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功能化细胞碳点的绿色合成、发光机制及其在细胞靶向成像分析中的应用认领

被引量： 1

作者：

张倩倩

学位授予单位：

西南大学

摘要：

碳元素是最丰富的自然元素之一,近年来,碳基纳米材料引起了不同学科研究者的广泛兴趣。其中,碳点（CDs）由于具有光学性质优良、水溶性好、抗光漂白能力强、生物毒性低等特点,成为纳米材料中崛起的新星,被广泛应用于分析检测、生物成像、载药、催化以及光学器件等领域。然而,目前报道的大部分碳点存在量子产率偏低、合成过程需要外界提供大量热源等缺点;近年来发展的室温制备碳点的方法,多数使用强酸、强碱及强氧化剂,需要繁琐的后处理,操作过程中存在一定危险,不利于大规模生产。因此,本文从筛选合成碳点的原料出发,发展绿色制备碳点的新方法,减少有机试剂的使用和降低能源消耗,成功合成出性质优良的发光碳点,并对碳点的形成机制和发光机制进行详细讨论,最终将其用于分析检测以及溶酶体靶向成像研究。由此,本文开展了以下三个研究工作:（1）碳点的溶剂热法制备及其用于羟高铁血红素的测定。以对氨基苯甲酸为原料通过溶剂热法在乙醇溶剂中一步合成蓝色荧光发射碳点。所制备的碳点水溶性好、抗盐性及抗氧化性好,可作为优良的荧光探针用于分析检测。高分辨透射显微镜（HRTEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱（Raman）等表征,证明所制备的碳点是有sp2和sp3杂化碳、多层石墨烯结构的准球形纳米颗粒,傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等分析表明碳点表面富含氨基和羧基。碳点的激发和发射光谱与具有较大摩尔吸光系数的羟高铁血红素的吸收光谱几乎完全重合,建立了基于内滤效应的检测机制高选择性测定羟高铁血红素的分析方法,并成功用于健康人血红细胞分析,实现了复杂基质中羟高铁血红素的选择性测定。（2）碳点的室温制备及溶酶体靶向和溶酶体内pH成像。已有研究认为氨基及丰富的水溶性基团可以实现细胞溶酶体的靶向,由此,合理选择对苯醌和乙二胺为原料,采取官能团保护策略（FPS）室温下制备出高量子产率翠绿色荧光碳点。对所制备的碳点进行了一系列详细表征,证明碳点富含氨基和水溶性基团（羧基和羟基等）,由此,利用碳点表面的水溶性基团的质子化和去质子化实现了pH传感。玻尔兹曼方程计算出碳点的pKa为4.78,完美覆盖溶酶体的pH范围（4.5-5.5）,而碳点表面丰富的氨基和水溶性基团诱导其靶向溶酶体。与商用的溶酶体染料Lyso-Tracker Red的共定位结果显示,碳点可以实现对溶酶体的靶向。进一步利用药物诱导细胞凋亡,溶酶体内酸度升高,碳点的荧光减弱,实现了溶酶体内pH成像。（3）碳点的低温可控合成及其发光机制的探讨。在第二个研究工作的基础上,同样以对苯醌和乙二胺为原料,选择不同的反应温度（35℃、25℃、15℃、0℃、-15℃）合成五个高量子产率碳点CDs-1、CDs-2、CDs-3、CDs-4和CDs-5。理论计算结果显示,在环境温度较低的情况下,由反应物自身的持续放热,也可以经历脱水、碳化、聚合过程,最后形成碳点。碳点表征表明:（1）五个碳点粒径不一,碳核状态不同;（2）有相似的元素组成和表面官能团,但含量有明显区别;（3）最大激发波长和最大发射波长都位于400 nm和530 nm,都发黄绿色荧光;（4）荧光量子产率（QY）随着反应温度的升高而增大;（5）五个碳点的荧光寿命相差不大,激发态能级（最低未占轨道,LOMO）和基态能级（最高占据轨道,HOMO）略有差异。这些结果都表明碳点的发光机制与碳核没有关系,主要取决于碳点表面缺陷态和表面氧化态。综上所述,在传统溶剂热方法的基础上,通过选择合适的碳原料,提出了新颖的绿色合成法,成功制备出了一系列性质优异的发光碳点,从而实现人红细胞内羟高铁血红素的选择性检测,溶酶体的靶向和溶酶体内pH成像,拓宽了碳点的应用;提出表面缺陷态和表面氧化态的发光机制,丰富了碳点的理论研究。总之,本文工作对室温甚至低温下高量子产率碳点的绿色制备、细胞器靶向和发光机制研究具有一定的参考价值。

摘要译文

关键词：

碳点; 羟高铁血红素; 室温合成; 溶酶体靶向; 发光机制

学位年度：

2018

学位类型：

硕士

学科专业：

分析化学

导师：

黄承志

中图分类号：

O657.3[光化学分析法（光谱分析法）⑨]

学科分类号：

070302[分析化学];070306[化学生物学];081704[应用化学];081706[分子化工]