基于碳点的生物硫醇纳米荧光探针的构建及应用

Selective recognition of biothiols is critical for understanding the formation process of diseases and clinical diagnosis. The purpose of this project is to develop fluorescent nanoprobes for selectively detecting biothiols by using carbon dots (CDs) as fluorophore and surface functionalization of CDs with highly specific recognition element of biothiols through covalent bond. CDs with excellent fluorescence properties will be firstly synthesized using aromatic compounds with different substituent as carbon source, and selected through the.studies of their spectral properties and structures. Then, the recognition units of biothiols will be functionalized on the surface of CDs. The fluorescence signal will be manipulated by the strong nucleophilicity of the sulfhydryl group in biothiols and the synergistic effect of their sulfhydryl group and adjacent amine group. Thus, specific detection of biothiols can be realized. Compared with the existing fluorescent probe and nanoprobe based on CDs for detection of biothiols, the chemosensing system will greatly improve the photostability, biocompatibility and selectivity of optical probes. New strategies will be developed for selectively detecting biothiols in biological systems, which can broaden the application of optical probes in the field of life science.

选择性识别生物硫醇对研究疾病的形成过程和临床诊断具有非常重要的意义。本项目拟以新型碳点（CDs）为荧光团，通过共价键将不同功能的识别基团引入CDs表面，分别构建可专一检测生物硫醇总量、半胱氨酸（Cys）和谷胱甘肽（GSH）的纳米荧光探针。首先，以取代基种类和位置不同的芳香族化合物为碳源合成CDs，通过研究它们的光谱性能和结构组成，筛选出高荧光性能CDs为荧光团；然后，将2，4-二硝基苯磺酰氯、丙烯酰氯及2，4-二硝基苯酚类等识别基团引入CDs表面，利用生物硫醇中巯基的亲核能力及巯基与邻近氨基的共轭加成-环化作用，调控传感体系的荧光信号，实现目标分子的专一检测。与已有检测生物硫醇的有机荧光探针和基于CDs的纳米探针相比，本项目构建的纳米荧光探针有望大幅提高探针的光稳定性、生物相容性及选择性。同时，本研究为专一识别生物硫醇提供了新的思路，拓宽了光学探针在生命科学领域的应用。

基于碳点（CDs）的纳米荧光探针具有合成步骤简单、耐光漂白能力和承载能力强、稳定性和生物相容性好等优点。然而，目前CDs基纳米荧光探针的研究还处于初级阶段，仍然面临一些瓶颈问题，如：量子产率低、激发和发射波长短、特异性和灵敏度差等。针对这些问题，本研究首先运用一锅溶剂热合成法，以苯二胺类、氨基酚类物质为碳源合成了多种荧光性能优异的CDs，研究了影响所合成CDs的量子产率、激发和发射波长及产量的因素（如反应时间和温度、碳源及其表面取代基的位置和种类、酸的种类和用量等），为有目的、有规律的优化反应条件、选择理想的碳源合成目标CDs提供理论基础；随后，将所得绿色荧光CDs（绝对量子产率为36%）和黄色荧光CDs（斯托克位移为120 nm，量子产率为31%）作为纳米荧光探针用于高选择性和高敏感度的检测细胞内pH值的变化；将斯托克位移为115 nm的黄色荧光CDs用于环境水样中2, 4, 6-三硝基苯酚含量的检测，并以其为荧光团，2，4-二硝基苯磺酰胺（DNBS）为识别基团，通过共价键键合的方式，得到DNBS功能化的CDs基纳米荧光探针，将其应用于苯硫酚类化合物的比色法检测，且利用简易试纸条的方法，成功实现了溶液中苯硫酚的半定量检测；以具有两个荧光发射峰的CDs为纳米荧光探针（激发波长为350 nm时，发射波长分别为430和560 nm）用于环境样品中Cr（VI）含量的比率型检测，这种无标记的CDs基比率型纳米荧光探针具有毒性低、合成路线简单和光稳定性好的优点；此外，基于pKa的转变机制，以半花菁染料为荧光团，DNBS基团为识别单元，构建了一种检测活细胞和环境中硫酚的半花菁类荧光探针。研究成果深入研究了CDs及纳米荧光探针的基本特性，如光稳定性、生物相容性及细胞毒性、线性范围等，提高了荧光探针检测生物标志物和环境污染物的选择性和灵敏度，为生物医学研究、疾病诊断、药物筛选等方面提供有用的工具。