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摘要相比于传统的有机染料，量子点等下转换发光材料，上转换纳米颗粒(UpconversionNanoparticles，UCNPs)具有独特的光学优势。因此，基于UCNPs的相关研究得到了广泛的关注，并在生命分析化学及癌症治疗等领域获取得了一系列重要成果。尽管如此，目前相关领域的应用受到了一定的限制，其中关键的核心问题为:UCNPs在能量吸收与发射过程中均受制于稀土元素较小的能量吸收截面与纳米颗粒直径较大所带来的较低的能量转移效率。该问题在实际应用中体现为UCNPs较低的发光强度与其作为能量供体较低的发光共振能量转移(LRET)效率。为了系统地解决上述关键问题，本工作确立了基于UCNPs内部结构优化，外部染料敏化以及开发新型能量利用模式的综合研究思路。首先，该工作从纳米材料的合成技术出发，优化了多壳层UCNPs连续合成方案并为后续的纳米结构优化提供了重要的技术储备。随后，基于磷酸根与稀土离子强烈的配位作用，该工作开发了一种基于双磷酸氨基的小分子配体（阿仑膦酸）的UCNPs高效改性方案。值得一提的是，接近零长度的小分子改性避免了传统改性技术带来的纳米颗粒尺寸的明显增加的问题，为缩短能量转移距离，提高染料敏化效率提供了全新思路。针对UCNPs与染料分子之间LRET转移距离有限的问题，本工作进一步通过精准材料合成实现了能量转移距离的精准调控，开发了具有“能量集中域”(EnergyConcentratiedZone，ECZ)结构的染料敏化UCNPs(ECZUCNPs)，实现了高灵敏的分析检测与高效的光动力治疗(PDT)。最后，该工作进一步提出了“中继式”能量转移策略，通过构建能量转移中继层，将原本低效率的一次长距离LRET过程分为了两次高效的短距离LRET过程，实现了能量转移效率的极大增强。进一步结合UCNPs多通道发射的优势，该工作构建了可以同时进行癌症光动力治疗与疗效检测的UCNPs探针，即“疗-监”一体化探针，并成功应用于细胞水平的研究。为了更有逻辑地展示以上工作，整个研究分为以下几个部分进行介绍:<br>　　1、具有多层核壳结构的UCNPs连续合成及后续改性技术<br>　　通过对现有成熟的UCNPs合成方案进行实践与细致分析，本文提出了同时热注射稀土前驱体与氟源的连续合成方案。由于传统的种子合成方案需要单独的晶种合成步骤，因此在多步合成中存在较大的产物损失。为了避免不必要的损失，我们在已有的氟源过量的稀土前驱体热注射方案基础上开发了稀土前驱体与氟源同时热注射的方案。新开发的连续合成方案具有操作简单，周期短，延伸壳层数量与厚度可控的特点，并在理论上赋予了UCNPs体系更多的可设计性，提升了相关领域开发多功能探针的潜力，因而具有良好的应用前景。<br>　　利用磷酸基团与稀土离子之间强烈的配位作用，我们开发了基于氨基磷酸配体的UCNPs改性方案。通过对比单磷酸和双磷酸氨基配体，该工作最终确定了以阿仑膦酸为改性试剂的小分子配体改性方案。新的改性方案采用水，乙醇和三氯甲烷形成的三元两相的简单体系，UCNPs与阿仑膦酸直接加入体系后仅仅需要调节pH至2-3，便可在半个小时内完成改性，且产物易于纯化。由于改性试剂为小分子化合物，改性后UCNPs不会存在明显的尺寸增加。最终该改性方案可以确保UCNPs能量转移至表面能量受体的距离在几个纳米以内，为提高其转移效率提供了一个方便可靠的改性方案。<br>　　2、ECZUCNPs的构建及其应用<br>　　为了进一步解决UCNPs存在的光吸收能力弱以及纳米材料内部能量转移引起的能量损耗，本文设计了“能量集中域”结构，将UCNPs设计为能量吸收层、能量发射层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偶联800CW近红外染料进行材料敏化。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，能量转移效率高达60％。利用ECZUCNPs，我们实现了基于UCNPs的汞离子检出限下探3个数量级的进步。在癌症PDT中，新型UCNPs提高了肿瘤细胞乏氧微环境下活性氧的产率，从而实现了肿瘤细胞的高效光动力治疗。<br>　　3、“中继式”能量转移方案的提出及其癌症“疗-监”一体化平台中的应用<br>　　本文设计了基于“中继式”转移方案的能量转移效率增强型UCNPs新体系。通过小分子配体氨基化的UCNPs，材料表面可以高效地修饰一定数量的Cy3染料并实现能量从UCNPs（540nm附近的发射）内部向Cy3中继站层的转移。由于UCNPs表面同时还偶联有末端修饰有淬灭基团QSY7基团的多肽探针，原本Cy3吸收的UCNPs发射能量可以最终转移到QSY7。基于该策略，我们实现了Caspase-3蛋白酶的检测，将基于UCNPs的检测推向了生物大分子。进一步利用UCNPs多发射的特点，我们将660nm的上转换发射用于PDT治疗，并最终实现了癌症“疗-监”一体化探针平台的建立。