用于细胞应用的核壳结构掺杂镧系上转换纳米晶的合成

摘要

本文介绍了一种用于合成核壳结构的镧系元素掺杂上转换纳米晶体（UCNs）的方案，并展示了其在近红外（NIR）光照射下用于细胞中通道蛋白调控的应用。

摘要

近年来，掺杂镧系元素的上转换纳米晶体（UCNs）因其具有前景且可调控的光学特性而受到广泛关注，这类材料能够吸收近红外（NIR）光，并将其转化为覆盖从紫外到可见光再到近红外区域的多重发射。本文详细介绍了通过高温共沉淀法合成核壳结构UCNs的实验步骤，将不同的镧系离子掺入纳米晶体中，以高效地将可穿透深层组织的近红外激发光（808 nm）转化为在480 nm处的强蓝光发射。通过使用生物相容性聚合物（聚丙烯酸，PAA）进行表面修饰，所制备的UCNs在缓冲溶液中表现出优异的溶解性。亲水性纳米晶体进一步被功能化修饰，连接特定配体（二苯并环辛炔，DBCO），以实现其在细胞膜上的定位。在近红外光（808 nm）照射下，上转换产生的蓝光可有效激活细胞膜上的光控通道蛋白，特异性调控阳离子（例如，Ca²⁺）向细胞质内的流入。本实验方案为核壳结构掺杂镧系元素UCNs的合成及其后续用于细胞应用的生物相容性表面修饰提供了可行的技术方法。

引言

近年来，掺杂镧系元素的上转换纳米晶体（UCNs）因其优异的化学和光学特性，已在生物医学领域广泛应用，成为传统有机染料和量子点的替代品。这些特性主要包括良好的生物相容性、高抗光漂白性以及窄带发射。^1,2,3更重要的是，它们可作为一种极具前景的纳米换能器，具有优异的组织穿透深度 体内 通过多光子上转换过程，将近红外（NIR）激发转化为从紫外、可见光到近红外区域的宽范围发射^4,5这些独特性质使得掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒成为生物传感、生物医学成像及疾病诊疗一体化极具前景的载体。^6,7,8.

上转换纳米颗粒（UCNs）的基本组成主要基于掺杂在含有敏化剂的绝缘基质中的镧系离子例如, Yb³⁺，Nd³⁺）和一种激活剂（例如，Tm³⁺，Er³⁺，Ho^3+....

方案

警告：使用前请查阅所有相关的材料安全数据表（MSDS）。在高温（约 290 °C）下合成上转换纳米颗粒（UCNs）时，请采用所有适当的安全操作规程，包括使用工程控制措施（如通风橱）和个人防护装备（例如，护目镜、手套、实验服、长裤和封闭式鞋履）。

1. NaYF₄:Yb/Tm/Nd(30/0.5/1%)@NaYF₄:Nd(20%) 核壳纳米晶的合成

1. NaYF的合成₄Yb/Tm/Nd(30/0.5/1%) 掺杂核结构纳米材料
   1. RE(CH的制备₃CO₂)₃，NaOH，NH₄甲醇储备液
      注：稀土（RE）镧系离子包括钇（Y）、镱（Yb）、铥（Tm）和钕（Nd）。
      1. 将500 mg乙酸钇(III)水合物溶于5 mL甲醇（100 mg/mL），250 mg乙酸镱(III)水合物溶于5 mL甲醇（50 mg/mL），10 mg乙酸铥(III)水合物溶于1 mL甲醇（10 mg/mL），以及10 mg乙酸钕(III)水合物溶于1 mL甲醇（10 mg/mL），置于玻璃小瓶中，使用超声清洗仪超声处理2 min。
      2. 在50 mL离心管中加入400 mg NaOH和20 mL甲醇，使用超....

结果

核壳结构掺杂镧系元素上转换纳米颗粒（UCNs）的示意图合成过程如图1和图2所示。分别采集了核结构及核壳结构UCNs纳米材料的透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像（图1）。通过在酸性溶液中去除UCNs表面疏水性的油酸，制备得到无配体UCNs，并用亲水性聚合物（PAA）进行修饰。随后，COOH封端的PAA-UCNs通过酰胺缩合反应与DBCO-NH₂功能化。无配体UCNs、PAA-UCNs和DBCO-UCNs的TEM图像如图2所示。分别采集了DBCO-UCNs的动态光散射（DLS）、zeta电位结果以及上转换发光（UCL）光谱（图3）。DBCO-NH₂、PAA-UCNs和DBCO-UCNs的傅里叶变换红外（FT.......

