光学活性碳点的制备及分析应用研究

发布时间：2020-05-26 18:24

【摘要】：手性是一种拥有不重叠镜像的非对称结构。由于其在分子识别和疾病诊断中有着至关重要的作用,因此在化学、材料科学等领域,特别是药学领域受到研究者的广泛关注。近年来,纳米尺度上的手性研究引起了人们的注意,方向主要集中在手性金属纳米颗粒(metal nanoparticles,MNPs)、手性纳米棒(nanorods)和部分手性无机半导体量子点(inorganic semiconductor quantum dots)上。碳点(carbon dots,CDs),自2004年发现以来,由于其容易制备、良好的光稳定性、低毒性和环境友好等性质特点,而备受关注。然而,关于手性发光碳材料尤其是手性CDs的报道却很少。我们预想,当CDs被赋予手性,它将展现更加奇妙的性质,并作为桥梁将材料化学和生命科学紧密联系在一起。因此,本文阐述了一种简单通用的方法——两步碳化法,运用功能性手性配体分子青霉胺(penicillamine,Pen),使CDs表面钝化,从而制备出具有光学活性的手性CDs。在理论和实验的基础上,进一步讨论了手性产生的机制,并利用手性CDs作为光学探针,实现了高尔基体靶向和抗生素药物的检测。具体的研究内容包括以下三个方面:1两步碳化法:一种通用策略制备手性碳点本文阐述了一种简单、通用的方法:两步碳化法,即在非手性碳核表面,通过手性分子的表面钝化,去获得手性CDs。具体内容包括,分别合成了两对具有手性光学活性的CDs——青霉胺-柠檬酸碳点(Pen-CA CDs)和青霉胺-酒石酸碳点(Pen-TA CDs)。首先以柠檬酸(citric acid,CA)作为碳源,第一步高温碳化形成非手性碳核,第二步用一对对映体分子L或D-Pen钝化碳核表面,进而得到目标产物L-Pen-CA CDs和D-Pen-CA CDs。接着考察它们的光学活性,数据表明,该CDs不仅具有较强的手性光学活性还具有较高的荧光量子产率(quantum yield,QY),分别为49.2%和52.7%。结合文献报道,以邻位效应模型理论解释L-Pen-CA CDs和D-Pen-CA CDs的手性来源。为了考察该方法的通用性,又利用酒石酸对映体分子(tartaric acid,TA)作为碳源,L或D-Pen为手性配体,运用相同的方法成功制备了L-Pen-D-TA CDs和D-Pen-L-TA CDs,考察了其光学性质,讨论了Pen-TA CDs的手性来源问题。2 Pen-CA CDs的生物学效应及成像研究对制备的手性Pen-CA CDs进行了生物学效应考察和成像研究,以观察其手性依赖性应用。实验结果表明,L-Pen-CA CDs和D-Pen-CA CDs两者的细胞毒性都很低,但可见一定的手性依赖效应,即D-Pen-CA CDs比L-Pen-CA CDs有着更低的细胞毒性。在亚细胞器定位实验中发现,L-Pen-CA CDs和D-Pen-CA CDs均具有特异性靶向高尔基体的作用,虽然二者区别并不明显,但D-Pen-CA CDs具有相对较高的靶向效应。在相同方法下制备的、无手性光学活性的消旋-青霉胺-柠檬酸碳点(rac-Pen-CA CDs)没有显示出靶向能力,表明靶向作用与分子的手性构型有关。同时以不含巯基的手性光学活性丙氨酸-柠檬酸碳点(L-Ala-CA CDs和D-Ala-CA CDs)做了对照实验,结果表明,丙氨酸-柠檬酸碳点对映体均不具有高尔基体特异性靶向作用;而用手性配体Pen做的竞争性抑制实验表明,Pen可以明显抑制D-Pen-CA CDs和L-Pen-CA CDs的高尔基体靶向作用,说明手性配体Pen及分子中的巯基在高尔基体特异性靶向作用中发挥重要作用。研究结果为实时观察高尔基体形态提供了一个新的途径,可对设计靶向高尔基体的药物提供新的思路。3 Pen-TA CDs用于强力霉素的检测对合成的L-Pen-D-TA CDs进行了光学性质考察,结果表明,该CDs具有激发波长依赖的发射性质,具有较强的光稳定性、盐稳定性、pH稳定性和抗氧化能力,可作为荧光探针用于药物检测。强力霉素(Doxycycline,Dox),是一类广谱的抗生素,广泛用于呼吸道感染、尿路感染的治疗,其吸收光谱与L-Pen-D-TA CDs的激发光谱能够很好的重叠,因此,我们基于内滤效应,以L-Pen-D-TA CDs为荧光探针,建立了对Dox高选择性、高灵敏度的检测。该CDs荧光强度变化比值的对数(ln(F_0/F))与Dox的浓度在2.0μM-200μM范围内呈良好线性关系,检测限为0.86μM(3σ),实现了实际样品牛奶中Dox的检测。综上,本文运用两步碳化法,合成了两对具有手性光学活性的CDs,研究了其光学性质,探讨了CDs的手性来源,发现L-Pen-CA CDs和D-Pen-CA CDs均具有特异性靶向高尔基体的作用,L-Pen-D-TA CDs可作为荧光探针,用于强力霉素的高选择性、高灵敏度检测。以上结果对于深入探究手性光学活性碳纳米材料的性质,进一步拓展其在成像与药物检测方面的应用上,有着一定的参考价值。
【图文】：

