CN103980894A - 一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点、制备方法及其应用 - Google Patents

一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点、制备方法及其应用 Download PDF

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一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点、制备方法及其应用，属于高分子材料技术领域。其是以生物分子叶酸和含氨基有机物为原料，采用简单加热方法一步合成对癌细胞具有选择性成像的荧光碳量子点。其具有合成方法简单、生物毒性低、量子产率高、粒子小、尺寸均一、可大量生产等优点。该荧光碳量子点对特定癌细胞具有靶向功能，可作为癌症诊断和治疗的荧光显像材料来使用，在肿瘤检测、药物缓释、基因治疗等领域发挥重要作用。

Description

一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点、制备方法及其在制备癌症诊断和治疗荧光显像材料方面的应用。
背景技术
纳米材料有着不同于一般材料的物理性能和化学性能，如表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等，这些优异性能可以为人们的生活和生产提供更好的服务。碳元素是自然界最丰富的元素之一，也是生命体最重要的组成元素之一，生命体的基本结构单元氨基酸、核苷酸等的骨架都是碳元素组成的，因此碳材料通常对生命体是无毒性或低毒性的。纳米碳材料可用作吸附剂、强力流膜、深度过滤器、抗菌剂、环境传感器和防止污染材料等。在生物学中，碳纳米管可用作抗体识别、核酸序列识别、生物分离和生物催化等。荧光碳点作为一种新兴零维纳米材料量子点，它是由分散的、准球形的、纳米粒子组成尺寸小于10nm的。其粒径小容易通过内吞和渗透等作用进入细胞，这有利于生物成像；其激发光谱宽而连续，发射光谱可“协调”，通过合适的掺杂和化学处理、或与纳米材料进行复合，可用于光电材料、磁共振成像的造影剂、电池电极的磁性数据存储应用等领域；碳点表面含有很多羧酸基团，因此赋予了碳点良好的水溶性以及适宜与各种有机物、聚合物、无机物以及生物质进行复合并展现后续官能团化的性质；它具有优异的抗光漂白性，这有利于碳点作为荧光探针在细胞示踪、成像等方面的应用；最吸引人的地方是碳点较低的生物毒性和较好的生物相容性，可以替代目前已广泛使用部分有毒和环境污染的重金属量子点荧光材料。
荧光检测作为一种高灵敏和方便的分析技术而被广泛用于离子检测、分子识别、生物标记、细胞成像等领域，逐渐成为化学和生物学科领域重要的检测手段。近年来，随着细胞标记技术不断发展，寻找一种对癌细胞具有靶向作用的荧光材料，对于患者早期癌症的诊断和治疗是至关重要的。叶酸受体是一些癌细胞特有的靶向感受器，叶酸受体分布在宫颈、乳腺、肺、***、喉癌等癌细胞中。对于含有叶酸受体的细胞来说，使用叶酸修饰的荧光材料或者荧光分子可以实现对上述靶向细胞的选择性成像。同时，这种叶酸靶向技术也被广泛的用于癌细胞的识别和检测。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种对特定癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法。
在此发明中，以生物分子叶酸和含氨基有机物为原料，采用简单加热方法一步合成对癌细胞具有选择性成像的荧光碳量子点。其具有合成方法简单、生物毒性低、量子产率高、粒子小、尺寸均一、可大量生产等优点。该荧光碳量子点对特定癌细胞具有靶向功能，可作为癌症诊断和治疗的荧光显像材料来使用，在肿瘤检测、药物缓释、基因治疗等领域发挥重要作用。
本发明所述的一种对特定癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法，其步骤如下：
(1)在盛有去离子水的反应器中，加入2～6mmol对癌细胞具有靶向作用的材料1和10～60mmol含氨基有机物2，在室温下强烈搅拌(200转/分～500转/分)，使二者充分溶解，形成黄色水溶液；
(2)将步骤(1)得到的黄色溶液加热到100～200℃处理8～300min后，溶液由黄色变成黑褐色并得到固体；
(3)将步骤(2)得到的固体重新溶解于去离子水中，除去底层大的块状固体，再离心和洗涤产物3～5次；然后通过渗析处理，除去未反应的小分子，最终得到碳量子点水溶液，冻干后储存在盛有去离子水的反应器中。
上述方法中，对癌细胞具有靶向作用的材料1是叶酸；
上述方法中，含氨基有机物2是尿素、环已胺、乙二胺、异丙胺、三乙醇胺、溴化四丁基铵、亚精胺、正丁胺、苯胺；
上述方法中，采用的加热方式有微波加热法和水热方法。
将步骤(3)得到的碳量子点稀释至浓度为10～50mg/L，共做三组实验，第一组是将碳量子点与正常的GES-1细胞(胃黏膜细胞)共培养4h；第二组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养8h；第三组是将碳量子点与癌细胞HeLa细胞(***细胞)共培养1h。
本发明的目的之二是提供一种对特定癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点，其由上方法制备得到。
