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由于纳米材料具有独特的物理、化学性质,被广泛应用于生物识别、生物感应、生物成像、药物输运、疾病诊断和治疗等研究领域。作为一类多功能复合材料,光磁复合纳米材料将结合光学和磁共振成像的优点。稀土元素特殊的4f轨道填充结构赋予了其独特的光学和磁学性质。近几年,利用这些独特的光学和磁学性质,稀土纳米材料在生物医学领域的应用研究越来越广泛。相关研究表明,其在光学成像、磁共振成像、细胞标记、免疫分析、蛋白质及核酸检测、癌症诊断和治疗等方面都有着广泛的应用前景。与其它发光纳米材料相比,稀土发光纳米材料具有很多独特的性质,如能级和跃迁过程丰富、发射谱带较窄,以及发射峰位几乎不受配体场的影响等。而Gd3+离子具有7个未成对电子,较大的磁矩和较长的电子自旋弛豫时间等优点,使钆基纳米材料可作为磁共振成像正相对比增强剂。其原理是利用Gd3+离子电子自旋和水分子氢核之间的偶极一偶极相互作用,从而改变该局域组织内氢核的弛豫速率。近几年,稀土发光/磁性纳米材料的生物应用已有广泛研究和报道。目前,该领域的文献报道主要集中在生物成像应用,但是对于更为基础的生物毒性研究鲜有报道。 本论文工作立足于本课题组的研究方向和内容,选择本课题组在合成方面具有相当多经验积累的两个材料体系,即稀土钒酸盐和稀土上转换纳米材料体系。基于稀土发光/磁性纳米材料合成,通过合适的水相转移和表面修饰策略,将稀土发光/磁性纳米材料的应用拓展到生物成像领域,主要在生物成像和生物毒性两方面进行了研究。一方面,积极探究这两类体系在体内、体外的生物光学和磁共振成像中的应用。另一方面,利用细胞、小鼠、线虫和斑马鱼等体外和体内模型初步评价了这两类体系的生物毒性,补充了当前在这一研究领域中的空白。论文工作包括以下三部分研究内容: (1)YPxV1-xO4:Eu@GdPO4光磁复合纳米材料的合成及应用研究 基于本课题组前期工作,利用两步法合成得到了YPxV1-xO4:Eu@GdPO4核壳结构光磁复合纳米材料。在该纳米材料中,WO43-离子作为基质和敏化剂吸收紫外光后,通过非辐射能量传递敏化发光中心Eu3+离子而使其产生红光发射。基质中掺杂磷元素能够有效阻断VO43-离子之间的能量传递,从而降低从VO43-离子到颗粒表面的非辐射跃迁速率而提高发光量子产率。GdP04壳层包覆不但抑制发光表面猝灭而提高发光强度,而且由于Gd3+离子的引入使该材料能够作为磁共振成像正相对比增强剂。 本部分通过一系列实验和数据证明了核壳结构的构筑,同时确认了该材料优良的光学和磁学性质。通过核壳结构的构筑,其发光量子产率提高到了40％左右;水溶液的测试表明该材料亦具有良好的磁共振成像对比增强效果。本部分进一步通过氧化硅包覆以抑制钒酸根离子和稀土离子的释放,从而提高该类光磁复合纳米材料的生物相容性,并利用HeLa细胞模型对YPxV1-xO4:Eu@GdPO4@SiO2纳米材料进行了细胞显微成像研究和细胞毒性评价。CCK-8试剂盒毒性测试表明该光磁复合纳米材料具有较低的细胞毒性。 (2)油溶性稀土氟化物复盐纳米材料表面修饰及生物成像研究 利用三氟乙酸盐前驱体热分解法合成得到了不同稀土离子掺杂的发光纳米材料,如NaYF4:Yb,Er/Tm@CaF2。并基于该方法和乙二醇热法,通过Gd3+离子共掺、NaGdF4为基质和NaGdF4包覆等形式构筑了稀土光磁复合纳米材料,包括Na(Y,Gd)F4:Yb,Er/Tm、NaGdF4:Yb,Er/Tm、NaYF4:Yb,Er/Tm@NaGdF4等。 在纳米材料合成的基础上,通过HCl处理配体移除和氧化硅包覆等手段进行水相转移和表面修饰,并实现了细胞内和细胞膜稀土上转换发光成像。利用共孵育的方式实现了细胞内上转换发光成像。通过反相微乳法包覆氧化硅过程中引入叠氮基或炔基硅烷,在稀土纳米颗粒表面修饰上了叠氮基和炔基,并利用点击反应在细胞膜上修饰了稀土纳米颗粒,以酵母细胞为模型,实现了特异性上转换发光标记。 此外,不同钆基纳米材料的对比结果表明Gd3+离子富集在颗粒表面具有更好的对比增强效果。所以,以NaYF4:Yb,Er@NaGdF4核壳结构光磁复合纳米材料为研究对象,利用小鼠模型系统考察了其活体上转换发光/磁共振成像应用。相关研究表明,稀土发光/磁性纳米材料能够广泛应用于体外、体内的光学和磁共振成像中,并具有其独特的优势。作为发光材料,具有低荧光背景、高组织穿透深度等优势;作为对比增强剂材料,有效提高了其在体内的停留时间,能够实现活体成像。 (3)水溶性稀土氟化物复盐纳米材料的合成及生物毒性研究 利用乙二醇溶剂热法和三氟乙酸盐前驱体热分解法合成得到了一系列不同稀土离子掺杂的稀土发光纳米材料,并通过氧化硅包覆、表面配体臭氧化和CTAB包覆等手段进行水相转移。在稀土纳米材料合成和水相转移的基础上,研究了其在生物成像中的应用,并初步评价了其生物毒性。HeLa细胞模型中,在颗粒孵育浓度在10μg/mL条件下便可以实现细胞上转换发光标记成像;CCK-8试剂盒测试表明稀土纳米材料具有低的细胞毒性。线虫模型中,线虫能够通过喂食摄取稀土纳米材料并且能够将其排出体外。通过对线虫蛋白质表达、生命周期、产卵数、卵存活率、卵生长速率及5-氟尿嘧啶实验等研究发现,添加稀土纳米颗粒的实验组和只添加大肠杆菌菌液的对照组相比均没有明显差异。斑马鱼模型中,利用受精卵显微注射稀土纳米材料考察了其对斑马鱼生长发育的影响。同时,利用围心腔显微注射初步探究了稀土纳米材料在斑马鱼体内的分布和代谢情况。此外,利用这些模型初步考察了稀土纳米材料的颗粒尺寸、表面电荷和表面包覆试剂等物理化学性质对其生物成像和生物毒性的影响。研究表明,稀土纳米材料应用于生物成像等领域具有独特的优势,如高光稳定性、低生物荧光背景和低生物毒性等,并能够应用于多色及近红外成像等领域。