功能化碳点的制备及其在磷酸类物质检测中的应用

论文摘要

磷酸类物质是生物体内的重要组成成分,维持着生物体的基本生命过程,在生物体内的含量异常能作为某些疾病发生的重要信号。因此,对含磷酸类物质的样品实现简单、快速、灵敏、高选择性以及实时的分析具有重要的研究价值。因为荧光分析法具有高的灵敏度、能进行高的时空分辨率成像等优势,目前已经发展的磷酸类物质分析方法中,荧光分析法被认为是细胞外磷酸类物质检测和细胞内磷酸类物质成像最理想的方法。碳点作为一种新型的荧光材料,具有良好的生物相容性、光稳定性和较长的斯托克斯位移,有望成为生物传感中的理想材料。本文以磷酸类物质响应的功能化碳点及其衍生化探针为主要工具,针对细胞外和细胞内磷酸类物质进行了定性和定量成像分析,主要内容为以下三部分:（1）碳量子点-铕配合物在指纹中磷酸物质检测中的应用在这部分工作中,首先利用柠檬酸和L-半胱氨酸为原料,高温碳化得到具有明亮蓝色荧光的碳量子点。然后将制备好的碳量子点中加入硝酸铕溶液,调节pH后得到大颗粒的碳量子点-铕配合物。由于碳量子点和铕之间的德克斯特能量转移,因此在紫外光照射下,碳量子点-铕配合物具有蓝色和红色两种荧光发射。随后,我们将构建的碳量子点-铕配合物嵌入电纺纳米纤维膜中。日光下,该电纺纳米纤维膜为白色,而紫外灯下,其发射出紫红色的荧光。由于磷酸根和铕具有很强的结合力,指纹中的磷酸根与碳量子点-铕配合物接触后,该配合物的结构便会破坏,德克斯特能量转移过程逐渐消失,蓝色荧光逐渐增强而红色荧光逐渐降低。因此,在手指触摸含有碳量子点-铕配合物的膜之后,在日光灯下该电纺纳米纤维膜上看不见任何痕迹,而在紫外灯下却能看到蓝色的指纹印记。该工作成功的对指纹汗液中的磷酸进行了分析,与此同时这种“不可见”蓝色荧光指纹分析方法为指纹识别,文件安全及秘密通信领域的应用开辟了一条新途径。（2）正电性单层石墨烯量子点在线粒体内ATP成像中的应用为了得到具有较大共轭平面的带正电石墨烯量子点,我们选择了具有大芳香共轭结构的苝四甲酸酐以及具有丰富氨基的聚乙烯亚胺作为反应原料,以乙醇作为溶剂,在封闭聚四氟乙烯反应釜中180℃反应24小时,得到了大共轭平面的带正电黄色荧光单层石墨烯量子点（s-GQDs）。由于ATP具有带负电的三磷酸部分和芳香共轭腺嘌呤部分,因此,s-GQDs可以通过静电和?-?堆积两种作用力与ATP结合。这种结合会导致s-GQDs聚集以及荧光猝灭,与ATP浓度具有良好线性关系。因为s-GQDs具有一定程度的疏水性和正电性,所以s-GQDs主要富集于细胞内线粒体中。基于此,该工作成功的利用s-GQDs监测了活细胞线粒体中ATP浓度的波动。（3）双发射荧光碳点在细胞内线粒体靶向与ATP成像中的应用为得到线粒体靶向且对ATP具有双重荧光响应的碳点,我们用富含氨基的聚乙烯亚胺和乙酰乙撑基三苯基膦作为碳点的反应原料,首先制备了表面富含氨基和三苯基膦（TPP）基团的蓝色荧光碳点。然后,利用氨基和硫氰酸根间的亲核加成反应,将异硫氰酸荧光素（FITC）修饰在了碳点表面,最终得到了具有强蓝色荧光和弱绿色荧光的TPP-CDs-FITC荧光碳点。ATP的加入会导致TPP-CDs-FITC荧光碳点的聚集并增强CDs到FITC的能量转移,使CDs蓝色荧光降低且FITC绿色荧光增强。由于荧光碳点中修饰的TPP部分具有线粒体靶向性,以及CDs-FITC部分的ATP响应性,将TPP-CDs-FITC复合探针与细胞孵育之后,可以通过细胞内蓝色荧光与绿色荧光的强度比值,更准确与直观的实时监控活细胞线粒体中ATP的浓度变化。总的来说,本研究利用碳点丰富的表面官能团,通过有目的的合成与修饰,制备了对磷酸类物质具有特殊响应的功能化碳点及其衍生物。由于碳点良好的生物相容性、较长的斯托克斯位移以及高光稳定性,这些功能化碳点及其衍生物被成功地应用到了指纹中磷酸类物质传感和线粒体中ATP成像。本工作为功能化碳点的制备及其衍生化提供了新的研究思路,同时对碳点在分析传感、生物成像等方面的应用也具有重要指导意义。

