稀土掺杂NaYF4纳米晶的上转换光动力疗法相关科学问题研究

摘要

上转换光动力疗法是生物医疗领域的一个研究热点。稀土掺杂上转换纳米晶通过频率上转换能够将近红外波段激发光转化为可见波段发射光，从而激发光敏剂达到深部组织肿瘤疾病的治疗目的。然而，目前仍存在如下问题：一是稀土上转换纳米晶的制备工艺需要优化；二是环境对上转换纳米晶发光的影响规律缺乏认识；三是纳米晶在激发光作用下的热效应需要精准定量评价。因此，本文开展了上转换光动力疗法中相关基础科学问题的研究。
　　本研究主要内容包括：⑴开展了稀土掺杂NaYF4裸核及同质核壳结构纳米晶的快速制备方法研究。利用溶剂热方法，研究了反应时间、反应温度和油酸浓度对纳米晶生长的影响规律，制备了六角相、小尺寸（<50 nm）、单分散、形貌可控的NaYF4:Yb, Tm纳米晶。提出了高效的“一步合成法”，制备了壳层厚度分别为1.0 nm，3.1 nm，5.2 nm，10.9 nm和15.8 nm的NaYF4:Yb, Tm/NaYF4核壳结构纳米晶。透射电镜（TEM）照片和X射线能量散射图谱（EDS）分析表明，NaYF4同质壳均匀的外延生长在20 nm的球形NaYF4:Y b, Tm裸核纳米晶表面。核壳结构纳米晶上转换荧光照片对比表明，发光中心Tm3+离子的上转换荧光强度随着壳层厚度的增加而增强。此研究为上转换光动力医疗提供了物质基础。⑵开展了壳层厚度对NaYF4: Yb, Er/NaYF4核壳结构纳米晶上转换发光的影响规律研究及皮肤组织荧光成像试验的研究。测量了不同壳层厚度（0 nm，2.2 nm，5.5 nm，8.0 nm，10.5 nm和14.5 nm）的 NaYF4:Yb, Er/NaYF4纳米晶的上转换荧光光谱，分析表明壳层厚度 d与发光中心 Er3+离子的上转换荧光增强倍数呈e指数关系。为了平衡上转换发光强度与纳米晶尺寸这一对矛盾关系，提出了“最优化壳层厚度”的概念。研究表明对于NaYF4: Yb, Er/NaYF4纳米晶，其最优化壳层厚度为5.5 nm，对应了~13倍的540 nm上转换荧光增强。利用具有最优化壳层厚度的NaYF4: Yb, Er/NaYF4纳米晶开展了皮肤组织荧光成像试验，高对比度的成像效果证实了具有最优化壳层厚度的 NaYF4: Yb, Er/NaYF4纳米晶生物医疗应用的可行性。⑶开展了基于NaYF4: Yb, Er纳米晶上转换荧光的高精度生物温度测量方法的研究。利用上转换荧光强度比温度测量方法，分析了在300K至330K生理学温度范围内的热耦合能级对（2H11/2,4S3/2）和非热耦合能级对（4F9/2,4S3/2）的荧光温度特性，研究表明利用这二个能级对均可实现温度测量，然而利用非热耦合能级对的测温精度比利用热耦合能级对的测温精度高6倍，达0.09 K，优于以往报道的同种材料所能达到的生物测温精度。分析表明其精度的提高源于利用非热耦合能级对测温具有更好的信噪比。这种高精度生物测温方式的提出有利于实现稀土纳米晶在上转换光动力疗法中的多功能性应用。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景

1.2 稀土离子的上转换发光理论基础

1.3 稀土掺杂上转换纳米材料

1.4稀土上转换纳米晶在生物医学方面的应用

1.5 本论文的研究目的和意义

1.6 本论文的主要研究内容

第2章 稀土掺杂NaYF4裸核及同质核壳结构纳米晶的快速制备方法研究

2.1 引言

2.2 形貌可控的六角相NaYF4:Yb, Tm裸核纳米晶的制备

2.3 壳层厚度可控的稀土掺杂NaYF4同质核壳结构纳米晶的快速制备

2.4 本章小结

第3章 壳厚对稀土掺杂NaYF4同质核壳纳米晶上转换荧光影响规律的研究

3.1 引言

3.2 壳层厚度对纳米晶上转换发光增强的影响

3.3 NaYF4:Yb, Er/NaYF4纳米晶的生物应用

3.4 本章小结

第4章 基于NaYF4:Yb, Er纳米晶的高精度生物测温方法研究

4.1 引言

4.2 NaYF4:Yb, Er热耦合能级对荧光测温特性研究

4.3 NaYF4:Yb, Er非热耦合能级对荧光测温特性研究

4.4 测温不确定度的影响因素研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

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