碳量子点的发光机理及其在药物分析中的应用研究

摘要

药物分析是一门研究和发展药品全面质量控制的学科，主要研究药物及其制剂的质量控制方法。传统的药物分析学科中应用较多的方法除了化学和物理分析方法之外还有仪器分析方法，例如生物质谱、色谱、红外分析等。而药物光谱分析因其高灵敏度、高选择性、探针易合成、仪器操作简便等优势在近年来得到了广泛的应用。在众多作为药物分析的荧光探针中，碳点(carbon dots, CDs)，包括碳纳米点(carbon nanodots, CNDs)、碳量子点(carbon quantum dots, CQDs)以及石墨烯量子点(graphene quantum dots, GQDs)，因其具有良好的生物相容性、好的抗光漂白能力，是一类性能极其优良的药物分析，包括生物体内药物代谢、长时间生物成像的荧光探针。然而，大部分碳点的量子产率低，发射波长短，应用局限等缺点极大地限制了其在药物分析领域的应用。因此，研究碳点的发光机理对于如何提高碳点的量子产率、合成具有长波长发射的荧光碳点对于将碳点应用于药物分析领域具有一定的推动作用。目前解决这些问题的方法有很多，主要是从原料进行筛选，通过掺杂等手段使碳点达到高量子产率、长波长发射及其功能化等目的。本文则独辟蹊径，从合成碳点后再对其改性入手，提高碳点的量子产率，通过精确的分离途径得到长波长发射的碳点，通过改变合成方法，提高合成温度实现碳点的多功能化，并最终将这些具有优越性能的碳点用于药物分析以及成像等方面。
　　本研究主要内容包括：⑴通过原料的筛选，选择富含酚羟基的鞣酸作为单一碳源，水热法一步合成得到相对量子产率为7.16％的 CQDs。通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、动态光散射（DLS）等方式证实该CQDs为分散良好的近似于球型的纳米颗粒。傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱（XPS）以及拉曼光谱（Raman）等分析结果表明该CQDs表面富含羟基。该CQDs的最大激发和最大发射波长分为350 nm和455 nm，并且具有发射波长随机发波长改变而改变（ Excitation-Dependent-Emission）的性质。在研究该CQDs的发光性质时，我们发现将CQDs溶解于不同的有机溶剂，其发光强度会随着溶剂的介电常数的变化而变化，当其处于80%的四氢呋喃(THF)/水溶液中时，其相对荧光量子产率值可以达到42.65%。进一步的实验证实了碳量子点的荧光增强的原因为聚集，聚集导致其表面官能团的旋转振动受阻，进而显著降低了非辐射能量衰减，增强了辐射能量的跃迁过程。后续的实验发现使用其他方法来限制CQDs表面官能团的旋转振动亦能够有效的提高CQDs的发光效率。目前关于CQDs的AIEE性质的研究尚且较少，而利用具有AIEE性质的CQDs用于检测药物残留物中的有机溶剂则为首次报道。⑵以苝-3,4,9,10-四羧酸二酐和三乙胺为原料，通过水热法一步合成具有超高量子产率的碳量子点，发现其激发峰和发射峰均较宽。后通过硅胶柱仔细分离，得到具有从蓝色到近红外发光的一系列组分。利用HRTEM、XPS、Raman等仪器对所得组分进行粒径以及官能团的分析，发现当控制其粒径大小相同时，其发光波长相近，但由于表面官能团的改变，其发射波长仍然有位移。当其具有相似的sp2/sp3比例，即具有相似的核壳结构时，其发射波长随着粒径的增大有明显红移。此结果通过密度泛函理论（DFT）模拟计算同样被证实。经过探究，通过测定碳点的荧光寿命，计算辐射跃迁速率常数，确定其发光机理为电子跃迁，而非激子辐射。因长波长发射荧光对生物体伤害小，且穿透性强，因此分离得到的长波长发射组分在对生物体进行实时成像分析中具有潜在应用价值。⑶用Na2[Cu(EDTA)]和抗坏血酸(AA)为原料，在250 oC下热解法一步合成Cu(I)掺杂的碳量子点，由于热解合成温度很高因此容易形成锯齿状边缘的碳量子点，而锯齿状边缘的形成能够提高碳量子点的活化能，有利于Cu(I)的稳定存在。另外，合成的碳量子点由于电子与空穴对的分离与复合在合适的激发光条件下能够发射出荧光，其激发和发射波长分别为430 nm和515 nm，所需的激发波长能量低于紫外灯能量。因此在用紫外灯照射时，电子从空穴中游离出来，不再回到空穴中。形成的空穴带正电，与Cu(I)发生竞争作用，在此作用下Cu(I)能够从碳量子点中释放出来。在催化反应体系中，加入Cu(I)掺杂的碳量子点作为催化剂，用紫外光作为催化开关，释放的 Cu(I)能够催化“点击化学”中的叠氮炔基的环加成反应，反应效率能够达到78%。而通常在我们的载药以及药物释放过程中都需要纳米粒子与药物分子的偶联，此时可将碳量子点作为偶联的催化剂，降低了生物毒性。⑷将合成的碳量子点进行后期修饰，使其表面带有炔基。然后利用第三部分合成的碳点作为催化剂，将一端修饰有叠氮基的aptamer偶联到碳点表面。通过一定的分离步骤，纯化偶联有 aptamer的碳点，将此种复合材料用于细胞成像。这部分实验解决了碳点修饰难、应用局限的问题，同时将不具有荧光的aptamer和不具有靶向能力的碳量子点结合起来，使复合材料同时具有两者的优点。为碳点在生物成像分析领域的应用打下基础。

目录

声明

缩写符号对照表

第1章 选题依据

1.1 研究意义

1.2 碳点概述

1.3 国内外研究现状

1.4 存在的主要问题及解决方案

1.5 研究内容和技术路线

1.6 可行性分析

第2章 聚集诱导荧光增强的碳点

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 高量子产率碳量子点发光机理探讨

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 Cu(I)掺杂碳点催化1,3-偶极环加成反应

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 碳点的点击化学修饰用于细胞膜靶向成像

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 论文的创新点

6.3 展望

参考文献

硕士期间科研成果

论文发表

承担项目

致谢