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2019年9月28日
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鞠熀先课题组提出“能量集中域”提升上转换能量转移效率的策略

稀土掺杂上转换纳米颗粒(UCNPs)是一类近红外激发的反斯托克斯发射的纳米发光材料。利用其独特的光学性质,鞠熀先教授课题组建立了细胞膜表面特异蛋白上多种糖基的同时检测(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 5220)和细胞内microRNA成像(Anal. Chem., 2019, 91, 3374)的方法,实现了抗肿瘤药物在癌细胞中的靶向递运与可控释放(Biomaterials, 2018, 163, 55)。但受制于稀土元素有限的光吸收能力以及纳米材料内部长程能量转移引起的损耗,上转换纳米颗粒的发光强度与能量转移效率的提高已成为该领域的挑战性难题。

针对这一瓶颈问题,鞠熀先教授课题组提出能量集中域(Energy concentration zone, ECZ)的新概念,将UCNPs设计为能量吸收层(Absorption layer)、能量发射层(Emitting layer)和惰性核三层核壳结构,有效缩短能量转移距离,并在能量吸收层表面用双磷酸小分子(ADA)键合800CW近红外染料进行材料敏化(图1)。近红外染料强大的光吸收能力使大量的光子通过近距离共振能量转移从800CW转移至能量吸收层中的Nd3+,并进一步传递到能量发射层中的Er3+,而Er3+发射出来高能量可以诱导UCNPs表面固定的受体分子(Accepter)产生灵敏的检测信号。由于在纳米材料内部引入了阻隔能量向内耗散的惰性核,所有能量被有效限制于能量集中域,使Er3+发射出来的光强相对于传统结构的UCNPs增强了3600倍。ADA的键合可将Accepter紧紧组装在UCNPs表面,使ECZ UCNPs的能量转移效率达到60%,大大提高了UCNPs的能量转移效率。

更有趣的是,能量转移效率与发光强度的提高明显地改善了基于UCNPs分析方法的灵敏度,可使上转换荧光分析的靶标检测限降低3个数量级(图2A);也提高了肿瘤细胞厌氧微环境下活性氧的量子产率,从而实现了肿瘤细胞的高效光动力治疗(图2B),为发展高灵敏生化分析方法与疾病治疗方案提供了重要的工具。

上述相关成果已以“Boosting Luminance Energy Transfer Efficiency in Upconversion Nanoparticles with an Energy Concentrated Zone”为题于7月5日在Angew. Chem. Int. Ed.(DOI: 10.1002/anie.2019063804)在线发表。博士生张晓波、科研助理陈伟伟博士、博士生谢晓宇为该工作共同第一作者,鞠熀先教授和刘颖教授为通讯作者。中国竞彩网理论与计算化学研究所马海波教授与陕西师范大学刘成辉教授为该工作提供了帮助。

图1. 具有 “能量集中域”结构的UCNPs示意图及其简化的能量转移路径和能级图。

图2. 以N719为能量受体的Hg2+检测方法(A)和以光敏剂RB为能量受体的高效活性氧产生原理与检测结果(B)。

(化学化工学院 科学技术处)