含硒/硫碳量子点的制备与生物应用

硒是人体一种必须的微量营养元素,在人体发挥着很多重要作用。例如硒是人体谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)和硫氧还蛋白酶的活性中心,它对维持生物体的氧化还原平衡,保持细胞内环境的稳定具有重要意义。最近,清华大学许华平教授课题组利用C-Se键的活泼性质,以生物小分子硒代半胱氨酸为原料合成了硒原子掺杂的荧光碳量子点,荧光量子产率可达7.6 %。合成方法绿色高效,无有机试剂的使用,易于分离纯化。研究人员通过体外细胞毒性实验发现,这种硒原子掺杂的碳量子点具有优异的生物相容性。另外电子顺磁共振结果显示这种硒原子掺杂的碳量子点对羟自由基具有很好的清除效果。羟自由基是细胞内一种重要的活性氧物种,过量的羟自由基会对细胞造成严重损伤甚至造成细胞死亡。研究人员通过细胞实验发现,这种硒掺杂的碳量子点可在细胞内广泛分布,且在过氧化物细胞损伤模型中降低了过量的自由基对细胞的损伤,表现出对细胞的保护作用。研究成果已发表于德国应用化学 (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 10042)。清华大学博士后李凤为本工作的第一作者,许华平教授为通讯作者。

 

图一:硒原子掺杂的荧光碳量子点的合成及其对细胞中活性氧的清除示意图。

 

手性是生命体系的基本特征之一,诸如DNA、蛋白质、氨基酸等生物分子都具有手性特征。由于纳米材料的生物学效应与其手性特征紧密相关,因此手性纳米材料的合成已经引起了越来越多的关注。由于合成方法的限制,关于手性碳量子点的研究依然很少。清华大学许华平教授课题组与国家纳米科学中心聂广军研究员课题组合作,利用生物小分子半胱氨酸在水溶液中制备出了具有手性光学活性的氮硫原子掺杂的碳量子点。这种碳量子点荧光量子产率可达40% 以上,且荧光性质表现出可逆的pH依赖性,这说明碳量子点的表面功能基团对其荧光性质有重要影响。研究人员进一步对手性碳量子点在细胞能量代谢的影响进行了探索研究,发现L-型的荧光碳量子点对细胞的糖酵解过程有明显的促进作用,而D-型的碳点则没有类似的效果。同时他们发现无论是L-型还是D-型碳量子点对细胞的有氧呼吸都没有显著影响。此项工作不仅为手性碳量子点的合成提供了新的方案,而且对手性碳量子点的生物应用具有重要的指导意义。此项工作已被德国应用化学作为VIP文章接收发表(Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2377-2382)。清华大学博士后李凤和国家纳米科学中心的李一叶副研究员为本工作的共同第一作者,许华平教授和聂广军研究员为共同通讯作者。

图二:手性碳点的合成及其对细胞能量代谢的影响示意图。

 

这两项工作为杂原子掺杂的碳量子点的生物应用提供了新的途径。上述研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和北京市科委的项目支持。