CD光谱,条带,手性

)AgNCs 分离后，各部分条带的 CD 光谱。每个条带的 L-Pen 包被的 AgN被的 AgNCs (红) 均呈现镜像对称的关系。rac-Pen 包被的 AgNCs (黑) 无re 1-2 (a) CD spectra of each numbered silver nanoclusters compound. Mirror ationship in the CD signals between each numbered L-Pen-capped (green curveapped (red curve) silver nanoclusters can be seen. No CD signals were obtainedthe rac-Pen-capped silver nanoclusters (black curve).性无机半导体纳米颗粒手性 MNCs，手性无机半导体纳米颗粒 (semiconductor nanopa较晚。2007 年，Moloney 等人[52]首次报道，在微波加热的情况下n 为包被剂，制备了手性 CdS QDs。Han 等人[53]报道了环糊S QDs，，可以通过荧光信号的增强来检测色氨酸 (tryptophan, Tyhionine, Met)。有趣的是，手性 CdSe/ZnS QDs 的荧光信号对不同有着明显的差异。当 L-Tyr 存在时，β-环糊精包被的 QDs 的荧%，而 D-Tyr 存在时，只增强了 8%，即 L-Tyr 增强的荧光信号值。同样，α-环糊精包被的 QDs 与 L- Met 相互作用后，荧光信号显

纳米纤维,手性,CD光谱,碳纳米材料

因此，发展低毒、生物相容性好的新型手性发光显得尤为重要。1.4 手性碳纳米材料碳纳米材料 (carbon nanomaterials) 是一类主要由 sp2和 sp3杂化碳原子构材料，最早始于 Smalley 等人[58]发现的富勒烯 (fullerene)。由于其特殊的、电学、光学和机械等性质，使得碳纳米材料广泛应用于传感、生物医化、能量储存和转换等领域，特别是将其适当的功能化后，碳纳米材料建高性能的电化学传感器，在医疗诊断和治疗方面有广阔的应用前景[5的碳纳米材料包括富勒烯[63]、碳点[64]、碳纳米管[65]、石墨烯[66]等。近年碳纳米材料开始受到人们的关注。2015 年，Zhang 团队[67]以多种超薄的一维和二维纳米材料为原料，在聚中剧烈的搅拌下，通过自组装的方法制备手性纳米纤维 (chiral nanofibers子显微镜 (scanning electron microscope, SEM) 和原子力显微镜 (atomicroscopy, AFM) 显示了纳米纤维的螺旋结构，CD 光谱展现了纳米纤维的手性，如图 1-3 和 1-4 所示。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11

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