蛋白质介导合成低毒性掺杂量子点及其在光学传感中的应用

Due to the fruitful secondary structures and nanoscale assembling capabilities of biomacromolecules, bio-driven synthesis of various nanomaterials (including quantum dots) with biomacromolecues as templates receives great attention in recent years. However,the former researches are majorly focused on quantum dots synthesis. How to take advantage of the biorecognition capablity of proteins on the surface of QDs for bioprobes development, especially for biosensor and bioimaging applications, remains largely unexplored. In this project, we aim to explore several natural proteins for bio-driven synthesis of phosphorescent/near-infrared emitting, low-toxicity doped quantum dots. In this vein, protein-conjugated doped QDs can be obtained in one-pot, which eliminates the tedious post-synthetic protein conjugation and purification steps in conventional synthetic protocols. On the basis of the optical properties of the as-prepared doped QDs and the molecule recognition of templte proteins, an intelligent bio-nano platform which integrates the unique properties of doped QDs and specific recognition of proteins will be developed. The newly developed bio-nano platform will be explored for optosensing of biomolecules in complex biosamples. Besides, the near-infrared emitting doped QDs will be utilized for bioimaging of cancer cells.

近年来，生物大分子由于其丰富的二级结构和纳米尺度的组装能力，在介导合成纳米材料方面（包括量子点）受到了广泛关注。但是，这些量子点大都还停留在合成阶段，而如何更好的利用合成之后的量子点表面蛋白质配体的识别功能，以构建新型探针用于生物传感和成像领域，则关注较少。本项目拟探索以蛋白质为模板仿生合成磷光/近红外发射的低毒性掺杂量子点的方法，从而一步得到蛋白质功能化的量子点，省去了传统方法中所需的繁琐的合成后修饰和分离纯化步骤。进而，以所合成的掺杂量子点的光谱性质为基础，结合模板蛋白质的生物识别功能，构建一种智能性的生物-纳米界面，实现优异的光学性质（掺杂型量子点）-特异性的生物识别功能（蛋白质）的协同作用。在此基础上，发展新的光学传感体系用于复杂体系中重要生物分子的识别与检测，并探索新型近红外掺杂量子点在细胞成像中的应用。

由于其优异的光学性质，量子点在生物传感和成像领域得到广泛的应用。在具体使用过程中，量子点需要经过繁琐的相转换和后修饰过程，使之具备特异性识别的能力。本项目提出以蛋白质为模板，一步介导合成蛋白质功能化的量子点，实现优异的光学性质（掺杂型量子点）-特异性的生物识别功能（蛋白质）的协同作用。首先，我们着重研究了以蛋白质为模板仿生合成磷光/近红外发射的低毒性掺杂量子点的方法，发现具有独特咪唑类氨基酸残基序列的葡萄糖氧化酶在介导合成Mn 掺杂ZnS 量子点过程中，其酶活性基本保持不变，这一发现对构建具有特异性识别功能的量子点-蛋白质杂化体系具有重要的意义。进而，以所合成的掺杂量子点的光谱性质为基础，厘清了掺杂量子点在聚集过程中光学性质的变化规律；发展了基于Mn掺杂ZnS量子点的磷光内滤传感体系用于近紫外区吸收物质的分析；得到了迄今为止最高的化学发光能量转移效率（38%）。此外，我们根据掺杂量子点在指纹成像中的优异性能，提出从量子点显现的指纹中同时提取二级和三级结构，并初步建立了指纹匹配的方法，用于残缺指纹分析。进一步，我们利用掺杂调控量子点的发光波长，将指纹成像与分析物识别结合，构建了一种双色（红色和绿色）量子点的纳米复合物，实现了指纹的双色成像和分析物的同步识别。本项目共发表SCI论文16篇，其中IF>5的SCI论文11篇。