熒光碳點的制備及其在藥物分析中的應用.pdf

1、碳點(CarbonDots，CDs)作為新型熒光碳納米材料，具有類似量子點優(yōu)良的光致發(fā)光性能，同時具有化學惰性和良好的生物相容性。因此，碳點是潛在的可以替代量子點的良好選擇。然而，碳點的制備與應用還有一定的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下兩方面:(1)高熒光量子產(chǎn)率的碳點，其發(fā)射光顏色大多為藍色或綠色，與生物體的背景熒光相近，不利于成像研究;而發(fā)射光為紅色的碳點，其熒光量子產(chǎn)率都較低。(2)由于碳點表面基團的不確定性和缺乏多樣性，其應用依然受到限制

2、。因此，如何充分利用熒光碳點的優(yōu)良性質，將其應用在更多的領域還需進一步研究。本文主要從熒光碳點的制備出發(fā)，研究了其生物相容性，并最終將其應用于藥物分析中。論文的主要內容包括三個部分，概括如下：
　　第1部分:熒光碳點合成新方法研究。以血晶素為碳源，比較了煅燒和水熱法制備碳點的發(fā)光性質，并最終采用水熱法一步合成熒光碳點。研究發(fā)現(xiàn)，血晶素的堿性水溶液在聚四氟乙烯反應釜中，250℃下反應4h得到碳點，熒光量子產(chǎn)率達8.3％。合成的碳點不

3、僅具有良好的光致發(fā)光特性、還有較好的水溶性和光化學穩(wěn)定性。其形貌通過透射電子顯微鏡(TEM)表征，結果顯示所合成碳點為球形或類球形，粒徑分布在2-5nm，平均粒徑約為3.23nm;另外，碳點在水溶液狀態(tài)下的水合粒徑采用動態(tài)光散射(DLS)進一步表征，約為10nm。Zeta電位分析表明碳點表面帶有負電荷。高分辨透射電鏡(HRTEM)成像顯示其具有完整的晶體結構，晶格參數(shù)為0.22nm。X射線電子能譜與紅外光譜表征結果顯示碳點表面主要由C和

4、O兩種元素組成，帶有羥基和羧基官能團。此外，該碳點具有良好的光致發(fā)光性能，激發(fā)與發(fā)射光譜較為對稱，其熒光發(fā)射隨激發(fā)波長紅移而紅移且強度會發(fā)生變化，最大激發(fā)與發(fā)射分別在290nm和390nm。
　　第2部分:熒光碳點在藥物分析中的應用。這一部分主要基于碳點熒光信號的改變檢測藥物，包括四個內容:
　　1.基于小檗堿類猝滅CDs熒光檢測小檗堿類。小檗堿類是一類廣泛存在于自然界中的異奎寧生物堿，具有廣泛的藥理活性。研究發(fā)現(xiàn)小檗堿類的

5、五種成分均可以猝滅CDs的熒光，且猝滅程度隨著小檗堿類濃度的增大而增大?；诖耍瑢Ds分別用于檢測這五種小檗堿類，并在優(yōu)化的條件下分別建立了線性關系。利用此種方法檢測鹽酸小檗堿片中的鹽酸小檗堿含量，結果與標示量一致。對猝滅機理進行研究，發(fā)現(xiàn)CDs的熒光發(fā)射與五種小檗堿類的吸收均有重疊，猝滅是因為CDs與它們發(fā)生能量轉移。同時由于反應前后CDs熒光量子產(chǎn)率沒有發(fā)生變化，說明CDs與小檗堿類藥物之間發(fā)生了輻射能量轉移而導致CDs熒光的猝滅

6、。
　　2.基于藥根堿致CDs發(fā)射紅移檢測藥根堿。研究發(fā)現(xiàn)，藥根堿在堿性條件下使CDs發(fā)射峰紅移，且紅移程度隨著藥根堿濃度增大而增大。藥根堿濃度在2.30μM到414μM范圍內，位移值與濃度對數(shù)值呈良好的線性關系，方程式:Δλem=17.3logc-6.64(μM)，r=0.995(n=10)。藥根堿致CDs發(fā)射紅移的機理同樣是基于輻射能量轉移，主要是由于藥根堿的羥基在堿性條件下解離，導致吸收發(fā)生變化，與CDs的熒光發(fā)射重疊部分發(fā)

7、生變化，不同波長處猝滅程度不同，于是發(fā)射峰紅移。
　　3.基于支鏈聚乙烯亞胺鈍化的碳點（PEI-CDs，參考文獻制備）熒光恢復檢測乙酰半胱氨酸。因為銅離子能與PEI-CDs表面鈍化劑上的氨基發(fā)生配位作用，從而猝滅其熒光。但如果有乙酰半胱氨酸存在，其結構上的巰基能與銅離子作用將Cu2+還原為Cu+同時自身形成二硫鍵，從而破壞了Cu2+與PEI-CDs表面氨基之間的作用，使得PEI-CDs熒光恢復，以此建立了PEI-CDs免標記快速、

8、靈敏檢測乙酰半胱氨酸的方法。在優(yōu)化條件下，熒光恢復效率與乙酰半胱氨酸濃度在5.56μM～277.8μM范圍內呈良好的線性關系，線性方程為:I/I0=0.88+0.013c（μM），r=0.997(n=10)。
　　4.在PEI-CDs表面偶聯(lián)上FITC，基于熒光比率法檢測pH。通過熒光光譜表征證明PEI-CDs上偶聯(lián)了FITC。在pH6.4-7.2范圍內對pH有響應，線性方程如下:I520/I450=0.550+0.0252pH,

9、r=0.986。
　　第3部分:CDs生物相容性的研究。首先，研究了血晶素制備的CDs及支鏈聚乙烯亞胺鈍化的碳點（PEI-CDs，根據(jù)文獻制備）和CTAB-CDs（本實驗室以富勒烯為碳源，CTAB為鈍化劑制備）的細胞毒性。結果發(fā)現(xiàn)由血晶素制備的羥基碳點濃度高達5mg/mL時也不會對細胞造成明顯毒性;但PEI-CDs濃度大于2mg/mL可見明顯的細胞毒性，且細胞存活率比同濃度PEI存在時低，這是由于在PEI-CDs制備過程中有受熱，

10、可能導致PEI進一步聚合從而增大了其毒性;CTAB作為陽離子表面活性劑，其細胞毒性為眾人所知，CTAB-CDs的毒性相對最強，達到0.003mg/mL細胞存活率即降低至30％。說明碳點本身細胞毒性很低，其細胞毒性最終取決于CDs表面鈍化劑的毒性作用。另外以斑馬魚和豆芽為模式生物，考察了CDs和PEI-CDs對于動植物活體生物生長的影響。在0.05mg/mLCDs和PEI-CDs溶液中，均未發(fā)現(xiàn)有斑馬魚胚胎孵化延遲效應和胚胎發(fā)育畸形;通過

11、數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)在0.05mg/mLCDs和PEI-CDs溶液中斑馬魚仔魚死亡率與對照組沒有明顯差異。CDs濃度小于0.005mg/mL時不會對豆芽的生長產(chǎn)生明顯的阻礙，而濃度為20mg/mL時培養(yǎng)的豆芽根莖長則與對照組有明顯差異。PEI-CDs濃度小于0.05mg/mL沒有明顯差異，大于0.2mg/mL則培養(yǎng)的豆芽根莖長與對照組有明顯的差異。這些結果說明，碳點本身具有良好的生物相容性，其毒性最終取決于CDs表面鈍化劑的毒性強弱。