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摘要

Abstract

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第1章论文选题依据

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状及发展动态分析

1.2.1 磷酸类物质的分析

1.2.2 碳点的定义及分类

1.2.3 碳点的结构

1.2.4 碳点的特性及优势

1.2.5 功能化碳点的制备

1.3 存在的主要问题

1.4 本研究的出发点与拟解决的问题

1.5 研究内容及技术路线

第2章碳量子点-铕配合物在指纹中磷酸物质检测中的应用

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 实验仪器

2.2.2 实验试剂

2.2.3 碳量子点的合成

2.2.4 铕-碳量子点配合物组成

2.2.5 德克斯特能量转移效率的计算

2.2.6 制备含铕-碳量子点配合物的电纺纳米纤维膜

2.2.7 铕-碳量子点配合物对磷酸盐（Pi）的分析传感

2.3 结果与讨论

2.3.1 聚集/组装诱导碳量子点和铕之间的德克斯特能量转移

2.3.2 考察碳量子点和铕配合物对磷酸盐的分析传感效果

2.3.3 考察碳量子点和铕电纺纳米纤维膜对磷酸盐的传感能力

2.3.4 碳量子点和铕电纺纳米纤维膜用于指纹识别和文件安全

2.4 小结

第3 章正电性单层石墨烯量子点在线粒体内ATP成像中的应用

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验仪器

3.2.2 实验试剂

3.2.3 碳点的合成

3.2.4 细胞毒性的考察

3.2.5 细胞的荧光成像

3.2.6 线粒体共定位成像

3.2.7 线粒体内ATP水平分析

3.2.8 流式细胞术分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 单层石墨烯量子点的合成与表征

3.3.2 单层石墨烯量子点对嘌呤磷酸类核苷的响应性考察

3.3.3 探讨单层石墨烯量子点与嘌呤类核苷酸的作用机制

3.3.4 考察单层石墨烯量子点细胞内ATP成像效果

3.3.5 单层石墨烯量子点成像线粒体内的ATP水平波动

3.4 小结

第4 章双发射荧光碳点在细胞内线粒体靶向与ATP成像中的应用

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 实验仪器

4.2.2 实验试剂

4.2.3 碳点的合成与修饰

4.2.4 线粒体共定位成像

4.2.5 线粒体内ATP水平分析

4.3 结果与讨论

4.3.1 碳点的表征

4.3.2 ATP的检测及选择性考察

4.3.3 ATP诱导的荧光共振能量转移（FRET）机制的考察

4.3.4 线粒体内ATP水平波动成像

4.4 小结

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

硕士期间发表的论文

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘佳慧

导师: 黄承志

关键词: 磷酸类物质,碳点,荧光,成像,线粒体靶向

来源: 西南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,化学

单位: 西南大学

基金: 国家自然科学基金项目:基于长程共振能量转移的生物医学成像分析基础研究(编号:21535006)

分类号: O657.3;Q-33

总页数: 95

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