杂原子掺杂碳点的绿色合成及其生物应用

摘要

2004年，科学家发现了一种新型的不含重金属的荧光纳米材料——碳点。由于碳点毒性低，绿色环保，合成方法简单且成本低，自发现以来，就备受研究者的青睐。碳点所呈现出的独特的光学和物理化学性质推动了新型成像探针技术和生物传感平台的发展。本论文研究中选用不同的绿色原料，通过温和、简单的一步反应，制得了杂原子掺杂的发光性能优异的碳点，并考查了其作为荧光探针在细胞成像中的应用。本论文的主要内容如下:
　　(1)以廉价易得的蔬菜(上海青)作为原料，采用一步水热合成法成功制得氮原子掺杂碳点，碳点分散均匀，平均粒径为1.8 nm，发光性能好，量子产率高。红外光谱和光电子能谱分析显示，碳点表面富含-COOH，-OH和-NH2，使得碳点具有很好的水溶性。金属离子响应实验表明，该碳点无需进一步修饰就可以实现对铜离子的选择性检测。MTT实验结果证明，该碳点对细胞几乎是无毒的。我们将碳点溶液处理后的大肠杆菌细胞和HeLa细胞置于荧光显微镜下观察，激光共聚焦成像结果证实了碳点作为生物成像剂的可行性。
　　(2)以银杏叶作为原料，通过简便的一步水热碳化得到了氮硫共掺杂碳点。我们对反应温度进行了优化，并对优化后制得的碳点进行了性能表征。TEM结果显示，我们合成的碳点平均粒径为2.22 nm，晶格间距为0.202 nm。红外光谱和XPS数据显示，碳点中成功掺入了氮元素和硫元素。当碳点溶液的pH和离子强度发生变化时，其荧光强度并未发生明显的改变。碳点的细胞毒性测试结果显示，随着碳点浓度的增加，细胞存活率并没有明显降低。最后，我们将碳点溶液用于HeLa细胞和KYSE410细胞成像，结果表明，银杏叶合成的碳点溶液适于用作荧光探针，进行生物成像。
　　(3)以银杏果作为单一碳源，水作为溶剂，无需额外添加表面钝化剂，分别使用微波法和水热法制得杂原子掺杂碳点。我们比较了微波法和水热法得到的产物的发光性能及粒径、形貌差异，发现微波合成产物平均粒径为2.82 nm，晶格间距为0.23 nm;水热合成产物平均粒径为3.81 nm，晶格间距为0.21 nm。TEM图显示，微波和水热合成产物分散性都较好，而水热合成产物的形貌更加规则。荧光图谱显示，水热合成产物拥有更好的荧光发光特性。因此，我们对发光性能更好的水热反应产物进行了TEM、FT-IR、XPS、荧光、紫外等一系列表征，并考查了银杏果水热合成产物作为荧光探针的稳定性和细胞毒性。最后，我们以HeLa细胞和KYSE410细胞作为细胞模型，考查了银杏果水热反应得到的碳点在细胞成像中的应用。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 碳点

1．3 碳点的合成

1．3．1 电弧放电法

1．3．2 激光消融法

1．3．3 电化学法

1．3．4 燃烧／热解法

1．3．5 模板法

1．3．6 微波法

1．3．7 水热法

1．4 碳点的性质

1．4．1 光学性质

1．4．2 光致电子转移和氧化还原性质

1．4．3 细胞毒性

1．5 碳点的应用

1．5．1 化学传感

1．5．2 生物传感

1．5．3 生物成像

1．5．4 医学应用

1．6 本论文的选题背景及主要研究内容

1．6．1 选题背景

1．6．2 主要研究内容

第二章 氮原子掺杂碳点的绿色合成及其应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 碳点的制备

2．2．4 量子产率的测定

2．2．5 铜离子的测定

2．2．6 细胞毒性测试

2．2．7 细胞成像实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 蔬菜合成的氮掺杂碳点的表征

2．3．2 对金属离子的选择性测定

2．3．3 细胞毒性和细胞成像应用

2．4 小结

第三章 氮硫共掺杂碳点的一步水热合成及生物成像应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 实验方法

3．2．3 实验表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 银杏叶合成碳点的表征

3．3．2 银杏叶合成碳点的细胞毒性及细胞成像

3．4 小结

第四章 银杏果绿色合成氮掺杂碳点及细胞成像应用

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 实验方法

4．2．3 实验表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 银杏果合成的碳点的光谱表征

4．3．2 银杏果合成的碳点的TEM表征

4．3．3 银杏果水热合成的碳点的红外光谱和X射线光电子能谱分析

4．3．4 银杏果水热合成的碳点的荧光稳定性

4．3．5 银杏果水热合成的碳点的细胞毒性及其细胞成像应用

4．4 小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明