本文選題：生物自組裝 + 量子點(diǎn)(QDs)　； 參考：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：量子點(diǎn)因其優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì),在生物成像、生物傳感、生物診斷、光學(xué)器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法往往涉及到高溫、厭氧、有毒試劑、表面修飾反應(yīng)過(guò)程,難以滿足綠色、可持續(xù)發(fā)展的需求,因此,量子點(diǎn)的生物合成應(yīng)運(yùn)而生。掌握和利用活體生物的自組裝能力,精確調(diào)控量子點(diǎn)的生物合成過(guò)程,成為當(dāng)前量子點(diǎn)研究的熱點(diǎn)。在本學(xué)位論文中,我們采用了多種生物合成量子點(diǎn),并利用新的分子光譜分析方法結(jié)合分子生物學(xué)分析和理論計(jì)算,從熒光動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、調(diào)控方法、形成機(jī)理、合成應(yīng)用等方面對(duì)生物量子點(diǎn)的合成和機(jī)理進(jìn)行了研究,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:1.為了對(duì)合成量子點(diǎn)的光學(xué)性能進(jìn)行有效的表征,利用熒光顯微鏡追蹤了產(chǎn)朊假絲酵母體內(nèi)原位自組裝量子點(diǎn)的熒光動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。結(jié)果顯示量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨時(shí)間呈現(xiàn)明顯的光活化、光穩(wěn)定、光淬滅變化過(guò)程。光活化過(guò)程與延伸型指數(shù)函數(shù)相吻合,而光漂白過(guò)程則與雙指數(shù)函數(shù)相吻合。該工作探索了生物自組裝量子點(diǎn)的光動(dòng)力學(xué)過(guò)程,為其下一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。此外,我們也發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的光活化指數(shù)和最大熒光強(qiáng)度與鎘離子濃度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系,該性質(zhì)有望應(yīng)用于鎘離子的檢測(cè)。2.利用產(chǎn)朊假絲酵母原位自組裝了硒化鎘量子點(diǎn),并通過(guò)改變反應(yīng)前驅(qū)物的濃度實(shí)現(xiàn)了對(duì)合成量子點(diǎn)性質(zhì)的調(diào)控。結(jié)果表明,在一定范圍內(nèi)提高鎘離子濃度有利于促進(jìn)合成量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度和熒光穩(wěn)定性。這主要是由于高濃度鎘離子導(dǎo)致零價(jià)硒顆粒形成減少,而硒化鎘量子點(diǎn)合成量的增加,同時(shí)伴隨著硫化鎘的形成。所制備的量子點(diǎn)可被直接用于生物成像,無(wú)需額外修飾。該工作深化了對(duì)量子點(diǎn)生物合成機(jī)制的認(rèn)識(shí),為高性能量子點(diǎn)的生物合成提供了有效的調(diào)控方法。3.針對(duì)生物量子點(diǎn)合成速率慢(普遍需要十多小時(shí))的問(wèn)題,提出了利用質(zhì)子濃度來(lái)調(diào)控量子點(diǎn)快速合成的新方法。發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液pH為4.5的情況下,大腸桿菌可實(shí)現(xiàn)超快速(1小時(shí)內(nèi))、高產(chǎn)率合成硫硒化鎘量子點(diǎn),且得到的量子點(diǎn)粒徑均一、熒光性能優(yōu)異。進(jìn)而深入探索了 pH調(diào)控量子點(diǎn)合成的生物學(xué)機(jī)制,并將所制量子點(diǎn)應(yīng)用于細(xì)胞、小鼠的生物成像。該工作提供了一種簡(jiǎn)單、快速、高效的生物量子點(diǎn)合成調(diào)控新方法。4.生物體內(nèi)量子點(diǎn)的合成與其脫毒過(guò)程存在緊密聯(lián)系,但其機(jī)理尚不清楚。我們研究了大腸桿菌的代謝過(guò)程與硒和鎘元素在生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化、相互作用以及與量子點(diǎn)合成的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果顯示提高代謝底物(葡萄糖)濃度不僅顯著提高了生物體內(nèi)累積的硒鎘含量,也改變了硒鎘的生物轉(zhuǎn)化過(guò)程,使部分磷酸鎘轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袃?yōu)異熒光性能的硫硒化鎘量子點(diǎn)。由此提出了基于量子點(diǎn)合成的硒-鎘拮抗新機(jī)制,這對(duì)硒和鎘污染環(huán)境的生物修復(fù)和重金屬的資源化回收利用也具有參考價(jià)值。5.利用大腸桿菌作為模式生物,進(jìn)一步解析了生物自組裝量子點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)、合成路徑及其儲(chǔ)藏器官。X射線精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收譜(XAFS)和高分辨電鏡元素成像的結(jié)果顯示合成的CdSe/CdS量子點(diǎn)是核-殼結(jié)構(gòu),其表層含有大量磷酸鹽和有機(jī)硒。不同菌基因表達(dá)量的變化和密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明,磷在量子點(diǎn)組裝過(guò)程中扮演著一個(gè)鎘離子媒介的作用:鎘離子以磷酸根載體被轉(zhuǎn)移并與硒醇類氨基酸蛋白和硫醇類氨基酸蛋白結(jié)合,進(jìn)而組裝生成CdSe/CdS量子點(diǎn)。熒光光譜、拉曼光譜成像及軟X射線成像的結(jié)果表明,形成的量子點(diǎn)以"金屬小體"的形式聚集在細(xì)菌胞內(nèi)的一側(cè)或者兩端。6.以希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)為異化金屬還原菌模式生物,研究量子點(diǎn)的自組裝及其與金屬解毒之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞跨膜電子傳遞過(guò)程,可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)或其他納米顆粒的高速、定向組裝。在暴露于亞硒酸鈉和氯化鎘中4個(gè)小時(shí)后,在細(xì)胞質(zhì)內(nèi),生成了大量的硒化鎘量子點(diǎn),其合成過(guò)程比已知的生物量子點(diǎn)合成過(guò)程更快。通過(guò)敲除CymA蛋白來(lái)阻斷其跨膜電子轉(zhuǎn)移后,合成納米材料由零價(jià)硒為主轉(zhuǎn)變成以硒化鎘為主,合成位置則由周質(zhì)/細(xì)胞表面轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì),同時(shí)細(xì)菌的解毒能力也明顯升高。這些結(jié)果表明細(xì)胞質(zhì)內(nèi)量子點(diǎn)的組裝是一種高效的生物解毒機(jī)制。該工作為充分發(fā)掘希瓦氏菌的解毒能力和定向組裝納米材料的潛能提供了新的思路,并有望拓展到其他異化金屬還原菌,推動(dòng)多樣化、更可控的納米材料生物自組裝工廠的研究和應(yīng)用。
[Abstract]:The synthesis and mechanism of quantum dots are studied by means of fluorescence microscope . In this paper , we studied the relationship between the metabolic processes of Escherichia coli and the transformation , interaction and quantum dot synthesis of Se and Cd elements in organisms .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TB383.1

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本文編號(hào)：2003963