上转换纳米粒子生物光功能体系、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供了一种上转换纳米粒子生物光功能体系，所述上转换纳米粒子生物光功能体系具有核壳结构，所述上转换纳米粒子生物光功能体系自内而外包括无任何稀土离子掺杂的对紫外到近红外光全透过不吸收的氟化物纳米粒子核、近红外光吸收敏化上转换发光层、隔离层和PEG层，所述近红外光吸收敏化上转换发光层主要由基质材料、敏化离子和激活离子组成，所述氟化物纳米粒子核和隔离层的材料组成相同。本发明专利技术提供的上转换纳米粒子生物光功能体系，能够有效降低在能量转换过程中光子的能量损耗以及提高上转换效率，尤其是上转换紫外光强度高，并能将发射的紫外光有效作用距离强度限制在癌细胞内，并诱导癌细胞线粒体凋亡因子导致癌细胞凋亡。癌细胞凋亡。癌细胞凋亡。

【技术实现步骤摘要】
上转换纳米粒子生物光功能体系、其制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于纳米发光材料
，具体涉及上转换纳米粒子生物光功能体系、其制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]稀土上转换纳米材料因具有能将近红外光上转换为紫外至近红外光的光学性质，在显示、探测、三维显示等领域，尤其是生物医学等领域有着广泛的应用。但由于上转换发光机制的局限性以及稀土离子光吸收截面小等问题制约，稀土上转换纳米材料的荧光量子产率很低，发光效率低，这极大地限制了该材料的发展。因此，寻找可以有效提高稀土上转换纳米材料发光效率的方法尤为重要。
[0003]核壳结构材料是一种复合材料，该材料由微纳米尺寸的颗粒组成内核，然后在内核上包覆一层或者多层晶格常数相同或相近的均匀材料形成外壳，内核和外壳之间通过静电作用或化学键作通过制备核壳型稀土上转换纳米材料，可以抑制稀土上转换材料的界面缺陷发光猝灭，尤其是钝化外寒风表面缺陷、隔离外界不利因素的干扰，从而提高材料的上转换效率。同时可赋予材料一系列优异的性能。例如:表面选择包覆亲疏水性单层壳层可以改变材料表面的亲水性或疏水性。此外，包覆多层功能壳层能使上转换纳米材料集多模态成像、可视化精准诊疗功能于一体。
[0004]虽然核壳结构有效改善了上转换纳米材料的发光效率，然而，其仍存在发射效率较低，能量损耗较大的缺陷，这极大地限制了上转换纳米发光材料在生物医学领域癌症等重大疾病早期诊断和治疗方面的广泛应用。另外，如何将发射的紫外光有效作用距离强度准确地限制在癌细胞内，在“用光不用药”癌症等重大疾病治疗中可实现只杀生癌细胞而不伤及正常细胞，并诱导癌细胞线粒体凋亡因子导致癌细胞凋亡，这是癌症等重大疾病治疗未来发展方向，是要亟待解决的问题。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]为了解决上述问题，本专利技术的第一目的在于提供一种上转换纳米粒子生物光功能体系，该上转换纳米粒子生物光功能体系具有核壳结构，能够有效降低在能量转换过程中光子的能量损耗以及提高上转换效率，发射紫外光强度高，并能将发射的紫外光有效作用距离的光强度限制在癌细胞内，并诱导癌细胞线粒体凋亡因子导致癌细胞凋亡。
[0007]为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：
[0008]上转换纳米粒子生物光功能体系，所述上转换纳米粒子生物光功能体系具有核壳结构，所述上转换纳米粒子生物光功能体系自内而外包括无任何稀土离子掺杂的对紫外至近红外光全透过不吸收的氟化物纳米粒子核、近红外光吸收敏化上转换发光层、隔离层和PEG层，
[0009]所述近红外光吸收敏上转换发光层主要由基质材料、敏化离子和激活离子组成，
[0010]所述氟化物纳米粒子核和隔离层的材料组成相同，所述隔离层为无任何稀土离子掺杂的对紫外至近红外光全透过不吸收的氟化物纳米隔离层。
[0011]本专利技术提供的上转换纳米粒子，纳米核为无任何稀土离子掺杂的氟化物纳米核，纳米核材料对紫外光至近红外光不吸收全透过，消除了普遍应用稀土离子共掺杂的氟化物纳米晶作为纳米核对紫外到近红外980nm激发光能强吸收导致的光能量损耗。纳米核的外层是近红外光吸收敏化上转换发光层，近红外光吸收敏化上转换发光层由基质材料、敏化离子和激活离子组成，敏化离子起到高效吸收近红外光能量传递和敏化激活离子发光的作用，它们吸收激发光能量后，再通过共振传递将其吸收的近红外光能量传递给近邻发光离子，发光离子多光子吸收被敏化到更高能量状态发生上转换发光。此外，本专利技术的隔离层也采用无任何稀土离子掺杂的氟化物纳米材料作隔离层，也对紫外至近红外光无吸收，进一步抑制纳米粒子表面缺陷和配体分子对980nm近红外激发光能量的损耗。纳米核和隔离层采用相同的材料，二者均对紫外至近红外光不吸收全透过，将近红外光吸收敏化上转换发光层加在纳米核和隔离壳层中间，限制在纳米核和隔离壳层构成的光子能量深势阱中，第一层近红外光高吸收敏化壳层、第二层敏化发光层和第三层近红外光高吸收敏化壳层形成一个三明治夹心结构，第四层的深势阱外壁隔离层有效隔断了复合上转换纳米粒子外表面缺陷态和表面配体分子与近红外吸收敏化上转换发光层中敏化离子和发光离子光能量的交换作用，减少了对上转换紫外光的猝灭过程，从而有效地增强了波长在340nm左右紫外光的上转换效率，这样的结构发射的紫外线强度高，最外层耦联的PEG层通过对紫外光强吸收有效地调控了上转换紫外光的有效作用距离，将发射的紫外光在有效作用距离内的强度限制在癌细胞内，并启动癌细胞线粒体凋亡因子诱导癌细胞凋亡。因此，高度限制在癌细胞内的上转换紫外光不能穿透出癌细胞而损伤诱导癌细胞近邻的正常细胞凋亡，本专利技术的上转换纳米粒子生物光功能体系可以有效杀死癌细胞而不影响正常人体细胞。
