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新型荧光探针的设计与应用受到国内外研究者的高度关注,属于相关领域的研究热点。我们利用分子内电荷转移(ICT)原理设计、合成几种有机小分子荧光探针,并成功将其应用于离子检测和细胞成像。另外,利用氮、磷等原子掺杂原理,成功制备多种性能优异的碳量子点,研究其在离子检测、细胞成像和基因载体等领域的潜在应用。具体研究内容包括以下部分:(1)有机荧光探针在环境检测方面有很大的应用前景,而氰化物这种物质广泛的应用于工业生产中。目前检测氰化物的有机探针存在专一性较差、非近红外发射、细胞毒性较大的缺点,很难实现临床应用。为了解决这些问题,我们通过Michael加成构筑了基于芘-苯并噻唑季铵盐和苯并吡喃-苯并噻唑季铵盐的红色荧光探针L1和L2,探针分子在“D-π-A”模式下实现了对CN-的可视化检测。研究表明:探针L1和L2通过C=N双键的亲核加成反应实现CN-高选择性的双通道检测,检测过程其实是CN-与C=N双键发生亲核加成反应后破坏了探针分子的共轭体系并导致探针分子内电荷转移中断,从而引起溶液颜色和光谱的变化,该机理已得到1H NMR以及HRMS的证明。L1和L2对CN-的最低检测限分别为0.28μmol/L和0.29μmol/L,远低于WHO对饮用水中CN-含量(1.90μmol/L)的规定。荧光探针分子对A549,B16F10,HeLa,COS-7,HEK 293T和NIH3T3细胞中CN-均具有较好的传感性能。(2)随着碳量子点的深入研究,好多原材料被用来作为碳量子点的前驱体。索拉胶是我们实验室研制的一种水溶性胞外多糖,具有优异的生物性能和潜在的药用价值。在此,我们以索拉胶多糖为前驱体,双氰胺为氮源,通过水热法构建荧光猝灭型氮掺杂碳量子点(N-CDs)。通过荧光光谱系统研究N-CDs对于Ag+的选择性和灵敏性。研究表明:N-CDs荧光量子产率为13.2%,且对Ag+具有高选择性和高灵敏,最低检测限低至0.11 μmol/L,远低于WHO规定饮用水中Ag+的最高含量(7.60μmol/L),而且已实现了细胞内Ag+传感与成像。这项研究提供了一种新型的Ag+荧光探针材料,并拓展了碳量子点在生物传感器方面的应用。(3)Ag+应用十分广泛,量子点作为一种新型的荧光探针材料可以用来对其进行检测。目前大多数检测Ag+的碳量子点荧光发射波长较低,对于Ag+的检测限较高,难以达到微量检测的要求。为了解决这些问题,我们采用水热法,以邻苯二胺为原料,双氰胺和甲酰胺分别作为氮源,构建荧光猝灭型氮掺杂碳量子点(N-CDs-1和N-CDs-2)。通过荧光光谱系统研究N-CDs-1和N-CDs-2对于Ag+的选择性和灵敏性。研究表明:氮元素的掺杂显著提高碳量子点的荧光量子产率,荧光发射波长可以达到550nm以上,发出黄绿色荧光。N-CDs-1和N-CDs-2对Ag+的最低检测限分别为0.05 μmol/L和0.02 μmol/L,可以达到微量检测的要求。这项研究提供了一种简单而有效的方法,制备新型的Ag+荧光探针,这类研究将扩大碳量子点材料在离子检测方面的应用。(4)氮、磷是生物体内非常重要的元素,将其掺杂到碳量子点中可以提高量子点生物性能。目前大多数氮、磷掺杂的碳量子点量子存在产率较低、溶解性较差或者生物相容性低的问题。为了解决这些问题,我们以1,3-苯二胺为前驱体,二乙烯三胺五甲叉膦酸为其提供氮、磷元素,水热法制备了一种氮、磷共掺杂的碳量子点(DAP-CDs)。通过荧光光谱系统研究DAP-CDs对于Fe3+的传感。研究表明:DAP-CDs具有良好的水溶性、优异的光稳定性、较高的荧光量子产率(32%),对Fe3+具有高的灵敏和选择性,可以作为荧光猝灭型Fe3+探针应用,并能实现细胞成像。说明DAP-CDs在生物细胞体系内具备应用的潜力。(5)基因治疗的关键是获得高效、安全的基因载体,因而基因载体的设计、合成是该领域热点研究内容。目前大多数基因载体制备方法比较复杂、自身不具有示踪能力或者转染效率较低。为了解决这些问题,我们以PEI(1800DA)和明胶为前驱体,通过水热法一步合成了一种新型具有示踪能力的基因载体—碳量子点(PEI-GT-CDs)。通过荧光光谱系统研究PEI-GT-CDs的荧光性能,基因转染、细胞毒性、琼脂糖凝胶电泳等一系列实验评价它作为基因载体的相关性能。研究表明:除了优异的光学性能、生物相容性和高量子产率(21%),具有很好的细胞示踪能力,PEI-GT-CDs还兼顾PEI的多正电荷优点,因而能自动包裹DNA并形成复合物(平均粒径小于200nm,zeta电位为+30-40mV),并展现出对DNA高效的运输能力。与商业化转染试剂PEI25k相比,PEI-GT-CDs对COS-7细胞和HEK 293T细胞的转染效率大大提高,并且细胞毒性明显较低,充分说明PEI-GT-CDs是一个非常有潜力的非病毒基因载体。这项研究为具有荧光性能的新型基因载体提供了一种简单而有效的制备方法,为进一步拓展碳量子点作为基因载体在基因运送方面的应用研究提供了参考依据。