新型红光碳点用于线粒体内金属离子的传感与成像分析

The development of highly specific mitochondrial-targeted fluorescence probe is of great significance to study the physiological and pathological processes related to the mitochondrial. And there is great desire to develop fluorescent probes that can sensitively and selectively detect metal ions in mitochondria. In this study, the red emissive carbon dots are employed as fluorescent probes, and it could be covalently conjugated with a mitochondria-targeting moiety, i.e. triphenylphosphonium (TPP). By introducing metal recognition groups, a new fluorescent sensing nanoplatform based on the detection of metal ions in mitochondria is constructed. In this system, red emissive carbon dots can be obtained. Via the mechanism of fluorescence/electron resonance energy transfer, the nanoprobe exhibit relatively high sensitivity and selectivity towards metal ions. The as-prepared new fluorescence sensing platform, allowing labeling and imaging of the related metal ions in mitochondria in real time, and reducing organism autofluorescence interference. The development of this project will board the application of carbon dots in cell imaging and sensing, overcome the background signal and complex environmental interference of traditional fluorescent probe, and provide new ideas for designing new probes to detect and analyze complex systems.

设计和开发线粒体靶向荧光探针，对于线粒体结构相关的细胞生理和病理过程的探究具有重要意义。本研究以红光碳点为荧光探针，三苯基膦为线粒体靶向基团，通过金属识别基团的引入，构建了基于线粒体内金属离子检测的新型荧光探针。首先通过可控制备得到具有红光或近红外发光性能的碳点。然后基于荧光/电子共振能量转移原理，通过引入特异性识别基团，实现对线粒体内金属离子的高选择性成像分析。据此建立的新型荧光传感平台，一方面可实现实际样品中待测物的高特异性和高灵敏检测，另一方面可实现线粒体内金属元素的高分辨可视化成像分析，减少生物体自体荧光干扰，并达到实时监控线粒体内金属离子的浓度变化的目的。本项目的开展将有力拓展碳点在细胞成像与传感领域的应用，克服传统荧光探针背景信号强、易受复杂环境干扰的缺陷，为设计新型探针应用于复杂体系的检测与分析提供新思路。

依据碳点的发光机理，通过采用增强碳点共轭结构域的方式来达到发射波长红移的目的。通过选择合适的碳源，合成了多种具备不同性质的红光发射碳点，实现了对磷酸根、氟离子和水等目标分析物的定量检测，同时在生物成像、固态发光方面表现出应用潜力。.卟吩基碳点（PCDs）将中-四（4-羧基苯基）卟吩（TCPP）、柠檬酸和乙二胺经水热法制备而成。PCDs的荧光发射对激发波长表现出非依赖性，其最佳激发/发射波长位于λex/λem=375/645 nm。该碳点具有优异的水溶性和良好的生物相容性；细胞成像实验表明，PCDs的红光发射有效避免了自体背景的干扰，在作为荧光成像探针方面具有较大的应用潜力。当将Eu3+添加到PCDs中时，由于PCDs表面的羧基对Eu3+表现出的较强亲和力，使得PCDs荧光发生静态猝灭。而当PO43-存在时，由于PO43-与Eu3+间的相互吸引作用，Eu3+从碳点表面脱附下来，PCDs的荧光恢复。基于此，开发了一种新颖的荧光“off-on”形式的PO43-检测体系，方法检出限为3.59×10-3 μmol L-1，并将其成功应用于实际样品中PO43-的检测。.以（1,1'-联萘）-2,2'-二胺（BNDM）和柠檬酸为碳源，甲苯为溶剂经溶剂热法合成萘基碳点（BNCDs）。合成的BNCDs在λex/λem=540/603 nm处表现出最佳的荧光发射，并在多个领域表现出较好的应用潜力。由BNCDs与聚乙烯醇制成的复合膜，在紫外光照射下发射出明显的红光，说明该碳点具有固态发光潜力。该碳点表现出溶剂依赖性，可实现有机溶剂（如乙醇、四氢呋喃、乙腈等）中水含量的定量检测，其中在溶剂为乙醇时，对水的检出限达到0.38%。进一步实验表明，BNCDs的荧光可被Fe3+有效猝灭，在F-存在时，由于F-与Fe3+的强相互作用，F-从碳点解离下来导致BNCDs荧光恢复，实现了对F-的定量检测。