近红外长寿命上转换纳米颗粒通过时间门控发光共振能量转移实现超灵敏microRNA检测

本研究针对传统上转换纳米颗粒(UCNP)基发光共振能量转移(LRET)技术因共掺杂体系中持续能量转移导致的灵敏度瓶颈，创新性地设计了具有空间隔离结构的NaYbF4@NaYF4:10%Yb,1%Tm@NaYF4纳米颗粒作为长寿命供体(L-donor)，结合时间门控检测策略(L-TG-LRET)，使Tm3+发光寿命延长8倍至2080μs。该技术成功实现了乳腺癌和肺癌相关miRNA（miR-21/miR-155/miR-375）的attomolar级检测，在血浆和外泌体样本中展现出优于PCR的检测性能，为液体活检提供了新工具。

　　

在生物医学检测领域，如何实现超灵敏的核酸分子检测始终是科学家们追逐的目标。microRNA（miRNA）作为一类长度仅18-25个核苷酸的非编码RNA，因其在癌症发生发展中的调控作用而成为理想的生物标志物。然而，传统检测方法如聚合酶链式反应(PCR)在面对极低浓度的miRNA时往往力不从心，特别是在临床样本如血浆和外泌体中，目标分子含量极低且背景干扰严重。更棘手的是，现有基于上转换纳米颗粒(UCNP)的发光共振能量转移(LRET)技术，由于能量供体与受体间持续的能量迁移(EM)和转移(ETU)过程，导致检测灵敏度受限。

为解决这一难题，韩国生物科学与生物技术研究院(KRIBB)和汉阳大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们巧妙地设计了一种具有"敏化核-激活壳-惰性壳"三层结构的NaYbF₄@NaYF₄:10%Yb,1%Tm@NaYF₄纳米颗粒，通过空间隔离Yb³⁺敏化剂与Tm³⁺激活剂，将800nm近红外(NIR)发光寿命从250μs显著延长至2080μs。这种长寿命供体(L-donor)与时间门控检测策略(TG-LRET)的结合，有效阻止了脉冲激发下Tm³⁺的快速再激活，使能量转移效率变化(ΔT_D)比传统稳态检测(SS-LRET)提高200%。

研究团队采用了三项关键技术：(1)热分解法合成具有精确掺杂结构的核壳纳米颗粒；(2)优化供体-受体间距的DNA探针(pDNA)修饰策略；(3)结合980nm脉冲激光的时间门控检测系统。临床样本分析涉及64例血浆样本（28例健康对照，18例乳腺癌和18例肺癌患者）和60例外泌体样本。

NIR长寿命发光UCNPs的设计

通过调控Yb^{3+在敏化核（EM核）与激活壳（ETU壳）的分布比例，研究人员发现当ETU壳中Yb3+掺杂浓度降至10%时，Yb-Tm离子间距增至0.870nm，显著减缓了能量回传过程。这种结构设计在保持发光强度的同时，使Tm3+的3H₄→3H₆跃迁寿命延长8倍。}

TG-LRET性能比较

在检测IRDye800受体时，L-donor的发光寿命变化(-ΔT_D)达32%，远超短寿命供体(S-donor)的23.6%。时间门控模式下，L-TG-LRET对miR-21的检测限(LOD)低至1.6aM，比S-SS-LRET灵敏度提高17.9倍。

癌症诊断应用

在临床验证中，L-TG-LRET成功区分了癌症患者与健康人：血浆中miR-21/miR-155在肺癌患者中显著上调(p<0.0001)，而miR-375下调(p<0.0001)。尤为突出的是，在外泌体检测中，该技术检测到的miR-155差异(p=1.11×10^-17)是PCR(p=0.853)未能发现的，组合三种miRNA的ROC曲线下面积(AUC)达0.9491。

这项研究的意义在于：首先，通过创新的纳米结构设计解决了UCNP-LRET灵敏度受限的核心问题；其次，建立的时间门控检测策略为超低丰度生物标志物检测提供了新思路；最后，在10分钟内完成attomolar级检测的能力，使其在临床即时检测(POCT)领域展现出巨大潜力。该技术不仅适用于miRNA检测，其模块化设计还可拓展至其他核酸或小分子检测，为精准医疗提供了强有力的工具。研究团队指出，未来通过优化稀土离子组合和供体-受体对，有望实现更广泛的生物分子检测应用。