上轉化發光免疫層析快速定量檢測技術平臺

原理簡介    

    自然界中存在很多有機或無機物質，它們可以在電磁輻射激發下發射熒光或磷光，且在發光過程中遵守Stokes 規則，即發射光的波長長于激發光的波長。而在20 世紀70 年代，科學家們卻合成了一類可以反Stokes 規則產生磷光的特殊材料，即UCP。UCP 在紅外光區（波長＞780nm）被激發，卻可以發射波長遠短于激發光的可見光（波長475nm-670nm），即能量上轉換。物質構成決定性質特點。UCP 是由稀土金屬元素摻雜于晶體的晶格中構成的。在這種材料中有三種主要的成分：主基質（Host Matrix）、吸收子（Absorber）和發射子（Emitter）。作為主基質的晶體材料有：氧硫化物（如Y2O2S、GdO2S、La2O2S 等）、氟化物（如YF3、GdF3、LaF3 等）、鎵酸鹽（如YGaO3、Y3Ga5O12 等）以及硅酸鹽（如YSi2O5、YSi3O7 等）等；常用作吸收子的稀土金屬離子有：鐿離子（Yb3+）、鉺離子（Er3+）、釤離子（Sm3+）等；常用作發射子的稀土金屬離子有：鉺離子（Er3+）、鈥離子（Ho3+）、銩離子（Tm3+）、鋱離子（Tb3+）等。吸收子和發射子這一離子對在主基質晶格內適宜的空間取向和距離，是產生上轉換發光的基礎。上轉換發光的產生是一個涉及多個（至少兩個）光子的光學過程。在這個過程中（如圖1），UCP 內的吸收子（如Yb3+）至少要吸收兩個低能量光子（紅外光區,如970nm），而后經過一系列內部能量轉換，以非輻射的形式(A1→A2，A2→A3)將這兩個光子的能量連續傳遞給發射子（如Er3+），以使其處于激發態（A3）。后者接著發生一個返回基態能級的躍遷，釋放一個高能光子（可見光區，如525nm 或540nm），完成能量上轉換。

    不同的吸收子、發射子、主基質結合可使UCP 具有不同的光學性質。如：主基質相同的情況下，一系列UCP 采用相同的吸收子，不同的發射子，則它可由相同波長的紅外光激發，產生不同波長的發射光（如：980nm 紅外光激發 吸收子- Yb3+—發射子- Er3+、吸收子- Yb3+—發射子- Tm3+，分別發射550nm 綠色可見光、475nm 藍色可見光）；采用不同的吸收子，相同的發射子，則雖經由不同的激發光，但卻可產生相同的發射光。主基質不同的情況下，UCP 光譜特征也將改變（如：吸收子- Yb3+—發射子- Er3+，在主基質YF3、GdF3 中，分別發射紅色和綠色的可見光）。組成的多樣性決定了UCP 光譜（激發光譜、發射光譜）的多樣性，由此也就進一步締造了其在生物應用中的顯著優勢。而真正使得UCP 實現生物應用的是上轉換發光技術（Up-Converting Phosphor Technology ,UPT），即對UCP 顆粒進行一系列的表面修飾與活化后，將其作為生物標記物與多種生物活性分子相結合，并最終應用于生物醫學檢測領域，在紅外光的照射下以其獨特的上轉換發光指示生物活性分子之間高敏感特異性的識別。在該技術的基礎之上，UCP 作為新型標記物與免疫層析技術、生物傳感技術交相融合，在生物醫學檢測領域中充分地發揮使其所具有的特性：

  u 高度的敏感性：獨有的上轉換發光現象確保了UCP 在檢測的過程中絕不存在來自于外界的背景干擾；

  u 高度的靈活性：UCP 發光標記物的特性以及獨特的可自由組合的多樣化特征光譜（吸收光譜和發射光譜），使其可同時適用于定量分析與多重分析；

  u 高度的穩定性：UCP 的發光現象是產生于結構內部的純粹物理過程，且其以能量較低的紅外光作為激發光，因而完全避免了來自檢測樣品腐蝕以及自身衰變導致的發光淬滅；

  u 高度的安全性：惰性合成材料、紅外光激發、可見光發射使得基于UCP 的檢測對于檢測者、被檢測品、環境均無任何危害。

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