石墨烯量子点光致发光性质在核酸类分子及蛋白质分析中的应用研究

作为一种新型的具有优异光致发光性能的碳纳米材料，石墨烯量子点的制备方法及其光学调控研究刚刚起步，在生化分析和细胞成像领域的应用鲜有报道。本项目拟发展石墨烯量子点制备及光致发光性能调控新方法，在深入研究石墨烯量子点与DNA等生物分子相互作用的基础上，建立核酸类分子及蛋白质分析新方法。即以石墨烯量子点为发光探针，基于石墨烯量子点与氧化石墨烯或贵金属纳米颗粒之间荧光共振能量转移，研究DNA-DNA、蛋白质-DNA及核酸适配体-受体之间相互作用，利用石墨烯量子点光致发光强度与待测目标物之间的关系，实现相关生物分子的定性或定量分析。在充分考察方法的选择性与灵敏度的基础上，将传感器应用于与重大疾病相关的PCR扩增产物检测及细胞内三磷酸腺苷等小分子的成像分析。上述研究将为核酸、蛋白质等生物分子传感器构建提供新思路，对于拓展碳基材料在疾病诊断等医学相关领域的应用具有重要意义。

利用石墨烯量子点（GQDs）优异的光学特性及独特的纳米结构，以GQDs或掺杂型GQDs为荧光探针构建糖类、蛋白质及无机离子的新型传感器：（1）通过水热法将硼掺杂的石墨烯切割成具有优异光学特性及独特化学性质的硼掺杂石墨烯量子点（BGQDs）。BGQDs表面的硼酸基团能与葡萄糖中的两对醇羟基反应形成刚性结构的BGQDs-Glu聚合体，限制了分子内部转动使其荧光显著增强。基于BGQDs“聚集诱导荧光增强”机制可实现葡萄糖的免标记定量分析，果糖，半乳糖、甘露糖等只含一对醇羟基的糖类不会干扰测定，表明该传感器对葡萄糖检测具有优异的选择性。研究成果在Analytical Chemistry, 2014, 86, 4423-4430 上发表。（2）将激酶CK2对应的多肽底物通过共价偶联修饰于GQDs表面，底物发生磷酸化后，多肽上的丝氨酸位点产生磷酸根，Zr4+与磷酸根之间螯合作用诱导GQDs发生团聚，导致GQDs的荧光发生猝灭，基于此实现CK2活性检测。该方法还可用于血清样品中抑制剂的筛选，为某些疾病的治疗及靶向药物设计提供新的思路。研究成果在Analytical Chemistry, 2013, 85, 9148-9155上发表。（3）以2-溴甲基苯硼酸和4, 4'-联吡啶为原料一步合成硼酸基联吡啶盐（BBV），以GQDs为荧光探针，BBV为荧光猝灭剂和葡萄糖受体，提出了一种新型的葡萄糖传感器。GQDs表面因富含羟基和羧基而带负电，与带正电的BBV通过静电作用形成基态络合物，GQDs的电子转移到含强吸电子基团的BBV，从而使GQDs的荧光猝灭。当向该二组分体系中加入葡萄糖后，硼酸与其结合形成四面体结构的阴离子硼酸酯，有效中和了BBV的正电荷，极大地降低了GQDs的猝灭效率，GQDs荧光得到恢复，据此实现葡萄糖的定量分析。研究成果在Chem. Commun., 2013, 49, 5180-5182上发表。（4）Eu3+能与GQDs表面的羧基配位，使GQDs聚集，引起能量或者电子的转移，导致GQDs的荧光猝灭。由于磷酸根与Eu3+的配位能力比羧基更强，当加入磷酸根时，其与Eu3+发生竞争性结合，使GQDs重新分散，其荧光恢复，据此可实现磷酸根的定量分析。研究成果在Chem. Eur. J. 2013, 19, 3822-3826上发表。