磷、硫掺杂碳点的制备及其在药物分析与细胞成像中的应用研究

摘要

近年来，碳点(Carbon Dots, CDs)以其优越的光电性质、良好的生物相容性而成为碳材料家族中的明星材料，并在分析传感、细胞成像和能源催化等领域展现出了巨大的应用潜力。然而，目前报道的大部分碳点存在量子产率偏低、发射波长较短、难以进行修饰等缺点，使其在许多方向如药物分析、生物成像、载药诊疗中的进一步应用面临挑战。基于此，本文从碳源的筛选和碳点的制备出发，通过成功合成光学性质优良的杂原子掺杂的碳点，充分探讨其发光机理、生物相容性，并最终将其用于药物检测与细胞成像。
　　本研究主要内容包括：⑴以柠檬酸(CA)为碳源，谷胱甘肽(GSH)为氮源(N)和硫源(S)，一步微波法合成了荧光量子产率高达46.9％的碳点。通过表征碳点的形貌和结构，探讨了碳点的形成过程与发光机理，并充分考察了碳点的理化性质。结果表明，该碳点的激发波长不依赖发射波长，且具有生物相容性好、抗盐和抗光漂白等优点，可作为性质优良的荧光探针用于分析检测。更重要的是，碳点的激发波长与药物分子四环素的吸收波长几乎完全重叠，同时四环素具有较大的摩尔吸光系数，因此可基于内滤效应(IFE)实现对四环素高选择性高灵敏度的检测。碳点的荧光强度变化值(F0/F)与四环素的浓度呈良好线性关系，线性范围为2μM-150μM，检测限为0.52μM。最后，将该碳点负载于静电纺丝中，对固相中的四环素进行了识别，具有良好的选择性。相比于其他基于光诱导电子转移(PET)或者荧光共振能转移(FRET)建立起的分析方法，IFE更为简单、方便与经济。⑵以聚乙烯亚胺(PEI)和维生素 C(AA)为碳源，通过酸氧化法在低温下合成了聚合物碳点(PCDs)。通过对PCDs的表面官能团、结构等性质进行分析，发现PCDs的碳核由 AA形成，表面还残留大量的 PEI分子，因而带有正电荷，能与亚硝酸根(NO-2)发生氧化还原反应使得PCDs的荧光猝灭。基于此，本工作根据 PCDs荧光降低实现了对 NO-2的定量检测，并且方法具有高度选择性，其他十几种常见的阴阳离子均不干扰检测结果。随后，将PCDs用于细胞成像发现其通过溶酶体在细胞内进行运输，最终富集于细胞核周区域即微管组织中心(MTOC)，并且还可在细胞复杂的环境中对NO-2入侵细胞进行成像。PCDs拓展了碳点在阴离子检测中的应用，并为今后聚合物点应用于细胞成像与载药奠定了基础。⑶以邻苯二胺(OPD)为碳源，水热法合成黄色发射的碳点(OPD-CDs)，通过红外、XPS等表征方法确定OPD-CDs表面带有大量的氨基(-NH2)，并通过一系列的实验证实铜离子(Cu2+)的确能与OPD-CDs的氨基配位，形成Cu-N键，使得碳点聚集，同时OPD-CDs的荧光显著增强。基于聚集诱导荧光增强现象(AIEE)对Cu2+进行了高选择性、高灵敏度地检测。而药物分子GSH与Cu2+具有更强的结合能力，可将Cu2+从OPD-CDs表面竞争下来，导致OPD-CDs的荧光强度恢复。由此，构建了一个由AIEE介导的“开-关”(“on-off”)策略实现对Cu2+和GSH的同时检测。⑷通过筛选合适的原料，制备出高量子产率、长波长发射、生物相容性好的碳点；充分探讨了碳点的光学性质，并建立了对四环素、谷胱甘肽等药物分子的分析检测方法，同时，也将碳点应用于细胞成像，分析了碳点在细胞中的运动与分布情况。总之，本工作对于今后高量子产率碳点的制备，并拓展其在药物分析与细胞成像中的应用具有一定的参考价值。

目录

声明

缩写符号对照表

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 碳点的概述

1.3 碳点的制备方法

1.4 碳点的基本性质

1.5 碳点的应用

1.6 存在的问题

1.7 研究出发点与研究目标

1.8 研究内容和技术路线

第2章 合成氮、硫掺杂的碳点用于盐酸四环素的检测

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

第3章 氮、磷掺杂的聚合物碳点用于亚硝酸根的检测与细胞成像的研究

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 小结

第4章 黄色发射碳点的合成及其用于铜离子和谷胱甘肽的检测

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4 结论

第5章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 前景展望

参考文献

硕士期间科研成果

致谢