N-摻雜石墨烯量子點的制備及熒光成像研究

張 坤，王楷淇，張 靜，夏宇涵，杜寶萱，董 建

(山東第一醫科大學(山東省醫學科學院)，山東 泰安 271016)

近年來，GQDs因其優異的光化學特性、良好的生物相容性引起了人們的廣泛關注[1-2]。如何進一步提高GQDs的量子產率及拓展其應用領域是目前研究的熱點問題。雜原子摻雜[3]是調節GQDs熒光性質，提高量子產率的有效方法，其中有關N-GQDs的研究最為廣泛[4-5]。N-GQDs作為一種新型熒光納米材料，在細胞成像、藥物傳輸、生物傳感等領域具有廣闊的應用前景。

本論文以GQDs為碳源，三聚氰胺為氮源，采用高溫熱解而后硝酸氧化的方法制備N-GQDs，并對其微觀形貌和光學性質進行表征。在此基礎上，選用腦膠質瘤U251細胞對N-GQDs的細胞毒性和熒光成像性質進行評價。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

GQDs：自制，具體方法見文獻[2]；三聚氰胺：分析純，美國Sigma-Aldrich公司；硝酸、二甲亞砜(DMSO)：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；RPMI培養基：Hyclone公司；MTT，4%多聚甲醛、青鏈霉素混合液、胰酶-EDTA消化液：北京索萊寶科技有限公司；新生牛血清：浙江天橋生物科技有限公司。

1.2 儀器設備

超聲波振蕩器：SB-12D型，寧波新藝超聲設備公司；真空干燥箱，DZF-6020，上海精宏實驗設備有限公司；高溫管式爐：GSL-1600x型，合肥科晶材料技術有限公司；冷凍干燥機：SCIENTZ型，寧波新芝生物科技股份有限公司；紫外暗箱：ZF-20D型，鞏義市予華儀器有限公司；二氧化碳培養箱：3111型，Thermo Fisher Scientific公司；透射電子顯微鏡(TEM)：Tecnai G2 F20型，美國飛利浦公司；紫外分光光度計：U-3900型，日本Hitach公司；熒光分光光度計：F-4600型，日本Hitach公司；酶標儀：Infinite M200型，德國Tecon公司；熒光倒置顯微鏡：GPJ9-TS100型，日本尼康公司。

2 實驗方法

2.1 N-GQDs的制備

將50 mg GQDs超聲分散于100 mL去離子水中，然后加入0.25 g三聚氰胺，攪拌直至出現明顯的沉降。將上述混合體系蒸干，真空干燥24 h，研成粉末。將粉末置于石英舟內，氬氣保護下750℃熱解45 min，然后用6 mol/L HNO3回流8 h，蒸干HNO3，透析純化得到N-GQDs。

2.2 N-GQDs的形貌及光學性質表征

分別采用TEM、紫外分光光度計和熒光分光光度計對N-GQDs的微觀形貌和光學性質進行表征；以硫酸奎寧在0.1 mol/L H2SO4(Q = 0.54，340 nm) 為參照，按照下列公式計算N-GQDs的量子產率。其中Q：量子產率，I：熒光發射峰積分面積，n：折射率，A：吸光度，R：指參考樣品。

2.3 N-GQDs的細胞毒性測定

收集處于生長對數期的U251細胞，胰酶-EDTA消化后吹打得到細胞懸液(5×104個/mL)。將細胞懸液加入96孔板，放入37℃，5% CO2培養箱培養24 h。細胞貼壁后加入不同濃度的N-GQDs溶液20 μL，繼續培養24 h。加入20 μL MTT，孵育4 h后終止培養。每孔加入150 μL DMSO，低速振蕩10 min。用酶標儀測定各孔的吸光值(A)，測定波長為490 nm。細胞存活率= (A-Ablank/Acontrol-Ablank) ×100%，其中Blank為空白組；Control為對照組。

2.4 N-GQDs的細胞成像研究

收集處于生長對數期的U251細胞，將細胞懸液接種至細胞爬片，加入培養液培養24 h。繼續加入N-GQDs溶液(2.5 μg/mL)培養12 h，PBS沖洗3次。取出細胞爬片，加入4%多聚甲醛室溫固定10 min，PBS清洗3次。將細胞爬片轉移至載玻片上，封片固定。采用熒光倒置顯微鏡觀察N-GQDs的細胞成像。

3 結果與討論

3.1 N-GQDs的微觀形貌

N-GQDs的TEM照片及其粒徑分布如圖1(a)和(b)所示。本方法制備的N-GQDs具有良好的分散性，粒徑分布較為均勻，平均粒徑約為3.5 nm。

圖1 N-GQDs的TEM照片及其粒徑分布

3.2 N-GQDs的光學性質

如圖2所示，N-GQDs的紫外-可見吸收光譜在266 nm處有一個明顯的肩峰，其歸因于C=O的n-π*躍遷。由熒光光譜可知，N-GQDs的最佳激發波長為360 nm，其發射峰位于442 nm處。當激發波長由380 nm向480 nm轉變時，發射峰發生明顯的紅移。在365 nm紫外燈照射下，N-GQDs呈現明顯的藍色熒光。N-GQDs的量子產率為15.8%，明顯高于GQDs(0.8%)。

圖2 N-GQDs的紫外-可見吸收光譜及熒光光譜圖

3.3 N-GQDs的細胞毒性

圖3 不同濃度N-GQDs孵育的U251細胞活力圖

要將N-GQDs應用于生物成像領域，安全性是最基本的要求。由圖3可見，在N-GQDs的濃度≤120 μg/mL的情況下，U251細胞24 h后的存活率一直保持在90%以上，表明N-GQDs細胞毒性小，可保證其后續細胞成像的安全性。

3.4 N-GQDs的細胞熒光成像

將N-GQDs與U251細胞共同孵育12 h后，置于熒光倒置顯微鏡下觀察。如圖4所示，N-GQDs可進入U251細胞，并呈現出明顯的綠色熒光，這表明N-GQDs有望作為一種安全性較高的熒光標記物，應用于U251細胞成像。

圖4 N-GQDs孵育的U251細胞的熒光成像照片

4 結論

本研究以GQDs為碳源，三聚氰胺為氮源，采用高溫熱解而后硝酸氧化的方法制備了一種尺寸分布較為均勻的N-GQDs。與GQDs相比，N-GQDs的量子產率顯著增加。N-GQDs有望作為一種安全的熒光標記物，應用于U251細胞成像。