【摘 要】
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新型近红外二区（NIR Ⅱ,1000-1700 nm）荧光成像技术能够获得更高的成像信噪比和更深的穿透深度。尽管目前NIR Ⅱ荧光探针被广泛应用于生物成像和传感等领域,但也存在一些亟待解决的问题。特别是,在1000-1300 nm范围内生物组织自体荧光的存在降低了成像对比度。而且,荧光强度依赖于浓度、激发功率、组织穿透深度以及组织类型等外界条件,影响了生物传感的准确性。针对自体荧光干扰和生物传感不
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新型近红外二区（NIR Ⅱ,1000-1700 nm）荧光成像技术能够获得更高的成像信噪比和更深的穿透深度。尽管目前NIR Ⅱ荧光探针被广泛应用于生物成像和传感等领域,但也存在一些亟待解决的问题。特别是,在1000-1300 nm范围内生物组织自体荧光的存在降低了成像对比度。而且,荧光强度依赖于浓度、激发功率、组织穿透深度以及组织类型等外界条件,影响了生物传感的准确性。针对自体荧光干扰和生物传感不准确的问题,本文从荧光寿命角度出发解决以上问题。得益于稀土离子具有可调谐发射波长和荧光寿命长的特点,本文以Nd3+离子敏化的NIR Ⅱ纳米晶为研究对象,从优化纳米晶发光性能的角度出发,分别构筑了核/壳结构、核/壳/壳结构和核/多层壳结构纳米晶,通过改变其中掺杂离子浓度和能量传递距离实现了荧光寿命的调节,并对其在自体荧光消除、准确生物传感和多通道编码等方面的应用开展研究。主要的研究内容概述如下:采用Nd3+-Yb3+核/壳纳米晶实现时域无背景和多通道活体成像。探究了NaYF4:Yb3+,Nd3+@CaF2核/壳结构纳米晶中Yb3+和Nd3+掺杂离子浓度对能量传递效率和荧光寿命的影响,最终确定该体系中Yb3+和Nd3+的最佳掺杂浓度分别为10%和30%,实现了最优近红外1000 nm发射。同时改变Nd3+离子掺杂浓度时,调控了Yb3+→Nd3+能量反传递过程,以及改变Yb3+离子浓度调控能量在晶格之间的迁移过程,最终实现了Yb3+离子1000 nm荧光寿命在0.1 ms到1.4 ms范围内可调节。将PAA修饰后荧光寿命长达833μs的纳米晶应用于生物体内成像,利用其与自体荧光寿命的长短差异,在时间门成像中设置1μs延迟时间能够屏蔽小鼠皮毛和眼睛中黑色素所产生的自体荧光,实现了无自体荧光干扰的小鼠体内成像和脑成像。同时,将不同荧光寿命的纳米晶用于精确追踪尾静脉注射和灌胃两种不同摄入方式的纳米晶在生物体内的代谢路径,实现了多通道荧光寿命成像。Nd3+-Yb3+核/壳/壳纳米晶1000 nm荧光寿命用于体内温度传感。探究NaYF4@NaYF4:Yb3+,Nd3+@CaF2核/壳/壳纳米晶中Yb3+和Nd3+掺杂离子浓度对1000 nm荧光寿命温度灵敏度的影响,揭示了受温度影响的Yb3+→Nd3+能量反传递过程和Yb3+→Yb3+离子之间的能量迁移过程是影响荧光寿命温度灵敏度的关键因素,其中该种纳米晶的最大相对温度灵敏度为1.4%℃-1。该种荧光寿命探针具有良好的光照稳定性、热循环稳定性、pH稳定性以及浓度稳定性。在不同深度的模拟组织中进行荧光寿命成像,证实了荧光寿命独立于组织穿透深度。最终,在酵母菌感染的老鼠发炎模型中皮下注射NaYF4@NaYF4:20%Yb3+,60%Nd3+@CaF2纳米晶,实现了老鼠体内区域温度的准确检测。基于Nd3+-Yb3+-Er3+核/多层壳纳米晶1532 nm荧光寿命实现模拟组织中荧光寿命编码。通过改变NaYF4:Yb3+/Er3+@NaYbF4@NaYF4@NaYF4:Nd3+核/多层壳结构纳米晶中惰性间隔层NaYF4的厚度,调节了Nd3+与Yb3+离子之间能量的传递距离,实现了Er3+离子1532 nm荧光寿命的调节,结合改变Er3+离子掺杂浓度为40%和2%,最终实现了Er3+离子1532 nm处荧光寿命在3 ms到9 ms的调节。将惰性间隔层NaYF4引入NaYbF4和NaYF4:Yb3+层之间,改变该层的厚度调节能量在Yb3+与Yb3+离子之间的迁移距离,也实现了Er3+离子荧光寿命的调节,证实了该种方法的通用性。最后,结合NIR Ⅱb区发射光具有高分辨率和穿透深度较深等优势,实现了不同1532 nm荧光寿命的纳米晶在模拟生物组织内部的寿命编码。
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