红外上转换和吸收纳米材料的制备、性能与生物医学应用

发布时间：2017-04-21 14:02

  本文关键词：红外上转换和吸收纳米材料的制备、性能与生物医学应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于红外光能量低,对生物组织损伤小,组织穿透深度深,生物荧光背景小,因此,依赖于近红外光激发或具有特征红外吸收信号的纳米功能材料备受人们青睐,现已广泛应用于生物成像、生物检测、光动力学治疗等领域。材料组成、结构的精确调控,发光机制的全面、深入理解,以及高效、可靠光学检测信号的获取是推动这类材料临床实用化的关键所在。为此,本论文以Yb3+、Er3+共掺杂的NaYF4上转换纳米材料的形貌调控和发光性能改善为基础,建立了上转换纳米粒子与光敏剂分子之间的能量传递机理模型,并利用鸡胚绒毛尿囊膜模型模拟肿瘤的体内生长环境,在介于细胞与活体之间的层次上对人乳腺癌多细胞肿瘤球进行了上转换荧光成像研究。同时,开创性地利用SiO_2纳米粒子的红外吸收本征信号对蛋白分子进行了检测,避免了复杂的材料设计和制备工艺。主要内容如下:(1)针对上转换发光效率制约稀土掺杂上转换纳米材料发展的这一关键科学问题,通过对现有高温油相制备方法的优化,设计、制备了壳层厚度可控、尺寸均匀、上转换发光强的NaYF4:Yb3+,Er3+@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子,证实了反应前驱物、表面活性剂、溶剂、反应时间及投料方式等反应参数对纳米粒子形貌、晶体结构及发光性能具有重要调控作用。发现相比于普通反应(heat-up方法)来说,奥氏熟化法更容易制备出壳层厚度可控、尺寸均匀、六角相、发光效率高的上转换核壳纳米粒子。这为稀土掺杂上转换纳米材料光学性能的研究和生物医学应用奠定了理论和材料基础。(2)为了加深对稀土掺杂上转换纳米材料给受体体系能量传递机制的认识,我们以NaYF4:Yb3+,Er3+@NaYF4核壳结构上转换纳米粒子作为能量给体,以玫瑰红染料(RB)作为能量受体,系统研究了壳层厚度对能量传递效果的影响规律,结合给体-受体发光时间演变行为的监测分析,建立了能量传递机理模型。研究结果表明:当NaYF4壳层厚度约为4.2 nm时,RB发光强度达到了最大值,比上转换裸核纳米粒子与RB偶联产物的RB发光强度高了一个数量级。这是无辐射的F?rster共振能量传递(FRET,约占32%)与辐射再吸收(约占68%)共同作用的结果。其中,位于纳米粒子内部的发光中心主要参与了再吸收过程,而外部接近表面的发光中心同时参与了FRET和再吸收过程。两种机制的贡献比例是跟壳层厚度密切相关的。这两种机制对上转换纳米材料给受体体系能量传递影响规律的定量/半定量分析对上转换纳米材料在均相免疫检测、生物成像及光动力治疗等领域的应用具有重要的指导意义。(3)由于传统的体外细胞实验不具有三维肿瘤的形态学特征,只能在二维平面对单层细胞进行研究,而活体成像容易受到体内外各种复杂因素的影响和制约,很难对中间的单一过程进行实时的观察和研究。针对上述问题,我们以人乳腺癌多细胞肿瘤球作为三维肿瘤细胞培养模型,以鸡胚绒毛尿囊膜作为肿瘤移植受体,模拟肿瘤体内生长环境,研究了稀土掺杂上转换纳米材料的生物相容性和肿瘤靶向上转换荧光成像。研究结果表明,除了聚烯丙胺(PAAM)修饰的NaYF4:Yb3+,Er3+上转换纳米粒子外,盐酸处理的及乙醇胺磷酸酯(AEP)和聚丙烯酸(PAA)修饰的纳米粒子均具有较低的细胞毒性,这与粒子表面电荷性质、表面修饰分子本身的化学性质(如分子量、碳链长度等)有关。我们选用了细胞毒性较低的PAA修饰的上转换纳米粒子与癌细胞雌激素受体的抗体蛋白进行共价偶联,制得了上转换纳米生物标记物,二维癌细胞层成像和鸡胚绒毛尿囊膜三维多细胞肿瘤球成像结果均证实了这种上转换纳米生物标记物具有癌细胞靶向性,为实现基于上转换纳米生物标记材料的实体肿瘤早期诊断提供了重要的临床参考依据。(4)为了简化纳米生物探针的制备过程,我们利用St?ber方法制备了具有良好水溶性和生物相容性的SiO_2纳米粒子,研究了其红外吸收性质,证明了SiO_2纳米粒子Si-O-Si键反对称伸缩振动的TO和LO声子模式具有光谱指纹特征。设计了三明治免疫检测结构,以SiO_2纳米粒子为红外探针,利用SiO_2纳米粒子的红外吸收本征信号实现了对蛋白分子的灵敏检测,为红外吸收探针的选取提供了新的思路和途径。
【关键词】：稀土上转换发光纳米材料 SiO_2纳米粒子 红外吸收 生物医学应用
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 中文摘要4-6
• 英文摘要6-11
• 第一章 前言11-40
