学会2017学术年会摘要集[C];2017年
10 李娇;高伟;高当丽;田宇;郑海荣;;四方相LiYF4:Yb/Er晶体颗粒的合成及上转换荧光研究[A];2011西部光子学学术会议论文摘要集[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 索浩;基于FIR技术的稀土掺杂上转换测温材料特性研究[D];西北大学;2019年
2 李贞;基于夹层结构上转换纳米颗粒的荧光共振能量转移探针的设计及应用[D];武汉大学;2016年
3 王冉;稀土上转换纳米晶中的红外激光诱导热效应及传感特性研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
4 赵小奇;稀土掺杂氧化物上转换微/纳米晶的可控合成及光谱调控[D];西北大学;2018年
5 吴园;基于核酸适体的多功能上转换纳米探针的研究[D];湖南大学;2018年
6 韩仁璐;稀土上转换/介孔硅纳米材料制备及抗肿瘤应用研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
7 丁玉洁;上转换纳米材料的制备、组装及荧光传感[D];南京大学;2013年
8 田碧凝;用单颗粒成像技术研究上转换纳米粒子[D];大连海事大学;2019年
9 李登豪;上转换纳米颗粒表面状态的控制和应用[D];浙江大学;2019年
10 王方方;无标记稀土上转换纳米探针的构建及生物分析应用研究[D];华东师范大学;2019年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 冯朋朋;可见—红外光响应光催化复合材料制备及光催化性能研究[D];安徽理工大学;2019年
2 黄绍祚;稀土掺杂上转换光波导传输及定向发射研究[D];陕西师范大学;2019年
3 张昌健;皇冠状稀土掺杂上转换波导的发射和传输研究[D];陕西师范大学;2019年
4 陈敏;茶叶中重金属残留的上转换荧光检测方法研究[D];江苏大学;2019年
5 邵帅;稀土掺杂NaYF_4的合成、表面修饰及生物应用研究[D];长春理工大学;2019年
6 刘雪;808nm红外光响应氧化物上转换发光材料及其荧光增强研究[D];西北大学;2019年
7 张朝光;基于提高太阳能电池效率的上转换材料的制备及吸光层的研究[D];长安大学;2019年
8 王伟华;Gd_2O_3上转换荧光纳米材料在肿瘤光动力治疗中的应用研究[D];青岛科技大学;2019年
9 肖双喜;异质金属离子掺杂NaYF_4的合成及上转换性能的研究[D];东华理工大学;2019年
10 张小梅;全息聚合物/液晶/棒状上转换纳米晶复合材料的结构与性能[D];华中科技大学;2019年
中国重要报纸全文数据库 前5条
1 刘刚;稀土上转换纳米智能探针研究取得新进展[N];中国有色金属报;2016年
2 通讯员 张华 记者 冯国梧;近红外光让药物“制导”更快更准[N];科技日报;2016年
3 才语;转换观念 找准方法 开创转型发展新局面[N];淮南日报;2014年
4 郑原驰 记者 李林岩;我省8项成果喜获国家科学技术奖[N];吉林日报;2012年
5 魏晓东 中央社会主义学院教授;培育新“两农”进入中产阶层[N];中国经济时报;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978