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《重庆大学》 2016年
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发光功能化纳米材料及其在生物成像中的应用研究

周楷  
【摘要】:近年来,随着细胞生物学的不断发展,人们对细胞内的活性物质、细胞信号传导及细胞凋亡过程等方面的研究越来越深入。基于发光材料开发出的可视化分析技术已经广泛应用于细胞生物学分析。目前,用于生物成像分析的探针主要是基于有机染料分子的荧光成像,它们为活细胞分析提供了有效的成像检测手段。但有机荧光染料分子存在着荧光寿命较短、容易淬灭及发光强度不稳定等缺点。如何设计出新型发光生物探针以提高生物成像分析的选择性和准确性,实现长时间的实时动态监测,是急需解决的问题。随着纳米技术的发展,由于量子点荧光探针发射峰窄,光稳定性好,在生物医学研究中的应用潜力受到广泛关注。但是,传统的量子点多数由重金属构成,由此带来的潜在生物毒性限制了其在生物成像领域的进一步应用。而另一种不需要光源激发的发光技术,包含了生物发光在内的化学发光,是一个多元的化学反应体系,被广泛的应用于体液及组织提取液中的活性物质检测。但其不能无损的进入细胞,且多元的反应组分在生物体内的扩散速率差异也制约了化学发光技术在生物体内成像上的应用。为了解决上述问题,本论文基于两种新型的纳米材料,即MoS_2量子点和包裹介孔二氧化硅壳层的聚离子液纳米反应器,开发出了具有细胞成像分析功能的新型荧光探针和化学发光探针。本论文主要包括以下四个方面的内容:1、通过改进的化学剥离方法,用Na在160℃,真空条件下插入到MoS_2粉末的片层中,结合超声处理制备了具有强荧光性质的单片层MoS_2量子点。应用透射电子显微镜、激光动态光散射粒径仪及Zeta电位仪、原子力显微镜、紫外可见吸收光谱、荧光分光光度计和X射线衍射仪等对所合成的MoS_2量子点进行了表征。所制得的MoS_2量子点粒径约为3.5 nm,表面电荷为-20.2 mV,具有良好的水溶性,且荧光稳定性好的特点。通过MTT法检测了MoS_2量子点的细胞毒性。发现MoS_2量子点的生物相容性好的优点。通过毛细管电泳仪分析MoS_2量子点和含巯基氨基酸的相互作用,结果表明MoS_2量子点可以和含巯基的化合物共价结合。通过荧光显微镜考察了MoS_2量子点对细胞的标记。结果表明MoS_2量子点能顺利穿透细胞膜进入细胞内,且能通过与细胞内巯基化合物的作用长时间的保留在细胞中,能对细胞进行长时间的荧光成像。MoS_2量子点为长时间活细胞荧光成像示踪分析和研究细胞的微结构提供了有效的研究方法和手段。2、由于MoS_2量子点具有尺寸小、生物相容性好、易于被巯基修饰的优点。我们通过表面修饰的方法在MoS_2量子点表面修饰上两种具有pH响应的荧光配体(LA-Flu和LA-RhB)。进而开发出了pH检测范围更广的pH响应比率荧光探针(dl-MoS_2)。LA-Flu在酸性条件下荧光强度降低,碱性条件下荧光强度升高。而LA-RhB在酸性条件下荧光强度增加,在碱性条件下荧光强度降低。通过两个配体荧光强度的比值可以反映出细胞内的pH值。与单一波长响应的pH荧光探针相比,比率荧光探针有效排除了探针浓度因素带来的误差。大多数具有pH响应的单波长荧光探针,对pH响应的范围限制在探针pKa±1的范围内。dl-MoS_2通过两个不同pKa值的p H响应荧光配体的荧光比率随pH的变化,使dl-MoS_2在整个细胞内pH范围内(pH=4-8)具有线性响应。同时可以通过MoS_2量子点表面的配体比,有针对性的调节dl-MoS_2对pH的响应范围。3、在MoS_2量子点表面修饰上线粒体靶向基团三苯基膦和pH响应的LA-RhB配体,开发出了线粒体靶向pH响应比率荧光探针(mito-MoS_2)。mito-MoS_2中MoS_2量子点的荧光强度不随pH变化而变化,在比率荧光探针中作为荧光参照。细胞器共定位实验显示:mito-MoS_2在线粒体上共定位的皮尔森相关系数为0.856,而在溶酶体上共定位的皮尔森相关系数仅为0.259。这些结果表明mito-MoS_2能靶向的在线粒体内富集。通过双激发双发射荧光检测模式,利用mito-MoS_2检测了Hela细胞线粒体的pH值,并对Hela细胞在氧化应激状态下线粒体pH变化进行了成像检测,结果表明mito-MoS_2探针可以对线粒体内的pH进行实时成像检测,并且能够可视化的检测线粒体的酸化过程。4、利用包裹介孔二氧化硅的聚离子液纳米反应器,开发出了具有核壳结构的过氧化氢化学发光生物探针(c-PIL@SiO2)。聚离子液核具有特殊的亲疏水性,由亲水的带电离子液部分和疏水的长烷烃链部分组成。其中疏水区用于装载过氧化草酸酯和荧光染料。亲水区则为生物质环境中的过氧化氢提供了进入纳米反应器核芯的通道。外层的介孔二氧化硅壳层为该化学发光探针提供了必要的机械稳定性并维持其在生物体系中的分散性。c-PIL@SiO2粒径在100 nm左右,激光共聚焦细胞成像结果表明c-PIL@SiO2能在5 min内顺利进入RAW264.7细胞。而过氧化草酸酯和荧光染料装载进纳米反应器后,化学发光动力学发生了改变,化学发光时间得以延长。这些特点使得在c-PIL@SiO2无损地进入细胞后,能够顺利地检测到双氧水的化学发光信号。我们进一步利用c-PIL@SiO2,通过小动物成像系统对小鼠的关节炎模型进行检测,实现了该纳米反应器在细胞和活体层面上的化学发光成像。PIL@SiO2作为一种新型纳米反应器,可以装载不同的化学发光体系,对细胞及生物体内的活性氧、活性氮进行特异性的成像检测。而且,c-PIL@SiO2没有表现出明显的细胞毒性,在疾病诊断上具有广阔的应用前景。