• 1.1 纳米材料简介11
• 1.2 稀土掺杂上转换发光纳米材料11-26
• 1.2.1 稀土掺杂纳米材料的上转换发光机理11-13
• 1.2.2 稀土掺杂上转换纳米粒子的合成及表面修饰13-17
• 1.2.3 稀土掺杂上转换纳米粒子发光性质的调控17-20
• 1.2.4 稀土掺杂上转换纳米粒子在生物医学领域的应用20-26
• 1.3 SiO_2纳米材料26-28
• 1.3.1 SiO_2纳米材料的微观结构及其性能26-27
• 1.3.2 SiO_2纳米粒子的制备27
• 1.3.3 SiO_2纳米复合材料在生物检测中的应用27-28
• 1.4 本论文选题依据与研究内容28-29
• 参考文献29-40
• 第二章 NaYF4:Yb_(3+),Er_(3+)@ NaYF4上转换核壳纳米粒子的合成及发光性质研究40-52
• 2.1 引言40
• 2.2 NaYF4:Yb_(3+), Er_(3+)@ NaYF4核壳纳米粒子的制备40-43
• 2.2.1 实验试剂与仪器40-41
• 2.2.2 NaYF4:Yb_(3+), Er_(3+)裸核纳米粒子的制备41-42
• 2.2.3 NaYF4:Yb_(3+), Er_(3+)@ NaYF4核壳纳米粒子的制备42-43
• 2.3 上转换纳米粒子的性质表征43-49
• 2.3.1 上转换纳米粒子的结构及形貌43-46
• 2.3.2 上转换纳米粒子的发光性质研究46-49
• 2.4 本章小结49-50
• 参考文献50-52
• 第三章 基于NaYF4:Yb_(3+), Er_(3+)@ NaYF4上转换核壳纳米粒子的能量传递机理研究52-73
• 3.1 引言52
• 3.2 上转换纳米粒子与羧基玫瑰红染料的共价偶联52-54
• 3.2.1 实验试剂及仪器52-53
• 3.2.2 上转换纳米粒子的氨基修饰53
• 3.2.3 玫瑰红染料的羧基修饰53-54
• 3.2.4 氨基修饰上转换纳米粒子与羧基玫瑰红的共价偶联54
• 3.3 上转换纳米粒子和羧基玫瑰红的官能团验证54-56
• 3.3.1 羧基玫瑰红染料的核磁共振氢谱表征54-55
• 3.3.2 上转换纳米粒子和羧基玫瑰红共价偶联产物的红外光谱表征55-56
• 3.4 上转换纳米粒子和羧基玫瑰红染料的能量传递机理研究56-68
• 3.4.1 上转换纳米粒子与羧基玫瑰红的光谱交叠56-57
• 3.4.2 上转换纳米粒子与羧基玫瑰红的共振能量传递机制57-58
• 3.4.3 上转换纳米粒子和羧基玫瑰红偶联产物的稳态发光谱58-60
• 3.4.4 上转换纳米粒子和羧基玫瑰红偶联产物的能量传递机理模型60-68
• 3.5 本章小结68-70
• 参考文献70-73
• 第四章 基于鸡胚绒毛尿囊膜的上转换荧光成像73-86
• 4.1 引言73
• 4.2 实验部分73-76
• 4.2.1 实验试剂及仪器73-74
• 4.2.2 上转换纳米粒子的表面修饰74-75
• 4.2.3 上转换纳米粒子的生物成像75-76
• 4.3 表面修饰上转换纳米粒子的性质76-79
• 4.3.1 表面修饰上转换纳米粒子的过程分析76
• 4.3.2 表面修饰上转换纳米粒子的粒径分布及Zeta电势76-78
• 4.3.3 表面修饰上转换纳米粒子的红外光谱性质78-79
• 4.3.4 表面修饰对上转换纳米粒子发光性质的影响79
• 4.4 上转换纳米粒子的生物成像79-81
• 4.4.1 上转换纳米粒子的细胞毒性79-80
• 4.4.2 上转换纳米粒子对二维癌细胞层的靶向标记80-81
• 4.4.3 上转换纳米粒子对三维肿瘤球的靶向标记81
• 4.5 本章小结81-83
• 参考文献83-86
• 第五章 基于SiO_2纳米粒子红外指纹信号的免疫检测86-97
• 5.1 引言86
• 5.2 实验部分86-88
• 5.2.1 实验试剂与仪器86-87
• 5.2.2 SiO_2纳米粒子的合成及表面氨基修饰87
• 5.2.3 SiO_2纳米粒子免疫检测探针的制备87
• 5.2.4 免疫识别组装87-88
• 5.3 结果与讨论88-94
• 5.3.1 SiO_2纳米粒子的制备与表面修饰88-89
• 5.3.2 SiO_2纳米粒子的红外吸收特性研究89-92
• 5.3.3 基于SiO_2纳米粒子红外吸收性质的免疫检测92-94
• 5.4 本章小结94-95
• 参考文献95-97
• 第六章 结论97-99
• 致谢99-100
• 在学期间公开发表论文及参加会议情况100-101

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