CN105199732B - 具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料，基体材料为La₃Ga₅GeO₁₄、Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂或者基体材料为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，基体材料中掺杂Cr³⁺以及掺杂镧系离子；所述掺杂镧系离子为Nd³⁺或者Tm³⁺。本发明还公开了近红外长余辉材料的制备方法。本发明的近红外长余辉材料能够稳定的发射近红外长余辉，且当用对人体正常细胞无害的808nm激光照射长余辉材料时，长余辉材料吸收了光的能量并转化成热量，温度急速升高，杀死与之结合的癌细胞。在这个过程中，都能通过近红外探头全程检测长余辉材料的动向，实现可视化治疗。

Description

具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料及制备 方法

技术领域

本发明涉及近红外长余辉材料，特别涉及一种具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料及制备方法。

背景技术

长余辉是一种特殊的光学现象，长余辉材料，也就是一种材料在被高能激发(可见光、紫外光、X射线、γ射线、电子束等)后导致的可见或者近红外区域长时间的发光，这样的发光从激发停止后可以持续几秒钟、几小时甚至是几天。根据它的这种特殊功能，人们将它开发成发光涂料、发光陶瓷、发光薄膜、发光塑料、发光纤维、发光油墨等，使其广泛应用于安全显示、仪表指示、外观装饰、夜视侦查等领域。近些年来，随着生物医学研究的发展，人们对于各种生命现象和过程的本质的研究越来越深入，与此相关的科学技术也随之发展起来。其中，光学成像技术由于其成熟性强，使用方便等优点被广泛应用于此类研究。而长余辉材料用于作为荧光探针应用在生物成像领域有着其独特的优势，因此得到了广泛的关注。

长余辉材料作为荧光探针可以实现延迟探测，在体外激发，完全避免了激发光和生物组织的自发荧光对成像的影响，可以获得高信噪比的成像图像。其次，近红外长余辉材料的余辉波长位于近红外波段，这一范围正好是生物透过窗口(700-1100nm和1100-1350nm)，生物活体组织中的成份对近外光吸收很少，近红外光在生物组织中穿透深度大，可以在深层组织产生光信号，而对组织本身几乎没有影响，这有助于获得更多生物体的信息。2007年，Chermont等利用溶胶-凝胶法高温煅烧合成了具有近红外长余辉发光的硅酸盐长余辉纳米材料，首次实现了在小鼠体内的“免激发”荧光成像。在此之后，关于长余辉材料应用于生物成像也得到了广泛的研究。现如今已经可以实现在长余辉材料表面修饰不同的官能团，实现对靶向细胞长达1小时以上的生物体内成像。

然而，一般的长余辉材料用于生物活体成像只能实现观测的功能，并不能实现治疗。据研究，癌症(恶性肿瘤)已经成为威胁人类健康的首要致死病因之一，并且其发病率保持逐年上升的趋势。提高癌症治愈率及降低癌症治疗的毒副作用是癌症治疗过程中亟待解决的问题。光热治疗是近年来发展的一种微创肿瘤治疗技术，主要是通过将光能直接照射到肿瘤部位而使其局部温度升高来杀伤肿瘤细胞，大大降低了全身系统毒性，光热治疗被看作是非常有潜力替代手术的治疗肿瘤的技术之一。成功的光热疗需要依赖合适的成像技术来确定肿瘤的位置、大小及光热治疗剂在体内的分布及在肿瘤组织的富集情况；其次需要实时监测PTT过程中肿瘤及周围健康组织温度的变化；最后借助于成像技术来进行治疗效果的评价。单一功能的长余辉材料或者光热疗材料都不能很好的同时实现检测和治疗的有机结合。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料，能够稳定的发射近红外长余辉，且当用对人体正常细胞无害的808nm激光照射长余辉材料时，长余辉材料吸收了光的能量并转化成热量，温度急速升高，杀死与之结合的癌细胞。在这个过程中，都能通过近红外探头全程检测长余辉材料的动向，实现可视化治疗。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料，基体材料为La₃Ga₅GeO₁₄或Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr³⁺，以及1～40mol％的掺杂镧系离子；或者基体材料为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr³⁺，以及1～10mol％的掺杂镧系离子；所述掺杂镧系离子为Nd³⁺或者Tm³⁺。

