Small:逆合成分析——荧光碳点可控制备策略及其精准成像应用

随着纳米技术的不断发展,荧光纳米材料在生物成像等领域展现出越来越多的优势。其中,碳点(Carbon Dots, CDs,又称碳化聚合物点)作为一种性能优良的荧光纳米材料,自2004年Scrivens教授课题组首次报道以来就受到了愈来愈多的关注。碳点主要由天然含量丰富、作为生命体重要组成元素的碳构成,与传统有机小分子荧光染料相比,具有抗光漂白性能强、毒性低、生物相容性好、细胞内滞留时间长、原料廉价易得等优点,在生物医学成像等领域有着广阔的应用前景。

碳点的制备主要有两种方式:“自上而下”法——由石墨烯等碳材料作为碳源,通过激光消融等手段切割而成;“自下而上”法——由有机小分子或聚合物通过聚合、碳化而成。然而,目前碳点的制备方法大多数为半经验主义,合成机制尚不明了,缺乏从原子和分子水平上精准设计功能化荧光碳点的理论指导与策略,难以预知碳点的发光性质,阻碍了其进一步的发展与应用。近年来,碳点的荧光发射机理研究认为,具有高荧光量子产率的碳点存在由荧光基团构成的发光中心,即在碳点的制备过程中,前体分子(原料)不仅通过交联、脱水碳化生成碳核和表面,还生成了具有荧光发射性能的分子荧光基团,进而形成碳点的发光中心,使碳点呈现出相应的光学性质。因此,发光中心作为碳点的重要结构单元,是从原子和分子水平上实现碳点精准设计与制备的分子基础。如何设计和筛选前体分子结构、确定合成路线以制备具有所需发光中心的功能化碳点,成为碳点精准制备与性能调控的关键所在。

针对这一问题,郑州大学屈凌波教授、李朝辉教授和同济大学王颖教授研究团队将逆合成分析引入到碳点制备领域,提出了以下设计理念:根据研究与应用需求,通过分子设计确定碳点的发光中心结构,采用逆合成分析对发光中心进行分子拆分,逆向推断出前体分子,进而实现功能化荧光碳点的精准制备。研究者以罗丹明类亲脂阳离子为模型发光中心,基于逆合成分析,选取柠檬酸和间氨基酚为前体分子,并通过改变间氨基酚的取代基团,设计合成了一系列发射从绿光到红光的荧光碳点。该类碳点水溶性好,粒径均一,荧光量子产量较高,生物相容性好。已有研究表明,由于线粒体具有强的负跨膜电位,具有亲脂阳离子结构的分子更易于靶向和聚集在线粒体中,比如罗丹明类分子。那么,含有罗丹明类亲脂阳离子结构的碳点是否依然保留了这一性能呢?结果发现,该类碳点较好的遗传了罗丹明类亲脂阳离子的线粒体靶向性,且呈现出优异的抗光漂白性能,在线粒体长程示踪领域展现出广阔的应用前景。

该研究工作为功能化碳点可控制备提供了基于逆合成分析的新思路、新策略,有望进一步应用于其他类型碳点的精准制备,推动功能化碳点在生物医学成像、化学生物传感和环境纳米分析等领域的基础与应用研究进展。相关论文在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.201901517)上。