核桃壳基碳量子点的荧光特性及其在MG-63细胞中的成像研究

摘要

近年来，随着纳米技术和生物科技的迅速发展，生物成像技术作为疾病诊断和治疗领域中一种高效方法形象真实反映细胞的状态而得到广泛关注。碳量子点（Carbon Quantum Dots,CQDs)是一种新型的荧光材料，因其突出的荧光效应、稳定性以及表面易修饰性等特点，尤其是其优越的生物相容性，被认为是可以替代金属半导体荧光染料的有力替选材料之一。然而，有关CQDs制备及性能的研究还处于初步阶段，其发光机理等问题也未得到全面认可。现在流行的制备方法大多是从传统半导体材料或其他碳纳米材料中继承，选取合适的碳源材料，简化制备方法最终得到性能可控的CQDs是研究者们努力的研究方向。本文主要基于化学切割原理，建立两种不同碳源材料制备CQDs的工艺路线，并对比分析影响其性能的环境因素，着重分析了核桃壳基CQDs在细胞成像上的应用。
　　具体研究内容包括以下四个部分：
　　1)一步碳化处理获得含碳量80％以上、具备相对完整碳网结构的碳化核桃売，可作为生物质基碳源材料。利用废弃核桃壳为原料,通过简单的一步碳化预处理获得含碳量84%、具备碳网结构的多孔碳化核桃壳，并探索了在碳化过程中原料微观结构的演变，为制备荧光CQDs提供了一种新的生物质基原材料；
　　2)设计了一种化学切割方法，从碳化核桃売中获取具有突出荧光效果的核桃売基CQDs，展现了良好的稳定性和突出的上转换效应。核桃壳基CQDs平均尺寸在5nm以下，高分辨率透射电镜下明显观察到晶格条纹，晶面间距为0.258nm,对应类石墨的sp2碳的（102)面；单个CQDs可以具有zigzag和armchair两种边缘结构；CQDs特殊的边缘结构、边缘富集的官能团以及内部部分碳网结构的不完整，基于表面缺陷理论的分析，都可以看作是对核桃壳基CQDs突光效应的一种贡献。
　　3)分析了制备过程中温度等环境因素对核桃売基CQDs荧光特性的影响规律，为制备性能可控的荧光CQDs提供数据支持。氧化切割温度的提高引起荧光发射峰发生蓝移；稀释过程中去离子水的加入可以看作是一种“触发”核桃壳基CQDs的荧光特性的“机关”;颗粒表面电荷在不同PH环境中的排斥或吸引引起的颗粒分散或聚集也影响荧光强度；添加乙醇会减弱其荧光强度，且P.和乙醇对荧光强度的影响效果是可逆的，这现象可归因于核桃壳基CQDs表面基团键合的形成与打破的可逆转换，这些规律为制备性能可控的核桃壳基CQDs提供理论依据；
　　4)首次成功应用拉曼成像技术探测和评价了CQDs在细胞内的分布情况及成像效果。核桃壳基CQDs展现了优异的生物相容性和成像效果。特别的是，核桃壳基CQDs产生的单线态氧可以在一定程度上抑制了癌细胞的增殖，这对未来实现靶向治疗有重要意义。我们首次将拉曼成像技术应用检测CQDs在细胞中的分布，解释了细胞和核桃壳基CQDs的相互作用。
　　本文主要设计开发了一种基于化学切割原理的制备方法，从简单易得的生物质源材料核桃壳中获取了小尺寸、荧光性能优异、稳定性良好的新型核桃壳基CQDs。基于生物相容性的良性评价，我们成功地运用拉曼成像技术解释了CQDs进入细胞的过程，为进一步开发核桃壳基CQDs在生物成像乃至疾病诊断上的应用奠定了实验基础。

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第一章绪论

1 .1 碳量子点的基本概念

1 .2 国内外研究现状及发展动态分析

1 .3 存在的主要问题

1 .4研究内容与技术路线

第二章核桃壳碳源材料的结构与性能研究

2 .1前言

2 .2实验部分

2.3. 结果与讨论

2 .4 本章小结

第三章核桃壳基碳量子点的制备及性能研宄

3 .1 前言

3 .2 实验部分

3 .3 结果与讨论

3 .4 本章小结

第四章核桃壳基碳量子点在M G-63细胞成像上的研究

4 .1前言

4 .2实验部分

4 .3结果与讨论

4 .4 本章小结

第五章结论

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