【关键词】:发光功能化纳米材料 长时间细胞成像 pH比率荧光探针 线粒体靶向 纳米反应器
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TB383.1;O657.3
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • 英文摘要5-11
  • 主要符号表11-14
  • 1 绪论14-34
  • 1.1 引言14
  • 1.2 光学成像技术14-17
  • 1.2.1 显微成像技术15-16
  • 1.2.2 活体动物光学成像技术16-17
  • 1.3 荧光探针17-25
  • 1.3.1 小分子有机荧光探针18
  • 1.3.2 荧光蛋白18-19
  • 1.3.3 纳米材料荧光探针19-25
  • 1.4 化学发光探针25-30
  • 1.4.1 化学发光试剂及在生物检测中的应用25-27
  • 1.4.2 化学发光功能化纳米材料及生物检测中的应用27-30
  • 1.5 本课题的研究意义、内容及创新之处30-34
  • 1.5.1 研究意义30-31
  • 1.5.2 研究内容31-32
  • 1.5.3 主要创新点32-34
  • 2 MoS_2量子点的制备及长时间的活细胞示踪34-50
  • 2.1 本章引论34-35
  • 2.2 实验部分35-38
  • 2.2.1 材料与仪器35-36
  • 2.2.2 实验方法36-38
  • 2.3 结果与讨论38-49
  • 2.3.1 MoS_2量子点合成与表征38-42
  • 2.3.2 MoS_2量子点的荧光稳定性考察42-44
  • 2.3.3 MoS_2量子点的细胞毒性考察44-46
  • 2.3.4 MoS_2量子点的活细胞成像46
  • 2.3.5 MoS_2量子点与生物巯基的相互作用46-47
  • 2.3.6 MoS_2量子点对活细胞长时间标记成像47-49
  • 2.4 本章小结49-50
  • 3 基于MoS_2量子点的可调比率荧光探针对细胞pH值的成像检测50-66
  • 3.1 本章引论50-51
  • 3.2 实验部分51-55
  • 3.2.1 材料与仪器51-52
  • 3.2.2 实验方法52-55
  • 3.3 结果与讨论55-64
  • 3.3.1 基于MoS_2量子点的可调式pH比率荧光探针的设计55-56
  • 3.3.2 dl-MoS_2的制备和光学性质56-59
  • 3.3.3 dl-MoS_2对pH选择性和可逆性研究59-61
  • 3.3.4 dl-MoS_2的细胞毒性评价61-62
  • 3.3.5 dl-MoS_2在细胞内的pH响应校准62-63
  • 3.3.6 dl-MoS_2对细胞内pH的检测63-64
  • 3.4 本章小结64-66
  • 4 基于MoS_2量子点的线粒体靶向pH比率荧光成像检测66-84
  • 4.1 本章引论66-68
  • 4.2 实验部分68-73
  • 4.2.1 材料与仪器68-69
  • 4.2.2 实验方法69-73
  • 4.3 结果与讨论73-83
  • 4.3.1 基于MoS_2量子点的线粒体靶向pH比率荧光探针的设计73
  • 4.3.2 mito-MoS_2的制备和光学性质73-76
  • 4.3.3 mito-MoS_2对pH选择性和可逆性研究76-78
  • 4.3.4 mito-MoS_2的细胞毒性评价78-79
  • 4.3.5 mito-MoS_2细胞内线粒体共定位研究79-80
  • 4.3.6 mito-MoS_2在线粒体内的pH响应校准80-81
  • 4.3.7 mito-MoS_2对细胞线粒体pH的检测81-83
  • 4.4 本章小结83-84
  • 5 聚离子液纳米反应器用于细胞及活体内过氧化氢化学发光成像84-104
  • 5.1 本章引论84-86
  • 5.2 实验部分86-91
  • 5.2.1 材料与仪器86-87
  • 5.2.2 实验方法87-91
  • 5.3 结果与讨论91-103
  • 5.3.1 纳米反应器PIL@SiO_2的合成及表征91-93
  • 5.3.2 装载化学发光体系的确定93-95
  • 5.3.3 CPPO/Rub装载量的确定95
  • 5.3.4 c-PIL@SiO_2在生理条件下的稳定性考察95-97
  • 5.3.5 c-PIL@SiO_2的荧光及化学发光性质97-98
  • 5.3.6 c-PIL@SiO_2的化学发光动力学考察98-99
  • 5.3.7 c-PIL@SiO_2对过氧化氢化学发光的专一性考察99
  • 5.3.8 c-PIL@SiO_2的细胞毒性考察99-100
  • 5.3.9 c-PIL@SiO_2的细胞标记和胞内过氧化氢成像100-101
  • 5.3.10 c-PIL@SiO_2在活体内外源性过氧化氢化学发光成像101
  • 5.3.11 c-PIL@SiO_2在活体内内源性过氧化氢化学发光成像101-103
  • 5.4 本章小结103-104
  • 6 结论与展望104-106
  • 6.1 结论104-105
  • 6.2 展望105-106
  • 致谢106-108
  • 参考文献108-126
  • 附录126-127
  • 作者攻读学位期间发表的论文目录126-127
  • 附图127-133

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