本发明的目的之三是提供一种用作癌症诊断和治疗的荧光显像材料，其是由上述对特定癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点制备得到。
本发明具有如下优点：1、合成碳量子点的原料来源丰富、价廉易得，碳点制备过程方法简单，绿色环保，可大量合成生产；2、该荧光碳量子点的粒径小，可以控制在2～7nm之间，尺寸均一，可以稳定分散在水中，无团聚现象；3、合成的荧光碳量子点具有优良的荧光性质，荧光量子产率高；4、碳量子点的荧光性质具有优异的稳定性，在不同的离子浓度(NaCl溶液中0～2M)、pH值(pH＝3～11)、紫外光辐照时间(0～300min)下性能稳定，这是其应用于生物检测、化学传感、光电器件等领域的基础；5、荧光碳量子点生物毒性低，可以实现活细胞和活体中光学成像，对特定癌细胞具有靶向功能，可以作为癌症的诊断和治疗的荧光显像材料来使用。
附图说明
图1：为合成碳量子点的透射电镜照片，其粒径为3.5nm。(实施例1)
图2：为碳量子点的FT-IR光谱。它们所包含的-OH，C＝O，CN(C＝N)，-NH和-CH基团，表明该碳量子点结构中含有叶酸分子。(实施例1)
图3：为合成碳量子点的透射电镜照片，其粒径为5nm。(实施例2)
图4：为碳量子点水溶液的(i)紫外—可见吸收光谱(ii)荧光激发谱和(iii)荧光发射光谱。插图显示的碳量子水溶液在(iv)可见光和(v)紫外光下的光学照片，表明碳量子点在水中分散均匀，且具有优良的蓝色荧光性质。(实施例1)
图5：为激光共聚焦荧光显微镜照片。将胃黏膜正常细胞与碳量子点共同培养(a)4h，(b)8h，(c)与***细胞共同培养1h的共聚焦图像；(i)明场，(ii)共聚焦荧光(iii)叠加图像，结果显示荧光碳量子点4h不能进入正常细胞，到8h才能进入正常细胞；而只需1h即可进入癌细胞。表明碳量子点具有靶向识别癌细胞的功能。(实施例1)
具体实施方式
实施例1：
(1)在盛有去离子水的反应器中，加入具有对癌细胞具有靶向作用的材料叶酸4.5mmol和尿素33.3mmol，在室温下进行(400转/分)强烈搅拌，使二者充分溶解，此时形成黄色水溶液。
(2)将步骤(1)得到的黄色溶液放入500W的微波反应器，反应8min后，溶液由黄色变成了黑褐色并得到固体。
(3)将步骤(2)得到的固体取0.2g重溶解于20mL去离子水中，除去底层大的块状固体，离心和洗涤产物进行3次处理，再通过渗析处理(5000MwCO)，除去未反应的小分子，最终得到碳量子点水溶液，冻干在盛有去离子水的烧杯中。
(4)将步骤(3)得到的碳量子点稀释至浓度为20mg/L，共做三组实验，第一组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养4h；第二组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养8h；第三组是将碳量子点与叶酸能靶向作用的癌细胞HeLa细胞共培养1h。结果显示荧光碳量子点4h不能进入正常细胞，到8h才能进入正常细胞；而只需1h即可进入癌细胞。表明碳量子点具有靶向识别癌细胞的功能。
实施例2：
(1)在盛有去离子水的反应器中，加入具有对癌细胞具有靶向作用的材料叶酸4.5mmol和环已胺33.3mmol，在室温下混和均匀并超声30min，使二者充分溶解，此时形成黄色水溶液。
(2)将步骤(1)得到的黄色溶液转移到100mL聚四氟乙烯反应釜内衬中并装好钢套,在烘箱中逐渐加热到200℃并恒温5h，自然冷却至室温。
(3)将步骤(2)得到的固体取0.2g重新溶解于20mL去离子水中，除去大颗粒未反应的固体，离心和洗涤产物进行3次处理，然后通过滤膜进行过滤处理，再经过透析除去未反应的小分子，最终得到碳量子点水溶液，冻干在盛有去离子水的烧杯中。
(4)将步骤(3)得到的碳量子点稀释至浓度为20mg/L，共做三组实验，第一组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养4h；第二组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养8h；第三组是将碳量子点与叶酸能靶向作用的癌细胞HeLa细胞共培养1h。结果显示荧光碳量子点4h不能进入正常细胞，到8h才能进入正常细胞；而只需1h即可进入癌细胞。表明碳量子点具有靶向识别癌细胞的功能。
实施例3：
(1)在盛有去离子水的反应器中，加入具有对癌细胞具有靶向作用的材料叶酸4.5mmol和乙二胺16.7mmol，在室温下进行(400转/分)强烈搅拌,使二者充分溶解，此时形成黄色水溶液。
(2)将步骤(1)得到的黄色溶液放入500W的微波反应器，反应8min后，溶液由黄色变成了黑褐色并得到固体。
(3)将步骤(2)得到的固体取0.2g重新溶解于20mL去离子水中，除去底层大的块状固体，离心和洗涤产物进行3次处理，再通过渗析处理(5000MwCO)，除去未反应的小分子，最终得到碳量子点水溶液，冻干在盛有去离子水的烧杯中。
(4)将步骤(3)得到的碳量子点稀释至浓度为20mg/L，共做三组实验，第一组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养4h；第二组是将碳量子点与正常的GES-1细胞共培养8h；第三组是将碳量子点与叶酸能靶向作用的癌细胞HeLa细胞共培养1h。结果显示荧光碳量子点4h不能进入正常细胞，到8h才能进入正常细胞；而只需1h即可进入癌细胞。表明碳量子点具有靶向识别癌细胞的功能。

