基于近红外光激发的光动力疗法中相关科学问题的研究

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近些年，稀土纳米晶在生物荧光成像和光动力治疗等医学领域有很广泛的研究，主要是因为稀土纳米晶具有近红外光激发、无光漂白、无光闪烁、自体荧光少、光损伤小、光谱丰富、谱带窄等特点。基于稀土上转换纳米晶结合的光敏剂（UCNC-PS）来开展光动力疗法是稀土纳米晶医学应用的主要部分，这主要是由于稀土上转换纳米晶的引入将激发光转移到了近红外区，有望实现深组织实体瘤的治疗。然而，UCNC-PS在应用中还存在活性氧产生效率低、激发光功率密度高、治疗效果可控性差等问题。本文针对如何提高上转换发光效率改善 UCNC-PS的活性氧产率、增强生物荧光成像的对比度实现影像指导的光动力治疗、以及开发新型近红外光激发的光敏剂实施高效率的深组织实体瘤的光动力治疗等方面开展了研究。
　　研究了环境对稀土离子发光中心荧光性质的影响。设计并制备了NaYF4/NaYF4:Yb3+,Er3+/NaYF4多层核壳纳米结构，这种特殊的核壳结构包括三部分，其中心是NaYF4的支撑核，在其外面包覆NaYF4:Yb3+,Er3+发光薄层，在最外层包覆一层屏蔽壳层，这种结构保证每个发光中心受到环境的作用影响相同，通过调节屏蔽壳层厚度能准确的探究环境对稀土发光中心的影响。利用上转换荧光光谱和时间分辨光谱探究了环境对稀土发光中心的荧光性质的影响规律，发现稀土发光中心的绿色上转换的荧光强度随着屏蔽壳层厚度的增加呈 e指数增强的关系，当屏蔽壳层厚度减小到0时，其上转换荧光强度减小到饱和荧光强度的1/356；包覆NaYF4屏蔽壳层厚度在4 nm左右时，外界环境对发光中心的作用减小90%。进一步通过对发光中心能级辐射性质的研究阐述了环境对发光中心荧光性质影响的原因。
　　基于 NaYF4:Yb3+,Tm3+纳米晶开发近红外单色的生物荧光探针。通过变化Tm3+的掺杂浓度对 NaYF4:Yb3+,Tm3+纳米晶的光谱进行调节，实现单色的800 nm上转换荧光。利用800 nm和470 nm的上转换荧光的强度比来衡量800 nm上转换荧光的单色性。通过对光谱的分析，发现800 nm单色性随着Tm3+掺杂浓度的增加呈 e指数增长，当 Tm3+掺杂浓度增加到4%时，其荧光强度比可高达757。进一步开展荧光成像研究，探究了Tm3+掺杂浓度与荧光量子产率之间的关系，当 Tm3+浓度达到4%时，470 nm荧光的量子产率已经下降到10-7量级，而800 nm荧光的量子产率仍可达到10-3量级，利用此浓度的纳米晶的800 nm上转换荧光实现了高对比度的荧光成像。
　　提出了一种近红外光激发的新型光敏剂 NaYbF4纳米晶。NaYbF4纳米晶具有近红外光激发，与氧之间能量传递效率高的特点，因此，NaYbF4纳米晶有望实现高效的深组织光动力治疗。NaYbF4纳米晶中光敏成分是 Yb3+，具体的机制为Yb3+吸收近红外激发光，然后将能量传递给氧，进而产生活性氧。本文利用化学探针法验证了 NaYbF4纳米晶可以产生活性氧，并根据 Yb3+寿命随氧浓度的响应，得到了 Yb3+与 O2之间的能量传递速率，发现二者之间具有较高的能量传递速率。同时也将 NaYbF4纳米晶作为光敏剂与 UCNC-PS进行了对比，结果表明NaYbF4纳米晶具有更高的活性氧产生速率。
　　基于 NaYbF4纳米晶开展了光动力疗法的研究。首先探究了活体光动力治疗条件，包括药物的孵育时间、孵育浓度、光照时间和光功率密度、药物毒性等。在此基础上进行了体外的光动力治疗，发现NaYbF4纳米晶对PC-9细胞有很好的杀伤效果，当药物浓度在10μg/mL，光照时间在0.5 h时，细胞存活率仍可降低到40%左右。同时，治疗条件和细胞存活率之间存在 e指数关系，为实施可控的光动力治疗提供了实验依据。进一步通过流式细胞术对细胞的死亡机制进行了实验研究，结果表明光动力治疗过程中细胞凋亡和坏死均存在。体内光动力治疗结果表明基于 NaYbF4纳米晶的光动力疗法可使肿瘤体积发生明显的缩小。

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作者
张佳音;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科物理学
授予学位博士
导师姓名张治国;
年度 2016
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总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类应用光学;
关键词
稀土纳米晶; 荧光性质; 光敏剂; 光动力治疗; 近红外光激发;

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