基于量子点的纳米荧光探针的制备及其在细胞和生物活体成像中的应用

摘要

生物成像技术是一种非常重要的疾病诊断与治疗手段，与人类的健康密切相关，因此成为了当今最为热门的研究课题。生物成像技术的发展也带动了相关成像探针的发展，构建高性能的成像探针不仅能为生物成像研究提供物质基础，促进生物与医学的发展进步，也能促进化学、材料科学等学科的发展，具有重大的研究价值和现实意义。
　　量子点(quantum dots，QDs)是一种三维尺寸均在纳米级的半导体纳米晶。作为新兴的纳米荧光探针，量子点具有激发光谱宽、发射光谱窄、荧光量子产率高、化学稳定性与光稳定性高、水溶性与生物相容性好等优点，是一种非常理想的生物成像探针。本论文围绕制备水溶性高性能量子点生物成像探针这一主题，基于量子点制备了若干新型近红外荧光成像探针及荧光/磁共振双模态生物成像探针，并在活细胞及动物活体中开展了相关生物成像研究。本论文的内容包括六个部分:
　　1.综述了生物成像技术的发展，纳米生物成像探针的发展及应用，量子点的基本知识，磁性量子点的发展概况，基于磁性量子点的多模态生物成像探针的发展与应用等背景知识;此外，还简要介绍了本论文的立题思想及创新点。
　　2.在第二章中，直接在水溶液中制备出具有近红外发射的Cu2+离子掺杂CdS量子点，并将其成功地应用于活细胞生物成像研究中。通过控制Cu2+离子的掺入量、反应温度、稳定剂的用量以及反应体系pH值等反应条件，可以得到从蓝绿光到近红外光发射的一系列量子点荧光探针。该制备方法简单、快速，所得到的近红外发射量子点荧光产率高、水溶性与生物相容性好。
　　3.在第三章中，在室温条件下，直接于水溶液中将Mn2+离子掺入窄带隙的Ag2S量子点中，得到近红外发射的水溶性Mn2+掺杂Ag2S量子点(Mn∶Ag2SQDs)，并将其成功地应用于动物活体荧光成像研究。本工作的特色之处在于:(1) Mn2+离子的掺入增强了Ag2S量子点的荧光强度;(2)控制好Mn2+离子的掺入量可以使掺杂后量子点依然保持Ag2S量子点的近红外发射特性;(3)为Mn2+离子掺入窄带隙量子点积累了经验。
　　4.在第四章中，采用简单的水热合成方法通过阳离子交换作用将Mn2+离子掺杂在CdTe量子点表面，从而得到兼具荧光性质与磁性质的高量子产率Mn2+离子表面掺杂的CdTe量子点。对其反应条件的选择做了深入的研究，并对其荧光性质和磁性质进行了表征，随后将制得的掺杂量子点转入MCF-7细胞中进行了细胞荧光成像研究，证明其适合作为荧光成像探针进行应用，同时对其作为磁共振成像探针的可能性进行了探讨。
　　5.在第五章中，通过一种简单的室温合成方法制备了另外一种顺磁性离子Gd3+掺杂的CdTe量子点。该制备方法无需加热，操作简单，产物荧光性质只与各反应物的比例有关，反应条件易于控制，所得到的掺杂量子点荧光量子产率高，水溶性与生物相容性好，具有较小的粒子尺寸，利于转入生物体内。该掺杂量子点还具有很强的顺磁性和T1加权磁共振成像信号响应，利用该量子点连接叶酸后具有的肿瘤靶向成像能力，成功地进行了体外活细胞与动物活体内的肿瘤靶向荧光/磁共振双模态生物成像研究。
　　6.在第六章中，沿用了上一个工作中量子点的制备方法，以该方法制备的CdTe QDs作为本工作中制备核-壳结构纳米双模成像探针的前驱体，并利用相同的室温水相合成方法在其表面包覆一层单硫化钆(GdS)壳层，简便地制得了CdTe@GdS纳米粒子。相对于少量Gd3+离子掺杂的CdTe QDs，由于GdS壳层中Gd3+离子的含量猛增，使得CdTe@GdS纳米粒子不仅继承了CdTe QDs良好的荧光性质，而且具有比Gd∶CdTe QDs更为优异的顺磁性质，从而使探针的成像能力大大提高。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 生物成像技术发展简介

