基于元素、官能团和空间构象传递策略的荧光碳点的制备及其细胞成像应用

发布时间：2020-03-27 23:55

【摘要】：每一种全新结构的碳材料的出现都会引起科学界以及工业界的广泛关注,比如碳纳米管、氧化石墨烯以及获得诺贝尔奖的富勒烯。碳点作为碳材料家族的一员,通常指的是尺寸小于10nm的光致发光材料,是2004年在一次制备单壁碳纳米管的副产物中被发现的。根据碳点的结构差异,碳点又被称为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米点和聚合物点等。由于优良的物理化学性质,特别是光化学稳定、生物相容性好等特点,使碳点在生物分子的分析检测和实时成像等领域中得到了广泛的应用。目前,碳点在检测与成像方面的应用方式主要在于以下三个方面:一是直接利用碳点表面与靶标分子相结合,建立碳点光学信号与靶标分子的映射关系,从而检测目标分子。二是在表面修饰上相应的靶向分子然后用于检测或成像;三是作为荧光共振能量转移(FRET)的能量供体或者受体,与其他的荧光基团或猝灭剂构建FRET系统。以上这些应用都依赖于碳点表面特殊的元素、官能团或空间结构。然而,利用常见原料和简单方法制备出来的未修饰的碳点,其理化性质难以精确控制,有效官能团通常较少。碳点的后续修饰不仅困难,而且还会造成时间与物质的大量浪费。因此非常迫切发展一种简单有效的功能化碳点的制备策略。结合实验室以往的合成经验,我们发展了元素、官能团和空间构象传递策略用于合成功能化的碳点。该策略分为三个层面,具体如下:第一,由于物质守恒,在化学反应过程中一种元素不会变为另外一种元素。因此,合成碳点的前驱体中如果有某种特殊的元素,那么在制备出的碳点中必然会出现前驱体中特殊的元素。通过调控前驱体中元素的种类,以及调控前驱体中元素的比例,可制备出特殊比例以及特殊元素掺杂的碳点。第二,由于化学键的断裂与重组都需要特定的能量和条件,我们可以通过控制合成过程中的温度、pH、氧气含量以及压强等条件在碳点合成的过程中保留特殊化学键组成的官能团。第三,由于分子的手性通常表现为碳元素中心的不对称性,而这种不对称性在碳点合成过程中不仅会对新形成化学键的空间排列产生影响,还会随着分子的缩合或偶联,保留到碳点的结构之中。并且,一种手性中心的形成还会诱导相邻碳结构产生新的手性。因此,利用具有手性的前驱体制备手性碳点是非常可行的。为了检验以上三个不同层面的传递策略,我们合成出了三种功能化的碳点,并将他们分别应用在了生物检测与成像中。具体的工作如下:1.基于元素传递策略的硼与氮共掺杂碳点的制备及其在监测致病性核酸入侵活细胞中的应用在这项工作中,基于碳点合成过程中元素传递的策略,我们分别使用含有氮元素与硼元素的分子作为碳点合成的前驱体,通过调节前驱体的比例以及反映条件,合成了硼和氮共掺杂单层片状碳点。根据碳点命名的传统,将其命名为:硼氮掺杂单层石墨烯量子点(BN-SGQDs)。理论模拟(DFT)和实验结果表明,与B掺杂,N掺杂和未掺杂相比,硼(B)和氮(N)共掺杂单层石墨烯量子点和单链DNA具有更加适当的非共价结合能力。由于硼和氮共掺杂单层石墨烯量子点优异的吸收和光致发光能力,高量子产率(QY 36.5%)及黄色荧光,可将硼和氮共掺杂单层石墨烯量子点作为荧光共振能量转移(FRET)过程中的供体,并将该FRET系统成功用于快速、选择性好、高灵敏度的致病性核酸的检测之中。此外,这种基于BN-SGQDs的传感平台,还可实时监控致病性核酸进入HeLa细胞的动态过程。这项工作表明,通过元素掺杂对碳纳米材料的性质进行调控,对于解决复杂生物系统的生物传感具有重要价值。2.基于官能团传递策略的氨基化碳点的制备及其细胞内铜离子分析成像应用基于碳点合成过程中官能团传递的策略,使用只含有氨基的聚乙烯亚胺作为碳点合成的前驱体,通过微波热解一步合成了氨基碳点。该氨基碳点具有高度稳定性和生物相容性。铜离子能够与氨基碳点表面的氨基配位结合,通过电子转移效应导致氨基碳点的荧光猝灭。该过程实现了铜离子的快速、可视化和高选择性检测。该探针对铜离子显示出宽的响应浓度范围(0.01-2μM),检测限为6.7 nM。实验不仅对铜离子动态侵入活细胞进行了可视化观察,还通过氨基化碳点表面胺基与铜离子的配位结合,氨基化碳点还可以抑制铜离子对细胞的毒性。3.基于空间结构传递策略的手性碳点的制备及其在细胞内高尔基体超长时间原位动态成像中的应用基于碳点合成过程中空间结构传递的策略,使用具有手性的L-半胱氨酸分子作为碳点合成的前驱体。通过调节反应的温度与时间,合成了具有手性的高度结晶化的球形碳点。根据碳点命名的传统与合成碳点的特征,将其命名为L-半胱氨酸碳量子点(LC-CQDs)。通过荧光、吸收、圆二色光谱等表征手段证明了在碳点合成过程中空间信息(手性)传递的特性。LC-CQDs具有优良的性质,包括高量子产率(68%),高光稳定性以及良好的生物相容性。更重要的是,LC-CQDs具有L型手性结构,含有大量巯基、具有优异的光稳定性和生物相容性,被证明非常适合于长时间高尔基原位成像能力。LC-CQDs能够通过监测高尔基体的形态变化来追踪细胞内损伤的实时过程,例如病毒感染。因此,我们观察到了在病毒感染过程中细胞从生存状态到死亡的过渡阶段,这为病毒感染早期诊断以及病毒相关药物的筛选提供了新方法。在该工作中使用的高尔基靶向和成像策略将推动高尔基体靶向药物递送,早期诊断和高尔基体相关疾病的治疗。另外,在手性碳点靶向高尔基体的基础上,我们深入的探索了基于半胱氨酸靶向高尔基体方法的本质。通过将不同数目的半胱氨酸精确的连接到荧光分子上,通过分析半胱氨酸偶联的个数与高尔基体靶向能力的关系,确认了半胱氨的多价效应对高尔基体靶向的重要性,以此为基础开发了半胱氨酸串联结构的高尔基体靶向肽,并将靶向肽应用在了高尔基体功能调节中。首先,我们将半胱氨酸靶向肽与辣根过氧化物酶系统相连,实现了高尔基体靶向的辣根过氧化物酶,基于酶催化DAB分子与双氧水体系的聚合反应,实现了高尔基体上的DAB分子的聚合,并通过反应生成的聚合物将癌细胞锁定在了细胞有丝分裂的中期。然后,我们还将高尔基体靶向肽同能量转移系统、弗林蛋白酶切割位点、以及纳米纤维多肽前体相偶联。通过高尔基体靶向肽对癌细胞高表达的转铁蛋白受体的高亲和作用,高尔基体靶向肽在癌细胞高尔基体较高的pH环境中的氧化偶联,癌细胞高尔基体高表达的弗林蛋白酶对偶联位点的切割,切割导致的荧光开关的打开以及多肽的纤维化聚集组装,实现了复合探针对癌细胞高尔基体高选择性的成像与凋亡。综上所述,本研究基于碳点合成过程中的元素、官能团与空间构象传递策略,通过简单操作分别制备了特殊元素掺杂(氮与硼),特殊官能团化(氨基),以及特定空间结构(手性)的碳点,并将它们分别其应用在了细胞内金属离子检测,核酸检测,细胞器靶向成像等方面。并且受手性碳点高尔基体靶向成像能力的启发,进行了高尔基体靶向载体的开发。本研究为功能性碳点的可控制备,以及在生化分析检测以及靶向成像中的应用提供了新思路。
【图文】：