Claims (6)

1.一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法，其步骤如下：
(1)在盛有去离子水的反应器中，加入2～6mmol对癌细胞具有靶向作用的材料1和10～60mmol含氨基有机物2，在室温下强烈搅拌，使二者充分溶解，形成黄色水溶液；
(2)将步骤(1)得到的黄色溶液加热到100～200℃处理8～300min后，溶液由黄色变成黑褐色并得到固体；
(3)将步骤(2)得到的固体重新溶解于去离子水中，除去底层大的块状固体，再离心和洗涤产物3～5次；然后通过渗析处理，除去未反应的小分子，最终得到碳量子点水溶液，冻干后储存。
2.如权利要求1所述的一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：对癌细胞具有靶向作用的材料1是叶酸。
3.如权利要求1所述的一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：含氨基有机物2是尿素、环已胺、乙二胺、异丙胺、三乙醇胺、溴化四丁基铵、亚精胺、正丁胺或苯胺。
4.如权利要求1所述的一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：加热方式为微波加热法或水热方法。
5.一种对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点，其特征在于：由权利要求1～4任何一项方法制备得到。
6.一种用作癌症诊断和治疗的荧光显像材料，其特征在于：由权利要求5所述的对癌细胞具有靶向识别功能的荧光碳量子点制备得到。
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