核分析技术指导下的生物稳定和安全性量子点生物荧光探针的设计和合成

The stability and cytotoxicity of quantum dots (QDs) in live cells are critical for their biomedical application. In the study, the biostable and biosafe QDs of CdSe@CdS and CdSe@ZnS will be designed and synthesized by the control of the surface chemistry based on nuclear analytical techniques. The effects of surface chemistry, such as surface chemical composition, thiol ligand density and chemical speciation, and the nano-bio interface reactions on the stability of QDs in biological systems will be investigated using synchrotron radiation based X ray photoelectron spectroscopy, X ray absorption spectroscopy, soft x-ray spectromicroscopy image and stable isotope labelling techniques. The stability mechanism of intracellular QDs will be explored by investigating the toxic ion release and chemical transformation of QDs in live cells. The stability and biosafety of QDs in intracellular acid and oxygen-redox microenvironment will be further investigated by constructing the pH and oxygen/redox-sensitive QD based fluorescence probes, which will provide the important theoretical basis for their clinical application.

提高量子点在细胞内的生物稳定性，降低毒性离子的释放是量子点实现生物医学安全应用的关键。本研究拟在核分析技术指导下，对量子点表面进行化学调控，得到生物体系中稳定和安全的水溶性量子点。研究选用巯基化合物为配体合成水溶性CdSe@CdS和CdSe@ZnS量子点，利用同步辐射光电子能谱、X射线吸收谱、扫描透射X射线显微成像技术及稳定同位素标记技术研究量子点表面化学组成、巯基配体的密度和化学形态、及与生物介质的界面反应等对量子点在生物体系中稳定性的影响；通过对细胞内量子点组成元素离子的释放规律及化学形态转化的时空过程进行研究，揭示量子点在生物体系中稳定性的机制；构建pH敏感和氧化还原敏感的量子点生物荧光探针，研究量子点在活细胞体系中酸性微环境和氧化还原微环境中的稳定性及生物安全性，为其在生物活体应用提供重要的理论和实验依据。

采用同步辐射X射线吸收谱及SC-ICP-MS技术分析了表面不同修饰的量子点和银纳米颗粒的化学形态及在生物体系中的稳定性，研究细胞内银纳米颗粒离子的释放规律及化学形态转化的时空过程。建立了单细胞内微量元素分析的SC-ICP-MS方法，通过对细胞样品处理方法进行改进，并选择动态反应池模式（DRC）对仪器测量条件进行优化，有效降低了细胞内由C、H、O、N带来的多原子离子干扰，因此实现了单细胞内Fe, Zn, P, S的检测，以及这些元素在细胞内分布的研究。建立了一套高效细胞进样系统（HECIS），并与ICP-MS结合，提高了单细胞分析的效率。该套进样系统由拉尖毛细管微量雾化器，雾室和Ni-Cr耐热线圈组成，通过加热器调节雾室的温度。该进样系统与传统的进样方法比较，细胞的传输效率提高了10倍，分析的灵敏度提高2倍，相同的时间内可分析细胞的数目提高了30倍。建立了同步辐射X射线荧光分析技术进行单细胞内纳米颗粒的微区分布分析方法。采用SC-ICP-MS结合同步辐射XANES研究了单细胞内Ag纳米颗粒的颗粒态和溶解态，发现柠檬酸和聚乙烯吡络烷酮修饰的Ag颗粒在DMEM体系中具有很好的稳定性。研究结果分别发表在 Analyst, J Phys Chem C, Nanoscale, Nanotoxicology上等。