【摘要】：每一種全新結(jié)構(gòu)的碳材料的出現(xiàn)都會引起科學(xué)界以及工業(yè)界的廣泛關(guān)注,比如碳納米管、氧化石墨烯以及獲得諾貝爾獎的富勒烯。碳點作為碳材料家族的一員,通常指的是尺寸小于10nm的光致發(fā)光材料,是2004年在一次制備單壁碳納米管的副產(chǎn)物中被發(fā)現(xiàn)的。根據(jù)碳點的結(jié)構(gòu)差異,碳點又被稱為碳量子點、石墨烯量子點、碳納米點和聚合物點等。由于優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì),特別是光化學(xué)穩(wěn)定、生物相容性好等特點,使碳點在生物分子的分析檢測和實時成像等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。目前,碳點在檢測與成像方面的應(yīng)用方式主要在于以下三個方面:一是直接利用碳點表面與靶標(biāo)分子相結(jié)合,建立碳點光學(xué)信號與靶標(biāo)分子的映射關(guān)系,從而檢測目標(biāo)分子。二是在表面修飾上相應(yīng)的靶向分子然后用于檢測或成像;三是作為熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)的能量供體或者受體,與其他的熒光基團或猝滅劑構(gòu)建FRET系統(tǒng)。以上這些應(yīng)用都依賴于碳點表面特殊的元素、官能團或空間結(jié)構(gòu)。然而,利用常見原料和簡單方法制備出來的未修飾的碳點,其理化性質(zhì)難以精確控制,有效官能團通常較少。碳點的后續(xù)修飾不僅困難,而且還會造成時間與物質(zhì)的大量浪費。因此非常迫切發(fā)展一種簡單有效的功能化碳點的制備策略。結(jié)合實驗室以往的合成經(jīng)驗,我們發(fā)展了元素、官能團和空間構(gòu)象傳遞策略用于合成功能化的碳點。該策略分為三個層面,具體如下:第一,由于物質(zhì)守恒,在化學(xué)反應(yīng)過程中一種元素不會變?yōu)榱硗庖环N元素。因此,合成碳點的前驅(qū)體中如果有某種特殊的元素,那么在制備出的碳點中必然會出現(xiàn)前驅(qū)體中特殊的元素。通過調(diào)控前驅(qū)體中元素的種類,以及調(diào)控前驅(qū)體中元素的比例,可制備出特殊比例以及特殊元素?fù)诫s的碳點。第二,由于化學(xué)鍵的斷裂與重組都需要特定的能量和條件,我們可以通過控制合成過程中的溫度、pH、氧氣含量以及壓強等條件在碳點合成的過程中保留特殊化學(xué)鍵組成的官能團。第三,由于分子的手性通常表現(xiàn)為碳元素中心的不對稱性,而這種不對稱性在碳點合成過程中不僅會對新形成化學(xué)鍵的空間排列產(chǎn)生影響,還會隨著分子的縮合或偶聯(lián),保留到碳點的結(jié)構(gòu)之中。并且,一種手性中心的形成還會誘導(dǎo)相鄰碳結(jié)構(gòu)產(chǎn)生新的手性。因此,利用具有手性的前驅(qū)體制備手性碳點是非�？尚械摹榱藱z驗以上三個不同層面的傳遞策略,我們合成出了三種功能化的碳點,并將他們分別應(yīng)用在了生物檢測與成像中。具體的工作如下:1.基于元素傳遞策略的硼與氮共摻雜碳點的制備及其在監(jiān)測致病性核酸入侵活細(xì)胞中的應(yīng)用在這項工作中,基于碳點合成過程中元素傳遞的策略,我們分別使用含有氮元素與硼元素的分子作為碳點合成的前驅(qū)體,通過調(diào)節(jié)前驅(qū)體的比例以及反映條件,合成了硼和氮共摻雜單層片狀碳點。根據(jù)碳點命名的傳統(tǒng),將其命名為:硼氮摻雜單層石墨烯量子點(BN-SGQDs)。