碳基量子点的广泛研究越来越贴近生物和环境等相关领域

2022年1月11整理发布：荧光碳基量子点作为新兴的有机碳材料，因其具有特异的荧光性能、稳定的物理化学性质、高的生物相容性等优异性能而跻身于材料界的“翘楚”。近年来，碳基量子点的广泛研究越来越贴近生物和环境等相关领域,使得我们在材料制备和应用的过程中，都更加关心其生物相容性和毒理风险性的探索。我们以两种生物质(头发和猪皮)以及一种低毒无害的物质柠檬酸为原料制备了三种绿色低毒、高生物相容性的碳量子点，并将其应用于斑马鱼荧光成像的研究。另外，我们从现在研究很热门的石墨烯材料出发,制备了-种荧光性能优越的还原性氧化石墨烯量子点，将其应用于斑马鱼荧光成像和相关毒理学的研究。

首先，以两种生物质头发和猪皮为原料，采用微波辅助碳化的方法高效合成了基于头发和猪皮这两种富含蛋白的生物质的荧光碳量子点。既没有外加掺杂剂，也没有使用任何有毒试剂，直接将生物质原材料通过微波辅助碳化的方法快速制备了头发量子点(HCDs)和猪皮量子点(SCDs)。 同时，我们也通过化学水热合成法以柠檬酸和尿素作为原材料合成了柠檬酸碳量子点，并与前两种以生物质为原料的量子点做对照，探索三种不同碳量子点的荧光性能及其他各项性质的差异。三种碳量子点都是在10 nm以内的纳米颗粒，原材料的不同导致了其化学组成和荧光性能的不同，HCDs和SCDs在紫外光范围内主要为蓝色荧光而.CCDs主要为绿色荧光，且三种量子点的量子产率QY也有较大差异,分别为86.06%(HCDs)，51.35% (SCDs) 和19.73% (CCDs)。 三种碳量子点都具有激发依赖性的宽光谱荧光，能够被用作荧光标记物。

碳基量子点的制备与斑马鱼荧光成像的应用及相关毒理的研究

其次，采用改进的Hummer的方法将石墨粉在高比例的氧化剂(KMnO4)下氧化成氧化石墨烯(GO),并通过后续DMF热处理的方法获得氮掺杂的高效荧光的还原性氧化石墨烯量子点(rGOQDs)。 以GO为前体，通过DMF水热修饰的方法制备了还原性氧化石墨烯量子点rGOQDs,其中DMF被用作氮源和还原剂来提高rGOQDs的光致发光性能。经过DMF水热修饰后，GO被还原和氮掺杂而成为rGOQDs，该rGOQDs被环氧基团，羰基，羟基和C一N等功能化基团修饰，大大改善了其荧光性能,使得其量子产率由6.53%上升至24.62%,最终所得的rGOQDs拥有激发依赖性的宽波长荧光性能。

然后，成功将HCDs，SCDs 和CCDs三种碳量子点应用于斑马鱼活体荧光成像，使用一系列不同的浓度来测试不同量子点在斑马鱼体内的荧光成像效果，比较不同量子点荧光成像效果的差异，并分析碳量子点在斑马鱼体内的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)的影响。通过对斑马鱼活体内长达15天的荧光效果研究结果表明，在量子点溶液浸泡的48小时内，胚胎的成像效果良好。而随着时间的延长，碳量子点的荧光效果越来越差，直至最终完全观测不到荧光。通过向碳量子点溶液中加入生物体内含有的物质ATP，NADH和Fe+离子，进行一系列浓度的猝灭测试以模拟生物活体内碳量子点的衰败过程,结果表明三种物质均能不同程度地猝灭碳量子点。对于rGOQDs，主要研究了其在斑马鱼活体动物模型上的荧光成像，以及其相应的发育毒理学，基因毒理学研究。从其孵化率、死亡率、心率、体长和畸形等指标上反应其发育毒性，各指标都有一定的减弱，表明rGOQDs对斑马鱼有一定的发育毒性。为了研究rGOQDs对斑马鱼基因表达量扰动性，我们选择斑马鱼的芳香烃受体相关的基因cypla, cypIc 和cyp7al以及对外界压力敏感的基因hsp70四个基因来进行研究。实时荧光定量PCR的结果表明，四种基因cypla, cyplc, cyp7al 和hsp70分别明显上调了8.49, 4.65，5.93 和3.63倍，表明rGOQDs确实对斑马鱼的芳香烃受体(AhR)信号传导通路有一定的扰动性。同时,运用Tg(cypla: 8fp)斑马鱼对rGOQDs进行研究,研究结果表明rGOQDs暴露后的Tg(cypla:sfp)斑马鱼荧光强度显著增加。此外，WesternBlot的结果进一步证明了绿色荧光蛋白随着暴露浓度增加而高表达的状况，与荧光成像及实时荧光定量PCR的结果相符。这些关于石墨烯材料风险性的研究，将对石墨烯类材料的后续生物学应用具有重要的借鉴意义和参考价值。

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