含硒/硫碳量子點的制備與生物應(yīng)用
硒是人體一種必須的微量營養(yǎng)元素，在人體發(fā)揮著很多重要作用。例如硒是人體谷胱甘肽過氧化物酶（GPx）和硫氧還蛋白酶的活性中心，它對維持生物體的氧化還原平衡，保持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義。最近，清華大學(xué)許華平教授課題組利用C-Se鍵的活潑性質(zhì)，以生物小分子硒代半胱氨酸為原料合成了硒原子摻雜的熒光碳量子點，熒光量子產(chǎn)率可達7.6 %。合成方法綠色高效，無有機試劑的使用，易于分離純化。研究人員通過體外細胞毒性實驗發(fā)現(xiàn)，這種硒原子摻雜的碳量子點具有優(yōu)異的生物相容性。另外電子順磁共振結(jié)果顯示這種硒原子摻雜的碳量子點對羥自由基具有很好的清除效果。羥自由基是細胞內(nèi)一種重要的活性氧物種，過量的羥自由基會對細胞造成嚴重損傷甚至造成細胞死亡。研究人員通過細胞實驗發(fā)現(xiàn)，這種硒摻雜的碳量子點可在細胞內(nèi)廣泛分布，且在過氧化物細胞損傷模型中降低了過量的自由基對細胞的損傷，表現(xiàn)出對細胞的保護作用。研究成果已發(fā)表于德國應(yīng)用化學(xué) （Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 129, 10042）。清華大學(xué)博士后李鳳為本工作的第一作者，許華平教授為通訊作者。
圖一：硒原子摻雜的熒光碳量子點的合成及其對細胞中活性氧的清除示意圖。
手性是生命體系的基本特征之一，諸如DNA、蛋白質(zhì)、氨基酸等生物分子都具有手性特征。由于納米材料的生物學(xué)效應(yīng)與其手性特征緊密相關(guān)，因此手性納米材料的合成已經(jīng)引起了越來越多的關(guān)注。由于合成方法的限制，關(guān)于手性碳量子點的研究依然很少。清華大學(xué)許華平教授課題組與國家納米科學(xué)中心聶廣軍研究員課題組合作，利用生物小分子半胱氨酸在水溶液中制備出了具有手性光學(xué)活性的氮硫原子摻雜的碳量子點。這種碳量子點熒光量子產(chǎn)率可達40% 以上，且熒光性質(zhì)表現(xiàn)出可逆的pH依賴性，這說明碳量子點的表面功能基團對其熒光性質(zhì)有重要影響。研究人員進一步對手性碳量子點在細胞能量代謝的影響進行了探索研究，發(fā)現(xiàn)L-型的熒光碳量子點對細胞的糖酵解過程有明顯的促進作用，而D-型的碳點則沒有類似的效果。同時他們發(fā)現(xiàn)無論是L-型還是D-型碳量子點對細胞的有氧呼吸都沒有顯著影響。此項工作不僅為手性碳量子點的合成提供了新的方案，而且對手性碳量子點的生物應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。此項工作已被德國應(yīng)用化學(xué)作為VIP文章接收發(fā)表（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2377-2382）。清華大學(xué)博士后李鳳和國家納米科學(xué)中心的李一葉副研究員為本工作的共同第一作者，許華平教授和聶廣軍研究員為共同通訊作者。
圖二：手性碳點的合成及其對細胞能量代謝的影響示意圖。
這兩項工作為雜原子摻雜的碳量子點的生物應(yīng)用提供了新的途徑。上述研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、中科院和北京市科委的項目支持。
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