功能化CdTe量子点生物效应及其机制热动力学研究

As a novel nanomaterial, quantum dots (QDs) are currently attracting great interest in almost all fields due to their unique electric and optical properties, especially in the fields such as biomedicine. Its biologic effect and toxicity is solved as one of the topics at the forefront. The purpose of this project is to investigate the biologic effect and its mechanism induced by the multiple functionalized CdTe QDs with different sizes, different coatings and different shells. Thermodynamic and kinetic parameters will be determined, and influences of QDs size, surface structure as well as compositions of the media on the thermodynamic and kinetic properties of biologic effect will be investigated. Some useful rules will be summarized and explained based on electronic microscope observation and analyses of spectra of fluorescence, XPS, MTT、ICP-MS etc. Also, factors of biologic effect caused by QDs or other nano materials are further explored from the perspective of cellular metabolism, morphology, respiration fuction, uptake and localization. It will promote us deeply understand the process of effect of QDs on living dynamic things. The research will provide methodology and theoretical basis for the efficient synthesis, application and biosafey evaluation of quantum dots and the modle of toxicity of nanoparticles research.

量子点是具有特殊光电性能的功能型半导体纳米材料，在生物医学方面应用前景广阔，其生物效应及毒理学研究已成为当前亟待解决的前沿课题之一。本项目拟以功能化水溶性CdTe量子点为研究对象，采用微量热、荧光、电化学、显微等方法，研究不同粒径、不同表面修饰和不同壳层结构的量子点与酿酒酵母细胞相互作用及产生生物效应的机制。获取相关作用的热力学和动力学参数，并探讨量子点粒径、表面修饰、结构和电荷等因素对其生物效应热力学和动力学性质的影响、及其规律性。结合电镜、显微、XPS、MTT、ICP-MS等，从微观结构诠释所得规律。从细胞代谢热动力学、形态、呼吸功能、摄取量子点方式及其对细胞器的损伤等方面，探讨量子点生物效应的成因，揭示量子点对生命代谢动态过程中的影响途径。本研究将为量子点的高效制备、应用及生物安全性评估，提供理论基础，并且成为纳米材料生物效应研究的模型。

量子点对酿酒酵母细胞作用机制尚不明确，缺乏从不同表面修饰、粒径大小和不同壳层包覆的量子点的角度进行系统而深入的研究。该项目已经合成高质量的不同修饰物（MPA, GSH, NAC）CdTel量子点 及不同壳层结构(CdTe、CdTe/CdS、CdTe/CdS/ZnS)量子点。项目以酿酒酵母为模式细胞，利用现代微量热技术、光谱技术、电化学方法和生化分析等多种技术，从热动力学角度出发，在细胞水平上，从酿酒酵母的生长代谢、量子点被细胞的摄取、量子点在细胞中的定位、细胞形态和内部结构的变化、亚细胞器损伤的检测等多层面开展系统的研究，从结构和功能上，揭示了不同表面修饰，不同壳层结构的量子点对酿酒酵母细胞代谢动态过程的影响及细胞内生物效应机制。研究结果表明不同的量子点对酿酒酵母生长代谢有影响并产生细胞毒性。NAC-CdTe QDs的半抑制浓度为89.8 nmol/L、MPA-CdTe QDs的半抑制浓度为56.2 nmol/L、GSH-CdTe QDs的半抑制浓度为15.3 nmol/L。CdTe的半抑制浓度为40.67 nmol/L、CdTe/CdS 的半抑制浓度为11.55 nmol/L、CdTe/CdS 的半抑制浓度为74.13 nmol/L。量子点的细胞毒性产生的原因主要是由于镉离子的释放，产生氧自由基，进而损伤亚细胞器。合成的量子点均可以通过内吞的方式进入酵母细胞，对酵母细胞都会产生损伤，但损伤的位置不同。同时还在分子水平研究了量子点对DNA的损伤作用。该项目的目的与意义在于：(a) 为合成多功能、低毒或无毒的量子点及其在生命科学中的应用，以及为量子点等纳米材料的生物相容性或环境释放的生物安全性，提供理论依据；(b) 系统地研究量子点生物效应热动力学及其作用机理，寻求共性规律。目前在完成此项目的基础上，已开探索合成了四元体系量子点（如CuInZnS、CuSnZnS、CuInGaS），与二元体系量子点尺寸依赖的光学性质不同，四元体系的合金型量子点其光学性质一般不受粒径尺寸变化的影响。合金型量子点可以通过改变组分和内部结构实现对禁带宽度的调控，进而实现对光电性质的调控。