金属增强碳点红色荧光的机理研究及应用

Bioimaging is important significance on exploring the pathogenesis of disease, diagnosis and therapy. The imaging performance is strongly affected by the materials for labeling. In recent years, carbon nanodots (C-dots) have attracted much attention because they overcome the disadvantages, such as high toxicity, photobleaching, and blinking, of traditional fluorescent materials. However, the low brightness of red fluorescent C-dots limits their applications in bioimaging. Herein, we present an efficient strategy for enhance the fluorescence intensity of C-dot based on the localized surface plasmon resonance of metal nanostructure. The distance and the matching of characteristic spectra of metal nanoparticles and C-dots on the fluorescence enhancement could be uncovered, leading to the reveal of the mechanism of metal-enhanced fluorescence of C-dots. On the basis, the red fluorescent C-dots-metal nanoparticle clusters can be obtained, and their application in tumor labeling and imaging would be explored. This project will provide new materials and theory bases for the development of precision medical based on bioimaging.

生物光学成像在探寻疾病的发病机理、诊断与治疗等方面具有重要意义。其中，制备生物相容性好、穿透能力强、光学性质稳定、化学惰性的探针是实现高质量成像的前提。近年来，碳点由于其克服了传统荧光材料的毒性高、易光漂、光闪烁等缺点而受到了广泛关注。在现有碳点中，红色荧光碳点的量子产量偏低，无法满足生物成像的需求，因此，本项目拟以金属纳米结构的局域表面等离子体共振效应为基础，结合核酸分子杂交技术的高度特异性优势，实现碳点与金属纳米结构之间的距离与特征光谱匹配的精确调控，揭示距离与特征光谱匹配性对荧光增强效果的关键影响，系统、深入研究金属增强碳点荧光机理。在此基础上，获得高亮度的红色荧光碳点-金属纳米颗粒簇，同时探索其在肿瘤标记与成像中的应用，为基于光学成像的精准医疗的发展提供新的物质基础及理论依据。

碳点是一种新型的荧光纳米材料，由于粒径小、稳定性高、生物相容性好且易于大批量制备等特点，在生物医学中具有巨大的应用潜力。然而目前所报道的碳点在红光区域的荧光量子产率较低，难以满足实际应用需求。本项目以长波长荧光发射碳点为研究对象，借助金属纳米粒子的局域表面等离子共振效应，结合碳点表面修饰与调控策略，实现了碳点荧光的显著增强，并探索了金属增强碳点荧光的机制。以此为基础，实现了碳点在细胞成像、胞内自由基清除与炎症治疗等重要生物医学应用，具体工作包括：.1. 成功制备了三种红色荧光碳点，并对其表面结构进行详尽表征与调控；通过种子生长法制备了一系列具有不同LSRP吸收峰的金属纳米粒子，调控其粒径大小和组成元素组成比例，获得了16种LSPR吸收覆盖390-530nm的金属纳米粒子。.2. 研究了金属增强碳点荧光的机制。采用聚合物（PVP）调控碳点与金属纳米粒子之间的距离，研究碳点与金属纳米粒子之间的距离对荧光增强的影响，发现在没有聚合物间隔的条件下荧光增强效果最佳，说明了金属纳米粒子表面的配体（柠檬酸）为荧光增强提供了最佳间距；同时，揭示了金属增强碳点荧光除了与光谱匹配度相关，还极大程度地依赖于金属纳米粒子的元素组成与粒径大小，银元素含量高的纳米粒子对碳点荧光增强效果更强，粒径较大的金属纳米粒子具有较好的荧光增强效果。.3. 构建了具有近红外荧光和SOD酶活性双重性质的碳点，研究了碳点的纳米酶催化机制，将其与金属铂纳米粒子相结合，以提高催化活性，并应用于细胞成像和疾病治疗。.项目已完成预定指标，发表SCI论文9篇，申请专利5项，成果有望为生物成像与疾病治疗提供新的物质基础与理论依据。