讨论

本文介绍了一种用于合成核壳结构镧系元素掺杂上转换纳米晶体（UCNs）的方法，并对其表面进行功能基团修饰以用于细胞应用。这种新型纳米材料具有优异的光学特性，可通过近红外光激发下的多光子上转换过程发射紫外光和可见光。在本实验方案中，核壳结构的UCN纳米材料（NaYF₄:Yb,Er/Tm@NaYF₄）首先通过热分解法在油酸存在下合成，随后通过配体交换或二氧化硅包覆实现水相分散及表面功能化。该方法制备的纳米颗粒具有良好的生物相容性，适用于生物成像、药物递送及光控治疗等生物医学应用。通过调控掺杂离子种类（如Yb³⁺作为敏化剂，Er³⁺或Tm³⁺作为激活剂）及壳层厚度，可优化上转换发光效率并减少表面淬灭效应。文中还详细描述了纳米颗粒的表征手段，包括透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）及上转换发光光谱分析。该合成策略具有可重复性高、粒径可控、发光性能稳定等优点，为发展基于上转换纳米材料的生物探针提供了可靠的技术路径。 关键词：上转换纳米晶体，核壳结构，镧系元素掺杂，近红外激发，多光子过程，表面修饰，生物相容性，细胞成像，NaYF₄:Yb,Er/Tm@NaYF₄₄Yb/Tm/Nd (30/0.5/1%)@NaYF

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1-十八烯	Sigma Aldrich	O806	工业级
油酸	Sigma Aldrich	364525	工业级
甲醇	Fisher Scientific	A412	工业级
乙醇	Fisher Scientific	A405	工业级
丙酮	Fisher Scientific	A18	工业级
己烷	Sigma Aldrich	H292	工业级
乙酸铥(III)水合物 (Tm(CH3CO2)3)	Sigma Aldrich	367702	99.9% 痕量金属基准
乙酸钕(III)水合物 (Nd(CH3CO2)3)	Sigma Aldrich	325805	99.9% 痕量金属基准
乙酸镱(III)水合物 (Yb(CH3CO2)3)	Sigma Aldrich	326011	99.9% 痕量金属基准
乙酸钇(III)水合物 (Y(CH3CO2)3)	Sigma Aldrich	326046	99.9% 痕量金属基准
氢氧化钠 (NaOH)	Sigma Aldrich	S5881	试剂级
氟化铵 (NH4F)	Sigma Aldrich	338869	ACS 试剂
盐酸 (HCl)	Fisher Scientific	A144	试剂级
聚丙烯酸 (PAA)	Sigma Aldrich	323667	平均分子量 1800
1-羟基苯并三唑水合物 (HOBT)	Sigma Aldrich	54802	ACS 试剂
1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐 (EDC)	Sigma Aldrich	E7750	商用级
二苯并环辛炔-胺 (DBCO-NH2)	Sigma Aldrich	761540	ACS 试剂
N,N-二异丙基乙胺 (DIPEA)	Sigma Aldrich	D125806	ACS 试剂
二甲基亚砜 (DMSO)	Fisher Scientific	BP231	工业级
HEK293 细胞系	ATCC	CRL-1573	人胚胎肾细胞
胎牛血清 (FBS)	Sigma Aldrich	F1051	ACS 试剂
青霉素-链霉素	Thermo Fisher	15140122	10,000 U/mL
质粒 (pCAGGS-ChR2-Venus)	Addgene	15753	以细菌琼脂穿刺形式寄送的质粒
杜尔贝科改良伊格尔培养基 (DMEM)	Thermo Fisher	11965092	高糖
优化改良伊格尔培养基 (MEM)	Thermo Fisher	51985034	低血清培养基
Lipofectamine 3000 转染试剂	Thermo Fisher	L3000015	脂质体转染
N-叠氮乙酰甘露糖胺，乙酰化 (Ac4ManNAz)	Sigma Aldrich	A7605	ACS 试剂
胰蛋白酶-EDTA (0.25%)	Thermo Fisher	25200056	酚红
Rhod-3 AM 钙离子成像试剂盒	Thermo Fisher	R10145	荧光染料
5-羧基四甲基罗丹明叠氮化物 (Rhod-N3)	Sigma Aldrich	760757	Azide-fluor 545
共聚焦培养皿	ibidi GmbH	81158	玻璃底，35 mm
50 ml 圆锥形离心管	Greiner Bio-One	227261	聚丙烯
15 ml 圆锥形离心管	Greiner Bio-One	188271	聚丙烯
1.5 ml 圆锥形微量离心管	Greiner Bio-One	616201	聚丙烯
苯基甲基硅油	Clearco Products	63148-52-7	低于 320 摄氏度
玻璃温度计	GH Zeal	L0111/10	范围从 -10 至 360 摄氏度
12 孔板	Sigma Aldrich	Z707775	聚苯乙烯