所述的具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)选取含镧化合物、含锌化合物、含钙化合物、含镓化合物、含锗化合物、含铬化合物、含钕化合物、含铥化合物为原料；

(2)按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；

(3)将研磨均匀后的原料在于1000～1550℃烧制2～6h。

所述含镧化合物为氧化镧或氟化镧。

所述含锌化合物为氧化锌、醋酸锌或硫酸锌。

所述含钙化合物为碳酸钙或醋酸钙。

所述含镓化合物为氧化镓、硝酸镓或氟化镓。

所述含锗化合物为氧化锗或四氯化锗。

所述含铬化合物为氧化铬、碳酸铬或氟化铬。

所述含钕化合物为氧化钕或氟化钕。

所述含铥化合物为氧化铥或氟化铥。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明的近红外长余辉材料，能够稳定的发射近红外长余辉，且当用对人体正常细胞无害的808nm激光照射长余辉材料时，长余辉材料吸收了光的能量并转化成热量，温度急速升高，杀死与之结合的癌细胞。本发明的具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料能够实现可视化光热疗，首次在长余辉体系提出光热效应，且光热转换效率高，在光热治疗中有较大的潜力。

(2)本发明的近红外长余辉材料具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料作为荧光探针可以实现延迟探测，在体外激发，完全避免了激发光和生物组织的自发荧光对成像的影响，可以获得高信噪比的成像图像。且其长余辉发射波长位于生物透过窗口，成像效果较好。

附图说明

图1为本发明的实施例1制备的样品的长余辉发射光谱。

图2为本发明的实施例1制备的样品的温度变化曲线。

图3为本发明的实施例2制备的样品的长余辉发射光谱。

图4为本发明的实施例2制备的样品的温度变化曲线。

图5为本发明的实施例3制备的样品的长余辉发射光谱。

图6为本发明的实施例3制备的样品的温度变化曲线。

图7为本发明的实施例4制备的样品的长余辉发射光谱。

图8为本发明的实施例4制备的样品的温度变化曲线。

图9为本发明的实施例5制备的样品的长余辉发射光谱。

图10为本发明的实施例5制备的样品的温度变化曲线。

图11为本发明的实施例6制备的样品的长余辉发射光谱。

图12为本发明的实施例6制备的样品的温度变化曲线。

图13为本发明的实施例7制备的样品的长余辉发射光谱。

图14为本发明的实施例7制备的样品的温度变化曲线。

图15为本发明的实施例8制备的样品的长余辉发射光谱。

图16为本发明的实施例8制备的样品的温度变化曲线。

图17为本发明的实施例9制备的样品的长余辉发射光谱。

图18为本发明的实施例9制备的样品的温度变化曲线。

图19为本发明的实施例10制备的样品的长余辉发射光谱。

图20为本发明的实施例10制备的样品的温度变化曲线。

图21为本发明的实施例11制备的样品的长余辉发射光谱。

图22为本发明的实施例11制备的样品的温度变化曲线。

图23为本发明的实施例12制备的样品的长余辉发射光谱。

图24为本发明的实施例12制备的样品的温度变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

按照以下成分：基体为La₃Ga₅GeO₁₄，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.5mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含氧化镧、氧化镓、氧化锗、氧化铬、氧化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1350℃烧制6h。图1是本实施例制备的样品在紫外灯照射十分钟的长余辉发光光谱，发射峰位于700nm，是Cr³⁺的长余辉。图2是本实施例制备的样品的温度变化曲线，在808nm激光照射下样品吸收能量转换成热量，温度升高，一定时间后达到饱和，关闭激光器之后样品温度下降。