理論模擬(DFT)和實驗結(jié)果表明,與B摻雜,N摻雜和未摻雜相比,硼(B)和氮(N)共摻雜單層石墨烯量子點和單鏈DNA具有更加適當(dāng)?shù)姆枪矁r結(jié)合能力。由于硼和氮共摻雜單層石墨烯量子點優(yōu)異的吸收和光致發(fā)光能力,高量子產(chǎn)率(QY 36.5%)及黃色熒光,可將硼和氮共摻雜單層石墨烯量子點作為熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)過程中的供體,并將該FRET系統(tǒng)成功用于快速、選擇性好、高靈敏度的致病性核酸的檢測之中。此外,這種基于BN-SGQDs的傳感平臺,還可實時監(jiān)控致病性核酸進入HeLa細(xì)胞的動態(tài)過程。這項工作表明,通過元素?fù)诫s對碳納米材料的性質(zhì)進行調(diào)控,對于解決復(fù)雜生物系統(tǒng)的生物傳感具有重要價值。2.基于官能團傳遞策略的氨基化碳點的制備及其細(xì)胞內(nèi)銅離子分析成像應(yīng)用基于碳點合成過程中官能團傳遞的策略,使用只含有氨基的聚乙烯亞胺作為碳點合成的前驅(qū)體,通過微波熱解一步合成了氨基碳點。該氨基碳點具有高度穩(wěn)定性和生物相容性。銅離子能夠與氨基碳點表面的氨基配位結(jié)合,通過電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)導(dǎo)致氨基碳點的熒光猝滅。該過程實現(xiàn)了銅離子的快速、可視化和高選擇性檢測。該探針對銅離子顯示出寬的響應(yīng)濃度范圍(0.01-2μM),檢測限為6.7 nM。實驗不僅對銅離子動態(tài)侵入活細(xì)胞進行了可視化觀察,還通過氨基化碳點表面胺基與銅離子的配位結(jié)合,氨基化碳點還可以抑制銅離子對細(xì)胞的毒性。3.基于空間結(jié)構(gòu)傳遞策略的手性碳點的制備及其在細(xì)胞內(nèi)高爾基體超長時間原位動態(tài)成像中的應(yīng)用基于碳點合成過程中空間結(jié)構(gòu)傳遞的策略,使用具有手性的L-半胱氨酸分子作為碳點合成的前驅(qū)體。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)的溫度與時間,合成了具有手性的高度結(jié)晶化的球形碳點。根據(jù)碳點命名的傳統(tǒng)與合成碳點的特征,將其命名為L-半胱氨酸碳量子點(LC-CQDs)。通過熒光、吸收、圓二色光譜等表征手段證明了在碳點合成過程中空間信息(手性)傳遞的特性。LC-CQDs具有優(yōu)良的性質(zhì),包括高量子產(chǎn)率(68%),高光穩(wěn)定性以及良好的生物相容性。更重要的是,LC-CQDs具有L型手性結(jié)構(gòu),含有大量巰基、具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性和生物相容性,被證明非常適合于長時間高爾基原位成像能力。LC-CQDs能夠通過監(jiān)測高爾基體的形態(tài)變化來追蹤細(xì)胞內(nèi)損傷的實時過程,例如病毒感染。因此,我們觀察到了在病毒感染過程中細(xì)胞從生存狀態(tài)到死亡的過渡階段,這為病毒感染早期診斷以及病毒相關(guān)藥物的篩選提供了新方法。在該工作中使用的高爾基靶向和成像策略將推動高爾基體靶向藥物遞送,早期診斷和高爾基體相關(guān)疾病的治療。另外,在手性碳點靶向高爾基體的基礎(chǔ)上,我們深入的探索了基于半胱氨酸靶向高爾基體方法的本質(zhì)。