碳纳米材料,荧光,碳纳米颗粒

1.2 研究现状1.2.1 碳点的概述图1.1 碳纳米材料的种类[3]。Figure 1.1 The classification of carbon-based nanomaterials[3].每一种全新结构的碳材料的出现都会引起科学界以及工业界的广泛关注，比如获得诺贝尔奖的富勒烯球，碳纳米管和氧化石墨烯（图 1.1）[3]。荧光碳点简称碳点（CDs），它是一种新型的碳基零维光致发光或电致发光材料。碳点的发现是出于一次偶然，Xu 等在 2004 年在制备单壁碳纳米管时使用琼脂糖凝胶电泳方法对合成产物进行分离提纯时，，在合成副产物中他们首次发现了具有光致发光（荧光）的碳纳米颗粒（图 1.2），但是由于这些碳颗粒荧光相对微弱，并未引起重视[4]。在此之后，2006 年 Sun 课题组将荧光碳纳米颗粒进行表面改性

单壁碳纳米管,点结构,球形结构,片层结构

.首先，Yang课题组在2015年根据碳点结构的差异将其分为三类，CNDs、GQDs和PDs（图1.2a）[16]。他们将GQDs（graphene quantum dots）定义为：由一层或几层石墨烯片层结构及其边缘上连接的官能团组成、具有各向异性、横向尺寸一般大于纵向高度；CNDs（carbon nano-dots）定义为：球形结构，其中两个亚类包括
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ127.11;TB383.1;O657.3

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