近红外和上转换发光掺杂碳基量子点的制备及在生物传感和成像中的应用

The carbon-based quantum dots, a new class of fluorescence nanomaterial, have attracted tremendous research interest owing to their appealing advantages such as high fluorescence intensity, superior water dispersible, high resistance to light bleaching, low toxicity and good biocompatibility. And compared with the traditional fluorescent semiconductor quantum dots, carbon based quantum dot does not contain heavy metal elements, and main component of carbon-based quantum dots is one of the element of life, and have lower toxicity and better biocompatibility. It has been found that carbon-based quantum dots are of potential as probes for high-contrast bioimaging and biosensing applications. But most fluorescent carbon-based quantum dots emitting light in the short wavelength visible light, this limits its application. The aims of this project is to synthesize a series of doped carbon quantum dots or graphene quantum dots, and expect to obtain the carbon based quantum dots with near infrared and upconversion luminescence. Using unique fluorescence properties of new type doped carbon based quantum dots and good biocompatibility, binding aptamers and polypeptides of molecular recognition to construct a series of novel functional fluorescent nanoprobes, and used as the fluorescence biosensing of disease markers, analysis of cell targeting specific fluorescence imaging and imaging in vivo. The implementation of this project will promote the cross and integration of the analytical chemistry with materials science, life science and biomedical and other related disciplines, and provide new methods for sensitive detecting disease markers and biological active substances. It is of great significance in promoting the development of analytical chemistry, life science and biomedicine.

碳基量子点作为一种新型荧光纳米材料，具有荧光强度高、水溶性好、耐光漂白、低毒性、生物相容性好等优点，受到越来越多的关注。与传统的半导体荧光量子点比，碳基量子点不含重金属元素，其主要成分碳是构成生命体的元素之一，具有更低的生物毒性和更好的生物相容性。在生物医学领域显示了更大的应用前景。但目前大多数荧光碳量子点的发射光处于短波长可见光区，限制了其应用。本项目拟合成一系列掺杂碳基量子点，期望获得具有近红外和上转换发光性能，并利用掺杂碳基量子点独特的荧光性质和良好的生物兼容性，结合核酸适配体和多肽分子识别，构建一系列新型功能化荧光纳米探针，用于疾病标志物的荧光生物传感，细胞靶向特异性荧光成像和活体成像分析。本项目的实施将促进分析化学与材料科学和生物医学等相关学科的交叉融合，为疾病标志物和生物活性物质的检测及生物成像分析提供灵敏的新方法，对于推动分析化学、材料科学和生物医学的发展具有重要意义。

碳基量子点作为一种新型荧光纳米材料，具有荧光强度高、水溶性好、耐光漂白、低毒性、生物相容性好等优点，受到越来越多的关注。但目前大多数荧光碳量子点的荧光发射波长处于短波长可见光区，限制了其在细胞和活体内生物活性分子的成像应用。针对上述限制和复杂样品中痕量物质分析时基体干扰严重，分析物检测信号低，同分异构体难区分等分析化学领域的关键科学问题，本项目设计制备了一系列杂原子掺杂的碳量子点和石墨烯量子点，然后将具有特异性识别功能的核酸适配体或多肽连接在碳基量子点表面，构建了一系列纳米复合物探针，发展了一系列高灵敏、高选择性的荧光生物传感新体系，用于环境污染物，药物和生物活性物质的荧光、比色和表面增强拉曼散射法分析；将杂原子掺杂碳基量子点与相关试剂耦合，构建了一系列基于内滤介导发射和内滤效应的纳米探针，用于细胞内γ-谷氨酰转肽酶、铁离子、钙离子、锌离子和细胞pH值的高灵敏检测和细胞内原位成像分析；独创性地采用天然生物质如菠菜，花菜、油麻菜和玉米包叶等为原料，制备出近红外荧光的碳基量子点（称为生物质量子点），并经过表面功能化修饰后，构建了一系列近红外荧光的纳米探针，实现了活体中生物活性分子的体内荧光成像分析及成像指导下的肿瘤光动力学治疗；基于碳基杂化纳米材料，建立了苯二胺同分异构体的可视化快速区分及高灵敏检测方法。这些新技术和新方法的提出，为相关领域的研究提供了重要的技术支撑，对于提高生物医学研究水平和重大疾病的早期诊断具有重要的科学价值。. 该项目申请了中国发明专利4项, 发表论文28篇，其中在代表国际化学和材料科学领域高水平研究的Chem.Commun., Biosensors and Bioelectronics, ACS Appl. Mater. Interfaces, Nanoscale, ACS Sustainable Chem. Eng. 和 Journal of Materials Chemistry B等杂志上发表14篇论文，在国际分析化学领域顶级学术刊物Analytical Chemistry上发表论文3篇，在Advanced Therapeutics (先进治疗学)上发表论文2篇，在中国科学：化学上发表1篇。本项目60%的论文发表在一区杂志上，1篇论文入选本领域ESI TOP 1%高被引论文。