单层石墨相-C3N4量子点:一种新型细胞核成像的双光子荧光探针

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通过荧光探针对活体细胞成像在生物领域的发展中具有至关重要的作用,然而荧光探针所普遍具有的光毒性、光漂白以及光热效应等无疑限制了它们在生物体中的应用。近年来,伴随着双光子电镜的发展,具有双光子吸收的荧光探针由于其较大的穿透深度、对生物体较低的光伤害等特性引发了人们的广泛关注。在真核细胞中细胞核拥有大量的遗传物质并且被认为是最重要的细胞器之一。因此,使用合适的荧光探针对细胞核进行成像对疾病的诊断、核酸的追踪都具有非常重要的作用。想要有效的进入细胞核,荧光探针必须具有较小的尺寸(小于8 nm),并且能够与细胞核内部的核酸或者组蛋白进行特异性的结合。因此到目前为止,仅仅少数具有双光子吸收特性的荧光探针能够对细胞核进行成像。另外,出色的双光子荧光探针在具有低毒性和低光漂白性的同时,还必须具有较大的双光子吸收截面。尽管一系列的双光子荧光探针如:有机染料、半导体量子点等被成功制备出来,但是他们所具有的较小的双光子吸收截面或者含有有毒的重金属离子等,无疑限制了他们在生物体内成像的应用。因此,探索新型具有较大双光子吸收截面、低毒性和低光漂白性,并且能够对细胞核进行成像的双光子荧光探针具有非常重要的意义,同时也极具挑战性。

针对这一问题,中国科学技术大学谢毅教授课题组与中国科学技术大学王均教授、安徽大学田玉鹏教授合作,发现基于单层石墨相-C3N4量子点的双光子荧光探针具有优异的细胞核成像的特点。该小组通过改良的液相剥离法首次制备了厚度仅为0.35nm,尺寸约4nm的石墨相-C3N4量子点,并且通过理论计算表明单层的石墨相-C3N4呈现出较之相应多层物质更强的双光子吸收特性,所制备的单层石墨相-C3N4量子点的双光子吸收截面在750nm时高达28000 GM。石墨相-C3N4量子点合适的尺寸分布,以及与细胞核中的DNA和组蛋白良好的结合,使得其能够对细胞核进行成像。不仅如此,单层石墨相-C3N4量子点还具有很好的生物兼容性,以及可忽略的光热效应。通过对细胞成像实验,我们发现单层石墨相-C3N4量子点具有和商业细胞核荧光探针如DAPI相当的成像效果,然而价格却远远低于现有的商业品染料,使得石墨相-C3N4量子点具有很好的商业前景。