通過將不同數(shù)目的半胱氨酸精確的連接到熒光分子上,通過分析半胱氨酸偶聯(lián)的個數(shù)與高爾基體靶向能力的關(guān)系,確認(rèn)了半胱氨的多價效應(yīng)對高爾基體靶向的重要性,以此為基礎(chǔ)開發(fā)了半胱氨酸串聯(lián)結(jié)構(gòu)的高爾基體靶向肽,并將靶向肽應(yīng)用在了高爾基體功能調(diào)節(jié)中。首先,我們將半胱氨酸靶向肽與辣根過氧化物酶系統(tǒng)相連,實現(xiàn)了高爾基體靶向的辣根過氧化物酶,基于酶催化DAB分子與雙氧水體系的聚合反應(yīng),實現(xiàn)了高爾基體上的DAB分子的聚合,并通過反應(yīng)生成的聚合物將癌細(xì)胞鎖定在了細(xì)胞有絲分裂的中期。然后,我們還將高爾基體靶向肽同能量轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、弗林蛋白酶切割位點、以及納米纖維多肽前體相偶聯(lián)。通過高爾基體靶向肽對癌細(xì)胞高表達的轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的高親和作用,高爾基體靶向肽在癌細(xì)胞高爾基體較高的pH環(huán)境中的氧化偶聯(lián),癌細(xì)胞高爾基體高表達的弗林蛋白酶對偶聯(lián)位點的切割,切割導(dǎo)致的熒光開關(guān)的打開以及多肽的纖維化聚集組裝,實現(xiàn)了復(fù)合探針對癌細(xì)胞高爾基體高選擇性的成像與凋亡。綜上所述,本研究基于碳點合成過程中的元素、官能團與空間構(gòu)象傳遞策略,通過簡單操作分別制備了特殊元素?fù)诫s(氮與硼),特殊官能團化(氨基),以及特定空間結(jié)構(gòu)(手性)的碳點,并將它們分別其應(yīng)用在了細(xì)胞內(nèi)金屬離子檢測,核酸檢測,細(xì)胞器靶向成像等方面。并且受手性碳點高爾基體靶向成像能力的啟發(fā),進行了高爾基體靶向載體的開發(fā)。本研究為功能性碳點的可控制備,以及在生化分析檢測以及靶向成像中的應(yīng)用提供了新思路。
【圖文】：

1.2 研究現(xiàn)狀1.2.1 碳點的概述圖1.1 碳納米材料的種類[3]。Figure 1.1 The classification of carbon-based nanomaterials[3].每一種全新結(jié)構(gòu)的碳材料的出現(xiàn)都會引起科學(xué)界以及工業(yè)界的廣泛關(guān)注，比如獲得諾貝爾獎的富勒烯球，碳納米管和氧化石墨烯（圖 1.1）[3]。熒光碳點簡稱碳點（CDs），它是一種新型的碳基零維光致發(fā)光或電致發(fā)光材料。碳點的發(fā)現(xiàn)是出于一次偶然，Xu 等在 2004 年在制備單壁碳納米管時使用瓊脂糖凝膠電泳方法對合成產(chǎn)物進行分離提純時，，在合成副產(chǎn)物中他們首次發(fā)現(xiàn)了具有光致發(fā)光（熒光）的碳納米顆粒（圖 1.2），但是由于這些碳顆粒熒光相對微弱，并未引起重視[4]。在此之后，2006 年 Sun 課題組將熒光碳納米顆粒進行表面改性

.首先，Yang課題組在2015年根據(jù)碳點結(jié)構(gòu)的差異將其分為三類，CNDs、GQDs和PDs（圖1.2a）[16]。他們將GQDs（graphene quantum dots）定義為：由一層或幾層石墨烯片層結(jié)構(gòu)及其邊緣上連接的官能團組成、具有各向異性、橫向尺寸一般大于縱向高度；CNDs（carbon nano-dots）定義為：球形結(jié)構(gòu)，其中兩個亞類包括
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ127.11;TB383.1;O657.3

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本文編號：2603584