水相CdTe量子点在细胞中的光致发光行为研究

论文摘要

纳米科学在生物医学领域的应用是现在最引人注目、最具活力的研究方向之一。水溶性半导体荧光量子点由于其良好的光学特性,如高量子效率、尺寸可调的荧光发射波长、宽带吸收与窄带荧光、光稳定性良好、双光子吸收截面大等,被认为是非常重要的一种荧光标记材料,并且广泛地应用于细胞标记技术、蛋白示踪、DNA阵列检测技术、免疫荧光标记方法、生物活体及组织检测等方向的研究。结合量子点的荧光共振能量转移,荧光漂白恢复,荧光寿命成像等先进手段在细胞生物学,生物化学和医学等领域的应用也有初步的研究。由量子点带来的技术变革还远未结束。本文围绕硫醇包覆水溶性的碲化镉量子点在活体细胞内的行为展开,分别研究了CdTe量子点在细胞内的动态分布过程,细胞内量子点的荧光光谱特性和荧光寿命特性,并且对细胞复杂微环境下影响量子点光学特性的因素作了深入探讨。主要有以下三个方面的结果:1.基于激光扫描共焦显微镜系统,研究了亚细胞尺度下量子点在活体细胞内动态分布过程。通过细胞的荧光双染色技术,发现量子点在细胞内不仅可以富集于内涵体/溶酶体,而且更重要的是,我们首次观察到了量子点进入高尔基体的动态过程,发现高尔基体也是摄入细胞的量子点的一个主要分布区域。这对于如何将量子点用于生物标记和了解纳米微颗粒在细胞内的输运都有重要意义。2.细胞内量子点的荧光特性是量子点作为应用于生物医学光子材料的最基本的依据。本文利用共焦显微镜的微区荧光光谱技术,研究了细胞内量子点的光诱导荧光现象,发现了量子点的光激活、光致蓝移和光淬灭现象,并且首次用实验证明了量子点的光氧化过程是细胞内量子点的这些光诱导荧光现象的主要原因。同时证明了单态氧是由光激发的量子点将能量传递给吸附在量子点表面配体之间的氧分子而产生的。这些结果表明细胞内的氧环境对量子点的光致发光行为有重要的影响。3.量子点在细胞内的荧光效率是一个非常重要的参数,但是由于细胞内的复杂环境和量子点分布的不均匀,很难对荧光效率作定量分析。而荧光寿命则不受上述因素的影响,能够很好地反映非辐射弛豫产生的结果,因此是荧光效率的一个很好的判据,同时也是量子点其他应用的重要依据(如荧光寿命图像显微术,Fluorescence lifetime imaging microscopy)。本文根据量子点在细胞器内的分布,首次研究了量子点在亚细胞微区的荧光寿命。结果表明在活体细胞内复杂的微环境下,不同区域的量子点荧光寿命有很大的差异,酸性溶酶体内的量子点荧光寿命明显低于溶酶体外的量子点的寿命,而细胞内的量子点荧光寿命明显低于水溶液中量子点的荧光寿命。进一步的研究证明,酸性环境和细胞生物分子与量子点的相互作用是影响细胞内量子点寿命的两个可能原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 纳米科学与生物医学
• 1.2 半导体荧光量子点概述
• 1.2.1 量子点的基本特性
• 1.2.2 量子点的制备
• 1.2.3 荧光量子点光学特性研究
• 1.3 半导体荧光量子点的在生物医学中应用
• 1.3.1 量子点与生物分子的生物偶联
• 1.3.2 量子点细胞标记
• 1.3.3 量子点活体标记及组织成像
• 1.3.4 量子点荧光标记分析检验技术
• 1.3.5 量子点荧光共振能量转移技术
• 1.3.6 量子点荧光寿命显微成像技术
• 1.4 本文结构与内容
• 参考文献
• 第二章 实验方法
• 2.1 荧光显微镜与激光扫描共焦显微镜
• 2.1.1 荧光显微镜工作原理
• 2.1.2 激光扫描共焦显微镜简介
• 2.2 Thiol修饰的CdTe半导体量子点的制备
• 2.3 细胞培养
• 2.3.1 细胞复苏
• 2.3.2 细胞传代培养（消化法）
• 2.4 显微荧光图像和微区光谱及荧光寿命测量
• 参考文献
• 第三章 量子点在活体细胞内分布的动态研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 量子点及荧光探针
• 3.2.2 细胞培养及样品制备
• 3.2.3 显微镜荧光图像测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 量子点与溶酶体
• 3.3.2 量子点与高尔基体
• 3.3.3 量子点与线粒体
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 量子点在细胞中的光谱特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 量子点的光谱蓝移现象
• 4.3.2 量子点光氧化机理研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 细胞内量子点的荧光寿命特性
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 不同pH值量子点溶液中量子点聚集体的尺寸测量
• 5.2.2 量子点吸收光谱和荧光光谱测量
• 5.2.3 细胞微区的量子点荧光寿命测量
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 pH值对量子点的水溶性和荧光特性的影响
• 5.3.2 细胞微环境对量子点荧光寿命的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 攻读博士期间发表的文章