实施例2

按照以下成分：基体为La₃Ga₅GeO₁₄，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的40mol％。分别选取含氧化镧、氧化镓、氧化锗、氧化铬、氧化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1550℃烧制2h经测试其余辉光谱，发射峰位于698nm(图3)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图4)。

实施例3

按照以下成分：基体为La₃Ga₅GeO₁₄，Cr³⁺的掺杂量为基体的5mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含氧化镧、氧化镓、氧化锗、氧化铬、氧化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1200℃烧制3h经测试其余辉光谱，发射峰位于700nm(图5)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图6)。

实施例4

按照以下成分：基体为La₃Ga₅GeO₁₄，Cr³⁺的掺杂量为基体的2mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的40mol％。分别选取含氧化镧、氧化镓、氧化锗、氧化铬、氧化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1000℃烧制4h经测试其余辉光谱，发射峰位于698nm(图7)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图8)。

实施例5

按照以下成分：基体为Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.5mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含碳酸钙、硝酸镓、氧化锗、氟化铬、氟化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1350℃烧制6h，经测试其余辉光谱，发射峰位于722nm(图9)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图10)。

实施例6

按照以下成分：基体为Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的40mol％。分别选取含碳酸钙、硝酸镓、氧化锗、氟化铬、氟化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1550℃烧制2h，经测试其余辉光谱，发射峰位于722nm(图11)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图12)。

实施例7

按照以下成分：基体为Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，Cr³⁺的掺杂量为基体的5mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含碳酸钙、硝酸镓、氧化锗、氟化铬、氟化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1200℃烧制3h，经测试其余辉光谱，发射峰位于730nm(图13)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图14)。

实施例8

按照以下成分：基体为Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，Cr³⁺的掺杂量为基体的2mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的40mol％。分别选取含碳酸钙、硝酸镓、氧化锗、氟化铬、氟化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1000℃烧制4h，经测试其余辉光谱，发射峰位于730nm(图15)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图16)。

实施例9

按照以下成分：基体为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.5mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含氧化锌、氟化镓、氧化锗、碳酸铬、氟化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1350℃烧制6h，经测试其余辉光谱，发射峰位于700nm(图17)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图18)。

实施例10

按照以下成分：基体为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，Cr³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％，Nd³⁺的掺杂量为基体的10mol％。分别选取含氧化锌、氟化镓、氧化锗、碳酸铬、氟化钕的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1550℃烧制2h，经测试其余辉光谱，发射峰位于700nm(图19)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图20)。

实施例11

按照以下成分：基体为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，Cr³⁺的掺杂量为基体的5mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的0.1mol％。分别选取含氧化锌、氟化镓、氧化锗、碳酸铬、氟化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1200℃烧制3h，经测试其余辉光谱，发射峰位于700nm(图21)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图22)。

实施例12

按照以下成分：基体为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，Cr³⁺的掺杂量为基体的2mol％，Tm³⁺的掺杂量为基体的10mol％。分别选取含氧化锌、氟化镓、氧化锗、碳酸铬、氟化铥的化合物，按照化学计量比称量，并在研钵中充分研磨均匀；研磨均匀后的原料1000℃烧制4h，经测试其余辉光谱，发射峰位于699nm(图23)，在808nm激光照射下样品有明显光热效应(图24)。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料在制备光热治疗剂的应用，其特征在于，所述具备生物成像和光热治疗双功能的近红外长余辉材料的基体材料为La₃Ga₅GeO₁₄或Ca₃Ga₂Ge₃O₁₂，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr³⁺，以及1～40mol％的掺杂镧系离子；或者基体材料为Zn₃Ga₂Ge₂O₁₀，基体材料中掺杂0.1～5mol％Cr³⁺，以及1～10mol％的掺杂镧系离子；所述掺杂镧系离子为Nd³⁺或者Tm³⁺。