单纳米颗粒的高维指纹及其在多重数字检测中的应用

本公开总体上涉及使用许多不同技术来调整单个上转换纳米颗粒的时域发射分布的方法，以增加纳米尺度的编码容量。本公开还涉及解码纳米颗粒指纹的时间分辨宽场成像和深度学习技术。

背景技术：

1、在本说明书中对现有技术的任何讨论都不应被认为是承认这种现有技术是广为人知的或形成该领域公共常识的一部分。

2、纳米技术的最终目标是以前所未有的精度操纵结构，并调整它们的功能，以精确匹配单个纳米颗粒级别所需的参数。容量增加的光复用将推动下一代使能技术的持续发展，从高容量数据存储、防伪、大容量信息通信，扩宽到单次测试中多个单分子分析物的高通量筛选和多个细胞区室的超分辨率成像。

3、超容量光复用挑战了我们在正交维度(例如强度、颜色、偏振和衰减时间)中创建多路复用码、将它们分配给微观和纳米级载波以及在正交光学维度中以足够精度以高通量方式解码它们的能力。尽管希望携带光学条形码的材料的尺寸可以从微观范围推到纳米范围，但它牺牲了发射光子的总量(亮度)，并因此限制了可检测代码的数量，例如典型地三到四个颜色通道或亮度水平。纳米级物体发出的信号量会呈指数下降，并且它们的尺寸通常低于光学衍射极限。这阻止了传统的滤波光学器件和检测过程以足够的光谱-空间分辨率对它们进行解码。

4、这种未满足的需求对材料科学提出了重大挑战，以追求在生产均匀纳米载体方面的制造策略和精确控制，并进一步挑战光子学界，以最大限度地增加发射光子的数量，并探索可以在多个正交维度上产生的光学信息的多样性，例如发射颜色(光谱)、寿命、偏振、和角动量。

5、掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒(ucnp)吸收低能近红外光子，以在可见光和紫外区域发出高能发射。单个ucnp是均匀的，光稳定数小时，并允许在活细胞中进行单个纳米颗粒跟踪实验。最近，据报道，每个单个ucnp的芯-壳-壳设计在8w/cm3的低辐照度下每秒发射约200个光子，强度均匀的ucnp使能单分子(数字)免疫分析。ucnp的基于颜色的复用可以通过调整掺杂剂、芯-壳结构、或激发脉冲持续时间来实现，但是所有基于颜色的方法本质上都受到光谱域中串扰的限制。在微球阵列的系综寿命测量、用于深层组织肿瘤成像的时域造影剂和高安全水平的防伪应用方面已经取得了重大进展。虽然具有单纳米颗粒灵敏度的寿命多路复用是可能的，但相对较低的亮度和点扫描共焦显微技术限制了读出通量。

技术实现思路

1、在第一方面，本公开提供了一种用于调整上转换纳米颗粒的时域发射分布的方法，该方法包括操纵激发态颗粒群的上升、衰减、和/或峰值时刻的步骤。

2、可以通过改变纳米颗粒中的界面能量迁移来实现对激发态颗粒群的上升、衰减、和/或峰值时刻的操纵。

3、通过将纳米颗粒暴露于不同的激发波长，可以改变界面能量迁移。

4、纳米颗粒可以是ucnp。

5、ucnp可以包括钕、镱、铥、铒、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、镥、钪和钇中的一种或多种。

6、ucnp可以包括钕、镱、铥、和/或铒。

7、ucnp可以包含选自碱性氟化物、氧化物或氧硫化物的主体材料。

8、碱性氟化物可以是nagdf4、ca2f、nayf4、liyf4、naluf4或liluf4、kmnf3，氧化物可以是y2o3。也可以考虑这些材料的混合物。在一个实施例中，主体材料是nayf4。

