[发明专利]具有800nm强近红外上转换发射特性的生物荧光纳米颗粒及其应用

说明书

技术领域

本发明属于生物荧光标记物制备与应用技术领域，具体涉及一种Yb和Ho离子双敏化Tm离子的强近红外上转换发光生物荧光纳米颗粒及其应用。

背景技术

荧光检测技术具有灵敏度高、选择性好、特性参数多、动态范围宽等优点，在生命科学，医学等众多领域得到了广泛的应用，每年都有大量的科研和相关成果转化报道。荧光标记物可以用来显示和追踪生物组织、细胞以及细胞中生物分子的构象变化和动力学过程。追踪活体细胞中生物分子的运动，不仅可以精确地找到变异细胞所在的位置，还可以了解病毒感染细胞的过程和生物体内蛋白质的运动情况。微纳米荧光探针是将荧光检测技术应用于生物医学诊断中的一个关键性材料。因此，研制一种具有高发光效率的探针材料仍然是目前人们研究工作的焦点与难点。

稀土离子的光学跃迁来源于内壳层的4f电子，具有优异的窄谱带发射特征，其光谱位置受微环境的影响很小，可以作为理想的荧光探针离子在生物分子检测、细胞过程跟踪中获得非常好的应用。为了使稀土掺杂的荧光纳米颗粒能够作为生物探针应用，一个好的解决办法是对荧光纳米颗粒的表面进行修饰，形成壳/核结构的纳米复合物，这些表面修饰试剂既可以控制颗粒的尺寸，又可以赋予纳米颗粒生物兼容性的性质，从而达到某些特殊的生物指标检测目的。比如Chen等人在NaYF₄:Yb/Er纳米晶表面修饰后实现肺癌细胞成像(JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY，2011，21，7661-7667)。

由于稀土掺杂的材料可以很容易地实现多光子激发，直接由红外光产生可见和红外区域的上转换发射。2011年，复旦大学的张凡等人在中国专利(CN102199428A)中提出根据不同稀土离子掺杂的上转换材料在红外光源激发下发出不同波长的荧光原理，以不同波长的发射荧光的强度比做为荧光编码。而目前大量的这类研究的发射光范围主要集中在可见光，却由于可见光在生物组织里穿透能力弱，限制了该材料在生物体深组织中的应用。

由于生物组织在光学各波段的吸收和透过是有差别的，红外光的长波光子就不易被生物分子吸收。其表现为在生物组织中穿透能力比紫外或可见光强，穿透深度可达厘米量级。这部分光范围在750nm～1000nm，我们称之为“生物组织的光学窗口”；因此当激发光和发射光均位于生物组织的光学窗口范围内，将更加有利于实现生物体内较深组织的生物分子的荧光检测和示踪。尽管有机荧光团和量子点也能够产生近红外发射，但与稀土掺杂的材料相比，作为荧光探针具有明显的缺点。例如近红外有机荧光团容易发生光漂白，此外其宽的发射带，小的Stokes移动都限制了该材料在检测过程中的应用以及长时间观测。而目前应用比较多的量子点，也由于其自身的毒性以及激发光源处于可见区，限制了其在深组织中的应用。因此稀土掺杂的发光材料在生物体深组织荧光检测领域的应用具有无可比拟的优势。而到目前为止，众多研究中获得近红外800nm发射都是通过稀土Yb/Tm的掺杂获得的，提高其发光强度也是通过控制材料尺寸、对材料进行包覆等方法实现的。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有800nm强近红外上转换发射特性的生物荧光复合纳米颗粒及其在生物组织的荧光检测、成像、示踪和多种生物分子的定位、检测、成像、荧光编码方面的应用。

本发明与现有技术相比，通过稀土Ho离子的加入实现了Ho离子对Tm离子～800nm近红外光的敏化增强，在900～1064nm近红外光光激发下，大幅度地提高了材料在近红外～800nm处的光发射强度。具体是采用Yb/Ho/Tm稀土三掺体系，通过激活剂Ho和Tm之间的能量传递，使Tm离子的800nm附近的近红外发射强度得到大幅度的提高(来自于Tm³⁺离子的³H₄→³H₆辐射跃迁)，使得制备的材料在近红外光波段的生物探测、成像等应用上获得了非常理想的效果。

本发明的优势在于激发光和发射光均位于生物组织的光学窗口750nm～1000nm，800nm处可以发射增强的近红外上转换发光。因此，该范围的近红外光与可见光相比在生物体内具有较高的穿透能力，可以实现生物体内较深层次生物组织的荧光检测和示踪等功能。

本发明所获得材料在800nm附近的近红外发光强度大幅度提高，易于检测，制备工艺简单。

本发明所述的一种具有800nm强近红外上转换发射特性的生物荧光复合纳米颗粒，其特征在于：