碳量子点基近红外光响应型纳米诊疗剂的设计合成及应用

Carbon quantum dots (CQDs) have potential applications in bioimaging and etc. due to their excellent optical properties and very good biosafety. Near infrared (NIR) laser is an ideal light source in medical imaging and photothermal therapy because it can penetrate deep into tissues with very low autofluorescence interference from the background, and cause little damage to biological samples as while. However, most of the previously reported CQDs show optical absorbance/emission in UV-visible region. Therefore, it is a key issue to improve the structure of CQDs and modulate their bandgap so that their absorbance/emission wavelength can be red-shifted to NIR region. In this project, we are going to use heteroatoms-containing organic precursors as carbon sources to prepare heteroatoms-doped CQDs. Next, the bandgap of CQDs can be decreased by surface modification through covalent coupling or conjugation with organic molecules, and thus their absorbance will be adjusted to NIR region. Subsequently, D-linker-A nanohybrid can be constructed by using the modified CQD as an electron donor (D) while selecting an appropriate phototherapy agent as an electron acceptor (A), the energy or charge transfer between D and A will lead to a further redshift of absorbance/emission in NIR region. Finally, the D-linker-A nanohybrid modified further with an organelle-targeting group to obtain a novel sort of CQDs-based & NIR-responsive nanotherapeutic agent. Its biosafety and applications in NIR-bioimaging as well as tumor photothermal therapy will also be studied.

碳量子点（CQDs）因其优异的光学性能和生物安全性，在生物荧光成像等方面有良好应用前景。近红外光（NIR）具有组织穿透深、背景荧光干扰少、样本损伤小等优点，常用于医学成像和光热治疗。但目前已报道的CQDs大多在紫外-可见光区域吸收和发射，如何改善CQDs的结构、调控其能带，使其吸收/发射光谱红移至NIR区是一个待解决的关键问题。本项目拟采用富含杂原子的有机物为碳源，合成杂原子掺杂的CQDs；然后通过表面偶联或共轭等有机修饰，降低CQDs的带隙，将其吸收光谱调节至NIR区；再以表面修饰后的CQDs作为电子供体D，选择合适的NIR光热治疗剂作为电子受体A，构筑D-linker-A型纳米杂化材料，通过D-A之间的能量或电荷转移，使其吸收/发射光谱进一步红移。最后，在D-linker-A上修饰靶向分子，得到CQDs基NIR响应型纳米诊疗剂，并对其生物安全性、近红外成像和肿瘤光热治疗效果进行研究。

近红外光（NIR）具有组织穿透深、背景荧光干扰少、样本损伤小等优点，是医学成像和光疗的理想生物窗口。但目前报道的碳量子点（CQDs）大多在紫外-可见光区域吸收/发射，因此如何改善CQDs的结构、调控其能带，使其吸收/发射光谱红移至NIR区仍是一个挑战。本项目采用含杂原子的有机小分子为碳源，通过“自下而上”法合成杂原子掺杂的CQDs；然后利用CQD兼为电子供体（D）和电子受体（A）的特性，通过共掺杂或表面偶联途径构筑D-π-A型共轭体系，延长共轭链长度，降低HOMO-LUMO能级差，使其吸收/发射光波长红移，从而得到NIR区域响应型CQDs，并对其在活体成像和肿瘤光动力治疗上的应用进行了研究。项目取得了丰硕成果：以该基金“第一标注”共发表了30篇SCI收录的英文论文和3篇中文论文，获得了3项中国和1项荷兰发明专利的授权，应邀1次国际和1次国内会议特邀报告，培养了1名外籍博士后、2名博士和9名硕士。取得的重要成果包括：（1）通过溶剂热法合成了一种具有D-π-A共轭结构的氟、氮共掺杂碳点(N-CDs-F)，该碳点不仅具有深红区域的单光子发射荧光，还具有双光子、三光子以及四光子激发的NIR波段上转换荧光和大的多光子吸收截面。体内/外实验结果表明该N-CDs-F适用于NIR活体成像，该成果发表于Small 2020（JCR 一区，IF 13.281），已被引用58次。（2）合成了一种具有优异热敏特性的氟、氮和硫共掺杂固态红色荧光碳点（F,N,S-CDs，λem = 676 nm）。作为对照，未掺杂氟的 CDs (N,S-CDs) 在固态下不显示荧光，这主要是由于F,N,S-CDs 表面/边缘上的F诱导缺陷克服了聚集引起的猝灭（ACQ）同时提升了荧光量子产率，使之有望用于温敏光学器件，该成果发表于国产SCI期刊Chinese Chemical Letters 2021。以上工作表明F掺杂是一种调控CQDs吸收和发射波长红移的有效策略。