1．1．1 生物成像模式的种类与特点

1．1．2 多模态成像技术简介

1．1．3 靶向成像技术简介

第二节 纳米生物成像探针的发展

1．2．1 纳米荧光成像探针

1．2．2 纳米MRI成像探针

1．2．3 纳米CT、PET／SPECT成像探针

第三节 量子点纳米荧光探针

1．3．1 量子点性能介绍

1．3．2 金属离子掺杂量子点

第四节 磁性量子点在多模态生物成像中的应用

1．4．1 磁性量子点的类型

1．4．2 核-壳结构磁性量子点在荧光／磁共振双模态生物成像中的应用

1．4．3 掺杂型磁性量子点在荧光／磁共振双模态生物成像中的应用

第五节 本论文的选题立意及创新点

参考文献

第二章 采用一锅法合成近红外发射的Cu∶CdS QDs及其在活细胞中的生物成像应用

第一节 引言

第二节 实验部分

2．2．1 实验材料

2．2．2 Cu∶CdS QDs的制备

2．2．3 表征与仪器

2．2．4 活细胞荧光成像应用

第三节 结果与讨论

2．3．1 Cu∶CdS QDs的荧光性质

2．3．2 Cu∶CdS QDs中Cu元素的价态分析

2．3．3 Cu∶CdS QDs的荧光发射机理

2．3．4 Cu2+离子的掺入量对Cu∶CdS QDs荧光性质的影响

2．3．5 反应温度与反应时间对Cu∶CdS QDs荧光性质的影响

2．3．6 pH值对Cu∶CdS QDs荧光性质的影响

2．3．7 L-Cys与Na2S的用量对Cu∶CdS QDs荧光性质的影响

2．3．8 掺杂阴离子对Cu∶CdS QDs荧光性质的影响

2．3．9 活细胞荧光成像研究

第四节 结论

参考文献

第三章 近红外发射Mn∶Ag2SQDs的制备及生物成像应用

第一节 引言

第二节 实验部分

3．2．1 实验材料

3．2．2 Mn∶Ag2S QDs的制备

3．2．3 仪器与表征

3．2．4 小鼠肿瘤靶向活体荧光成像

第三节 结果与讨论

3．3．1 Mn∶Ag2S量子点的表征

3．3．2 荧光性质与条件优化

3．3．3 动物活体荧光成像研究

第四节 结论

参考文献

第四章 水热法制备表面Mn掺杂CdTe量子点及其生物成像应用

第一节 引言

第二节 实验部分

4．2．1 实验材料

4．2．2 表征与仪器

4．2．3 本体CdTe QDS的制备

4．2．4 Mn∶CdTe QDs的制备与主要反应条件的优化

4．2．5 Mn∶CdTe QDs光学性质的表征

4．2．6 细胞成像应用

4．2．7 Mn∶CdTe QDs磁共振成像能力的表征

第三节 结果与讨论

4．3．1 Mn∶CdTe QDs的合成与表征

4．3．2 Mn∶CdTe QDs的光学性质

4．3．3 Mn2+离子掺入量对QDs荧光性质的影响

4．3．4 反应温度与掺杂阴离子对掺杂量子点荧光性质的影响

4．3．5 细胞荧光成像研究

4．3．7 Mn∶CdTe QDs作为潜在MRI成像探针的可能性

第四节 总结

参考文献

第五章 功能化Gd掺杂CdTe量子点的制备及其在肝癌靶向荧光／磁共振双模态成像中的应用

第一节 引言

第二节 实验部分

5．2．1 实验材料

5．2．2 Gd∶CdTe量子点的制备

5．2．3 在Gd∶CdTe量子点表面修饰上叶酸(FA)

5．2．4 仪器与表征

5．2．5 体外活细胞荧光成像

5．2．6 细胞毒性实验

5．2．7 小鼠肿瘤靶向活体荧光成像

5．2．8 磁性质表征与大鼠靶向磁共振成像

第三节 结果与讨论

5．3．1 Gd∶CdTe量子点的制备、表征与功能化

5．3．2 Gd∶CdTe QDs的光学性质

5．3．3 合成条件的优化

5．3．4 FA-Gd∶CdTe QDs的细胞毒性研究

5．3．5 肝癌细胞体外靶向荧光成像研究

5．3．6 小鼠活体肝癌细胞靶向荧光成像研究

5．3．7 FA-Gd∶CdTe QDs的MRI成像能力评价

5．3．8 FA-Gd∶CdTe QDs应用于大鼠活体肝癌靶向MRI成像研究

第四节 结论

参考文献

第六章 基于CdTe@GdS纳米粒子的肿瘤靶向荧光／磁共振双模态成像探针的制备及其成像应用

第一节 引言

第二节 实验部分

6．2．1 实验材料

6．2．2 CdTe QDs前驱体的制备

6．2．3 CdTe@GdS NPs的制备

6．2．4 在CdTe@GdS NPs表面修饰上叶酸(FA)

6．2．5 仪器与表征

6．2．6 细胞毒性实验

6．2．7 体外活细胞荧光成像

6．2．8 小鼠肿瘤靶向活体荧光成像

6．2．9 磁性质表征与大鼠靶向磁共振成像

第三节 结果与讨论

6．3．1 CdTe@GdS NPs的制备、表征与功能化

6．3．2 CdTe@GdS NPs的光学性质

6．3．3 CdTe@GdS NPs的顺磁性质表征

6．3．4 合成条件的优化

6．3．5 FA-CdTe@GdS NPs的细胞毒性研究

6．3．6 活细胞体外靶向荧光成像研究

6．3．7 小鼠活体肝癌细胞靶向荧光成像研究

6．3．8 FA-CdTe@GdS NPs应用于大鼠活体MRI成像研究

第四节 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果