生物自組裝量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)、調(diào)控方法和合成機(jī)理.pdf

1、量子點(diǎn)因其優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，在生物成像、生物傳感、生物診斷、光學(xué)器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法往往涉及到高溫、厭氧、有毒試劑、表面修飾反應(yīng)過程，難以滿足綠色、可持續(xù)發(fā)展的需求，因此，量子點(diǎn)的生物合成應(yīng)運(yùn)而生。掌握和利用活體生物的自組裝能力，精確調(diào)控量子點(diǎn)的生物合成過程，成為當(dāng)前量子點(diǎn)研究的熱點(diǎn)。在本學(xué)位論文中，我們采用了多種生物合成量子點(diǎn)，并利用新的分子光譜分析方法結(jié)合分子生物學(xué)分析和理論計(jì)算，從熒光動力學(xué)性質(zhì)、調(diào)

2、控方法、形成機(jī)理、合成應(yīng)用等方面對生物量子點(diǎn)的合成和機(jī)理進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.為了對合成量子點(diǎn)的光學(xué)性能進(jìn)行有效的表征，利用熒光顯微鏡追蹤了產(chǎn)朊假絲酵母體內(nèi)原位自組裝量子點(diǎn)的熒光動態(tài)變化過程。結(jié)果顯示量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的光活化、光穩(wěn)定、光淬滅變化過程。光活化過程與延伸型指數(shù)函數(shù)相吻合，而光漂白過程則與雙指數(shù)函數(shù)相吻合。該工作探索了生物自組裝量子點(diǎn)的光動力學(xué)過程，為其下一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外，我

3、們也發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的光活化指數(shù)和最大熒光強(qiáng)度與鎘離子濃度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，該性質(zhì)有望應(yīng)用于鎘離子的檢測。
　　2.利用產(chǎn)朊假絲酵母原位自組裝了硒化鎘量子點(diǎn)，并通過改變反應(yīng)前驅(qū)物的濃度實(shí)現(xiàn)了對合成量子點(diǎn)性質(zhì)的調(diào)控。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)提高鎘離子濃度有利于促進(jìn)合成量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度和熒光穩(wěn)定性。這主要是由于高濃度鎘離子導(dǎo)致零價(jià)硒顆粒形成減少，而硒化鎘量子點(diǎn)合成量的增加，同時(shí)伴隨著硫化鎘的形成。所制備的量子點(diǎn)可被直接用于生物成像，無需額外

4、修飾。該工作深化了對量子點(diǎn)生物合成機(jī)制的認(rèn)識，為高性能量子點(diǎn)的生物合成提供了有效的調(diào)控方法。
　　3.針對生物量子點(diǎn)合成速率慢（普遍需要十多小時(shí)）的問題，提出了利用質(zhì)子濃度來調(diào)控量子點(diǎn)快速合成的新方法。發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液pH為4.5的情況下，大腸桿菌可實(shí)現(xiàn)超快速（1小時(shí)內(nèi)）、高產(chǎn)率合成硫硒化鎘量子點(diǎn)，且得到的量子點(diǎn)粒徑均一、熒光性能優(yōu)異。進(jìn)而深入探索了pH調(diào)控量了點(diǎn)合成的生物學(xué)機(jī)制，并將所制量子點(diǎn)應(yīng)用于細(xì)胞、小鼠的生物成像。該工作提供了

5、一種簡單、快速、高效的生物量子點(diǎn)合成調(diào)控新方法。
　　4.生物體內(nèi)量子點(diǎn)的合成與其脫毒過程存在緊密聯(lián)系，但其機(jī)理尚不清楚。我們研究了大腸桿菌的代謝過程與硒和鎘元素在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化、相互作用以及與量子點(diǎn)合成的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示提高代謝底物（葡萄糖）濃度不僅顯著提高了生物體內(nèi)累積的硒鎘含量，也改變了硒鎘的生物轉(zhuǎn)化過程，使部分磷酸鎘轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袃?yōu)異熒光性能的硫硒化鎘量子點(diǎn)。由此提出了基于量子點(diǎn)合成的硒-鎘拮抗新機(jī)制，這對硒和鎘污染環(huán)境的生

6、物修復(fù)和重金屬的資源化回收利用也具有參考價(jià)值。
　　5.利用大腸桿菌作為模式生物，進(jìn)一步解析了生物自組裝量子點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)、合成路徑及其儲藏器官。X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收譜(XAFS)和高分辨電鏡元素成像的結(jié)果顯示合成的CdSe/CdS量子點(diǎn)是核-殼結(jié)構(gòu)，其表層含有大量磷酸鹽和有機(jī)硒。不同菌基因表達(dá)量的變化和密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，磷在量子點(diǎn)組裝過程中扮演著一個鎘離子媒介的作用:鎘離子以磷酸根載體被轉(zhuǎn)移并與硒醇類氨基酸蛋白和硫醇類氨基酸

7、蛋白結(jié)合，進(jìn)而組裝生成CdSe/CdS量子點(diǎn)。熒光光譜、拉曼光譜成像及軟X射線成像的結(jié)果表明，形成的量子點(diǎn)以“金屬小體”的形式聚集在細(xì)菌胞內(nèi)的一側(cè)或者兩端。
　　6.以希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）為異化金屬還原菌模式生物，研究量子點(diǎn)的自組裝及其與金屬解毒之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)細(xì)胞跨膜電子傳遞過程，可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)或其他納米顆粒的高速、定向組裝。在暴露于亞硒酸鈉和氯化鎘中4個小時(shí)后，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，生

8、成了大量的硒化鎘量子點(diǎn)，其合成過程比已知的生物量子點(diǎn)合成過程更快。通過敲除CymA蛋白來阻斷其跨膜電子轉(zhuǎn)移后，合成納米材料由零價(jià)硒為主轉(zhuǎn)變成以硒化鎘為主，合成位置則由周質(zhì)/細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)，同時(shí)細(xì)菌的解毒能力也明顯升高。這些結(jié)果表明細(xì)胞質(zhì)內(nèi)量子點(diǎn)的組裝是一種高效的生物解毒機(jī)制。該工作為充分發(fā)掘希瓦氏菌的解毒能力和定向組裝納米材料的潛能提供了新的思路，并有望拓展到其他異化金屬還原菌，推動多樣化、更可控的納米材料生物自組裝工廠的研究和應(yīng)