[0012]优选的，所述PEG的分子量为500
‑
3000道尔顿；例如可以是500道尔顿、1000道尔顿、1500道尔顿、2000道尔顿、2500道尔顿、3000道尔顿。
[0013]本专利技术在上转换纳米粒子的最外层耦联500
‑
3000道尔顿的PEG，既可以使制备的上转换纳米粒子生物光功能体系具有适当的厚度，以使上转换纳米粒子发射的紫外光有效作用距离能被严格地调控和限制在癌细胞内，也可以使得上转换纳米粒子生物光功能体系具有合适的尺寸和重量，在PEG表面耦联单抗分子后，可以被制备成悬浮液，以及可以容易地在体/血液中输运靶向到达癌细胞表面，被癌细胞吞噬继而进入癌细胞而发挥作用。
[0014]更优选的，所述PEG的分子量为1000
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2500道尔顿。
[0015]本专利技术中也可以采用不同分子量的PEG有机分子对上转换纳米粒子表面包覆，实现对其发射的上转换紫外光在癌细胞内有效作用距离精准地限制和调控。
[0016]本专利技术的一个方面，所述氟化物纳米核层的材料包括LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4、KYF4、KLuF4、KGdF4中的一种，
[0017]所述隔离层的材料包括LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4、KYF4、KLuF4、KGdF4中的一种。
[0018]优选的，所述氟化物纳米粒子核的材料选自LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4中的一种，
[0019]所述隔离层的材料选自LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4中的一种。
[0020]由于Li和Na具有较小的离子半径，因此，组成纳米核的材料以及组成隔离层的材料优选为含有Li和Na的氟化物。
[0021]在本专利技术另一方面，所述近红外光吸收敏化上转换发光层自内而外包括内近红外光吸收敏化层、上转换紫外光发射层和外近红外光吸收敏化层，所述上转换紫外光发射层主要由基质材料、敏化离子和激活离子组成，所述内近红外光吸收敏化层的基质材料和所述外近红外光吸收敏化层的基质材料均为对近红外光高吸收的基质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.近红外光吸收敏化上转换纳米粒子生物光功能体系，所述上转换纳米粒子生物光功能体系具有核壳结构，所述上转换纳米粒子生物光功能体系自内而外包括无任何稀土离子掺杂的对紫外到近红外光全透过不吸收的氟化物纳米粒子核、近红外光吸收敏化上转换发光层、隔离层和PEG层，所述近红外光吸收敏化上转换发光层主要由基质材料、敏化离子和激活离子组成，所述氟化物纳米核层和隔离层的材料组成相同；优选的，所述PEG的分子量为500
‑
3000道尔顿；更优选的，所述PEG的分子量为1000
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2500道尔顿；优选的，所述氟化物纳米粒子核的材料包括LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4、KYF4、KLuF4、KGdF4中的一种，所述隔离层的材料包括LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4、KYF4、KLuF4、KGdF4中的一种；更优选的，所述氟化物纳米核层的材料选自LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4中的一种，所述隔离层的材料选自LiYF4、LiLuF4、LiGdF4、NaYF4、NaLuF4、NaGdF4中的一种。2.根据权利要求1所述的近红外光吸收敏化上转换纳米粒子生物光功能体系，其特征在于，所述近红外光吸收敏化上转换发光层自内而外包括内近红外光吸收敏化层、上转换紫外光发射层和外近红外光吸收敏化层，所述上转换紫外光发射层主要由基质材料、敏化离子和激活离子组成，所述内近红外光吸收敏化层的基质材料和所述外近红外光敏化层的基质材料均为对近红外光高吸收敏化的基质材料，所述内近红外光吸收敏化层和所述外近红外光吸收敏化层的材料组成相同。3.根据权利要求2所述的上转换纳米粒子生物光功能体系，其特征在于，所述内近红外光吸收敏化层的基质材料包括LiYbF4、NaYbF4、KYbF4中的一种，所述外近红外光吸收敏化层的基质材料包括LiYbF4、NaYbF4、KYbF4中的一种，所述近红外光吸收敏化上转换紫外光发射层的基质材料与所述氟化物纳米核层的材料组成相同；优选的，所述内近红外光吸收敏化层的基质材料选自LiYbF4、NaYbF4中的一种，所述外近红外光吸收敏化层的基质材料选自LiYbF4、NaYbF4中的一种。4.根据权利要求3所述的上转换纳米粒子生物光功能体系，其特征在于，所述敏化离子包括Yb
3+
，所述激活离子包括Er
3+
、Tm
3+
、Ho
3+
；优选的，所述化离子为Yb
3+
，所述激活离子Tm
3+
。5.根据权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓丹，张俐，曹殿波，常钰磊，王旺，赵慧颖，孔祥贵，
申请(专利权)人：吉林大学第一医院，
类型：发明
国别省市：