9、在ucnp为晶体的情况下，nayf4可以是六方相或任何其它晶体相。

10、ucnp可以是芯-多壳ucnp。

11、芯-多壳ucnp可包括芯、迁移层和敏化层。

12、迁移层可以包括yb3+。

13、敏化层可以包括yb3+和nd3+。

14、芯可以包括yb3+、er3+和/或tm3+。

15、芯可以包括yb3+和er3+或yb3+和tm3+。

16、ucnp可选自：芯-多壳β-nayf4：nd3+、yb3+、tm3+ucnp和芯-多壳β-nayf4：nd3+、yb3+、er3+ucnp。

17、ucnp的变异系数(cv)值可小于约15％，或小于约10％，或小于约5％。

18、在第二方面，本发明提供了一种用于在多重检测中鉴定发光探针的多重检测方法，该方法包括：刺激发光探针以产生发光，以及测量发光的上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间。

19、多重阵列可以是悬浮阵列。

20、该方法可还包括：刺激多个发光探针以产生发光；测量发光的上升时间、峰值时刻和/或衰减时间，并基于上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间的差异识别一个或多个探针。

21、发光的上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间可以提供一个或多个代码。

22、发光探针可以是纳米标签、球体、颗粒或载体。

23、发光探针可以包括一个或多个纳米颗粒。

24、发光探针可以包括一个或多个如上文结合第一方面所述的纳米颗粒。

25、在第三方面，本发明提供了一种用于执行多重检测的方法，所述多重检测包括使用多个纳米粒子作为探针，所述多个纳米粒子的发光分布具有不同上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间，其中，所述探针根据它们不同的上升时间、峰值时刻和/或衰减时间而彼此区分。

26、发光探针可以包括一个或多个如上文结合第一方面所述的纳米颗粒。

27、在第四方面，本发明提供了一种用于制备光谱不同的纳米颗粒库的方法，包括：

28、(a)提供多个不同类别的纳米颗粒，其中，每个不同类别的纳米颗粒的发光分布具有不同上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间；

29、(b)改变每一类别内的纳米颗粒的下列参数中的一个或多个，以便提供光谱不同的纳米颗粒库：

30、纳米颗粒的芯尺寸；

31、芯中发射体离子和敏化剂离子的浓度；

32、敏化层的厚度；

33、敏化层中敏化剂离子的浓度；以及

34、钝化层的存在或不存在。

35、在一个实施例中，制备至少三个不同类别的纳米颗粒，并且每个类别包含至少10个不同类型的纳米颗粒。

36、纳米颗粒可以是ucnp。

37、ucnp的不同类别可以是具有活化剂和/或敏化剂的不同组合的ucnp的类别。

38、ucnp可以包括钕、镱、铥、铒、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、镥、钪和钇中的一种或多种。

39、ucnp可以包括钕、镱、铥、和/或铒。

40、ucnp可以包含选自碱性氟化物、氧化物或氧硫化物的主体材料。

41、碱性氟化物可以是nagdf4、ca2f、nayf4、liyf4、naluf4或liluf4、kmnf3，氧化物可以是y2o3。也可以考虑这些材料的混合物。在一个实施例中，主体材料是nayf4。

42、在ucnp为晶体的情况下，nayf4可以是六方相或任何其它晶体相。

43、在一个实施例中，多个不同类别的ucnp包括具有芯-多壳ucnp的至少一个类别。

44、芯-多壳ucnp可包括芯、迁移层和敏化层。

45、迁移层可以包括yb3+。

46、敏化层可以包括yb3+和nd3+。

47、芯可以包括yb3+、er3+、和/或tm3+。

48、芯可以包括yb3+和er3+或yb3+和tm3+。

49、在一个实施例中，多个不同类别的ucnp包括以下：芯-多壳β-nayf4：nd3+、yb3+、tm3+ucnp，芯-多壳β-nayf4：nd3+、yb3+、er3+ucnp，和β-nayf4：yb3+、tm3+ucnp。

50、ucnp的变异系数(cv)值可小于约15％，或小于约10％，或小于约5％。

51、在一个实施例中，所有参数都是变化的。

52、在第五方面，本发明提供了通过第四方面的方法获得的光谱不同的纳米颗粒库。

53、在六个方面中，本发明提供了第五方面的光谱不同的纳米颗粒的库用在多重检测中的用途，其中，纳米颗粒用作探针。

54、探针可以至少根据它们的发光分布的不同上升时间、峰值时刻、和/或衰减时间而彼此区分。

55、可以使用宽场时间分辨显微术或深度学习来解码探针。