手性和荧光硫量子点的快速大规模合成及其在细胞内温度监测中的应用
快速大规模合成手性荧光硫量子点用于细胞内温度监测
学术背景
荧光纳米材料在能源采集、照明显示、通信与信息技术、生物学和医学等领域具有广泛的应用潜力。其中，硫量子点（Sulfur Quantum Dots, SQDs）作为一种新型的无金属量子点，因其环境友好性、优异的生物相容性和可调控的表面化学特性，近年来受到了越来越多的关注。然而，硫量子点的大规模制备及其在消费市场中的应用仍然面临挑战，尤其是其制备过程通常耗时较长，且难以在短时间内获得高质量的产物。因此，开发一种快速、大规模合成硫量子点的方法，并探索其在生物医学中的应用，成为了当前研究的热点。
本文的研究旨在解决硫量子点制备过程中耗时较长的问题，并提出一种通用的快速大规模合成策略。通过利用硫化物物种的空3d轨道与含氮或含氧基团的孤对π电子结合的特性，研究人员开发了一种在10分钟内即可制备出具有蓝色荧光和手性特性的硫量子点的方法。此外，该研究还探索了硫量子点在细胞内温度监测中的应用，为炎症相关疾病的诊断提供了新的工具。
论文来源
本文由Li Zhao、Tianjian Sha、Yufu Liu、Qingsong Mei、Haibin Li、Pinghua Sun、Haibo Zhou和Huaihong Cai共同完成，作者来自暨南大学的药学院、医学院和化学与材料科学学院。该论文于2024年9月20日发表在Chemical & Biomedical Imaging期刊上，题为《Rapid and Large-Scale Synthesis of Chiral and Fluorescent Sulfur Quantum Dots for Intracellular Temperature Monitoring》。
研究流程与结果
1. 硫量子点的快速合成
研究人员开发了一种基于硫粉、氢氧化钠和含氨基化合物（如氨基酸或聚乙烯亚胺）的快速反应策略。具体步骤如下：
- 前驱体制备：将硫粉、氢氧化钠和含氨基化合物（如L-半胱氨酸）溶解在水中，并在90°C下搅拌10分钟，形成透明的橙色前驱体溶液。
- 氧化反应：向前驱体溶液中加入过氧化氢（H₂O₂），溶液颜色迅速从橙色变为无色，并在365 nm紫外光照射下发出蓝色荧光，形成硫量子点。
该方法在10分钟内即可完成硫量子点的制备，且单次实验的产量可达16.844克，显著提高了制备效率。
2. 硫量子点的结构表征
通过透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）观察，硫量子点呈现出不均匀的球形结构，直径约为4 nm。HRTEM图像显示，硫量子点具有清晰的晶格条纹，间距为0.21 nm，与文献报道一致。此外，傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，硫量子点表面含有硫元素、磺酸基团和半胱氨酸分子，进一步验证了其结构模型。
3. 光学特性与手性研究
硫量子点在紫外-可见吸收光谱中显示出215 nm处的明显吸收峰，归因于n → σ*跃迁。在370 nm激发波长下，硫量子点发出460 nm的蓝色荧光，且其荧光强度随激发波长的变化而变化，表现出激发依赖的光致发光特性。此外，研究人员还通过圆二色光谱（CD）证实了硫量子点的手性特性，表明其手性来源于半胱氨酸分子。
4. 温度依赖性荧光特性
硫量子点表现出可逆的温度依赖性荧光特性，其荧光强度随温度升高而逐渐降低。在20-50°C范围内，荧光强度的变化与温度呈线性关系，灵敏度为0.72%/°C。这一特性使得硫量子点能够作为细胞内温度监测的纳米温度计，用于炎症相关疾病的诊断。
5. 细胞内温度监测应用
通过MTT实验，研究人员验证了硫量子点的良好生物相容性，即使在200 μg/mL的浓度下，Hela细胞的存活率仍超过85%。利用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM），研究人员成功监测了Hela细胞在不同温度条件下的荧光强度变化，证实了硫量子点在细胞内温度监测中的潜力。
结论与意义
本研究开发了一种快速、大规模的硫量子点合成策略，显著提高了制备效率，并成功将其应用于细胞内温度监测。该研究不仅为硫量子点的商业化应用奠定了基础，还为炎症相关疾病的诊断提供了新的工具。此外，硫量子点的手性特性为其在手性识别、手性检测和不对称催化等领域的应用开辟了新的可能性。
研究亮点
- 快速大规模合成：本研究提出了一种在10分钟内即可制备出高质量硫量子点的方法，单次实验产量高达16.844克，显著提高了制备效率。
- 手性特性：通过使用手性氨基酸（如L-半胱氨酸），研究人员成功赋予了硫量子点手性特性，为其在手性相关领域的应用提供了新的思路。
- 温度监测应用：硫量子点表现出优异的温度依赖性荧光特性，灵敏度为0.72%/°C，能够用于细胞内温度监测，为炎症相关疾病的诊断提供了新的工具。
其他有价值的信息
本研究还探索了不同含氮或含氧配体（如酪氨酸、丝氨酸、色氨酸和聚乙烯亚胺）对硫量子点荧光特性的影响，发现芳香族氨基酸配体能够使硫量子点发出更长波长的荧光。这一发现为调控硫量子点的荧光颜色提供了新的思路，有望在未来的研究中进一步优化其光学性能。
本研究不仅解决了硫量子点制备过程中的耗时问题，还为其在生物医学和手性相关领域的应用提供了新的可能性，具有重要的科学和应用价值。