同步辐射技术原位研究液相微环境中无镉量子点与细胞的相互作用机制

Cadmium-free quantum dots are a new type of nanomaterials with excellent fluorescence properties, which have great potentials in biomedical and photoelectricity fields. With the rapid development and broad applications of cadmium-free quantum dots, concerns regarding their environmental and biological effects have been aroused. However, up to now, there are very few studies on the biotoxicity of cadmium-free quantum dots, particularly on the interaction of cadmium-free quantum dots with cells in the natural and hydrated state. In this proposal, we propose to use synchrotron-based soft X-ray imaging and spectroscopic techniques combined with nano-tomography technique to probe the distribution, transportation, chemical conversion, and exocytosis of intracellular cadmium-free quantum dots in three dimensions, with an aim to revealing the underlying mechanism of interactions of cadmium-free quantum dots with cells. We believe that the methodology developed in this study, which is capable of studying the 3D distribution and chemical conversion of nanoparticles by combing the synchrotron technique and nanotoxicology, can be applied to other metal and metal compound systems and also shed light on the biomolecular-nanoparticle interaction in physiological environments.

无镉量子点是一类新型的纳米荧光材料,因其不含有毒元素镉且荧光性能优异,在生物医学和光电材料等领域有着极大的应用前景。随着无镉量子点材料的大量生产与应用,其对环境和生物安全性的问题也日益引起重视,但至今关于无镉量子点潜在生物毒性效应的研究，特别是在液相环境下原位研究无镉量子点与生物细胞的相互作用，还较缺乏。本课题拟以无镉量子点体系中的CuInS2/ZnS材料为研究对象,利用同步辐射软X射线高分辨显微谱学技术并结合三维纳米分辨断层成像方法，原位研究液体微环境下CuInS2/ZnS量子点在单细胞体内分布、转移、化学转变、外排等关键过程，以期阐明无镉系量子点与细胞的相互作用机制。本课题将同步辐射表征技术与纳米毒理学的方法结合起来,建立的定量研究纳米颗粒在细胞体内三维分布及化学状态转变的原位分析方法,还可为研究其它纳米材料的毒理学以及原位表征生理环境下生物分子与纳米功能材料的交互作用提供借鉴。

近年来，随着合成方法及表面修饰技术的不断发展，无镉量子点以其独特的优势正逐渐取代传统的镉系量子点而展现出巨大的应用前景。随着无镉量子点材料的大量生产与应用,其对环境和生物安全性的问题也日益引起重视,但至今仍较缺乏对无镉量子点潜在生物毒性效应的系统性研究。基于此，本课题采用溶剂热方法制备出了形貌均一的无镉系CuInS2裸核及CuInS2@ZnS核壳型量子点纳米材料，对其荧光性能进行了系统研究。同时，基于离子交换方法，对所制备的无镉量子点材料进行了表面改性，便于其用于生物实验。在此基础上，本课题设计了时间进程实验，详细探究了无镉系量子点在细胞体内的分布、转移等途径。此外，借助于多种表征方法，考察了CuInS2系无镉量子点在细胞体内的代谢过程，并探讨了无镉量子点的物化状态与其细胞毒性的内在关联性，这为未来无镉系量子点在生物医学的安全应用提供了重要参考。