活性氧(Reactive oxygen species, ROS)作为活体新陈代谢过程中重要的一类活性和信号分子，其主要组成部分H₂O₂的生产过剩与炎症、癌症等众多疾病密切相关。因此，活性氧的检测对于很多疾病的认识、诊断和治疗是不可或缺的。为了解决这一问题，诸多手段例如“暗”生物过程和辐射重组机制被提出和发展，在这些手段中，化学发光（Chemiluminescence，CL）是一种由化学反应的能量转移引起的发光，可作为一种具有定量和定位功能的超灵敏化学分析成像方法，引起了人们的广泛关注。由于无自发荧光干扰和高能激光激发，化学发光在生物体内成像可显示出高信噪比和低扰动性。此外，化学发光成像技术具有对病变组织的形态、生化等多种参数进行同时、定量地描述和分析能力，适合于组织病变的早期诊断和病程监测。然而，目前关于H₂O₂的CL报道主要集中在小分子染料、半导体聚合物和聚集诱导发射纳米粒子上，这些纳米粒子效率低、发射波长短且在高氧化性的ROS中化学稳定性差，因此，开发新型的CL纳米传感器对体内外活性氧的成像和检测具有重要意义。

2019年，郑州大学娄庆博士、单崇新教授团队以柠檬酸和尿素作为前驱体，利用溶剂调控，实现了基于碳点的红、绿、蓝多色高效化学发光，见Adv. Sci. 6, 1802331 (2019）。在以上工作的基础上，团队近日合成了一种近红外波段化学发光碳点(CDs)，其最大CL发射波长为647 nm，CL量子产率为9.98×10^-3 einstein mol^-1，为目前报道的碳点体系的最大值。在该工作中，作者通过加入硬酯胺改变原始CDs的亲水性，获得疏水性碳点(M-CDs)，进而将M-CDs与双草酸酯(CPPO)结合形成聚合纳米碳点(P-CDs)。制备的P-CDs平均粒径为40 nm左右，非常适用于生物医学标记和诊断领域，且在活体内外对H₂O₂均有良好的信号相应，其线性范围在0到10^-7 M，检测限低至5*10^-9M。此外，实验结果证明，P-CDs是活体小鼠炎症等相关疾病中H₂O₂生物成像的潜在CL探针。该文章以“Near-Infrared Chemiluminescent Carbon Nanodots and Their Application in Reactive Oxygen Species Bioimaging”发表在Adv. Sci.上，见Adv. Sci. 7, 1903525 (2020)。

图1. CDs的(a)基本形貌；(b) PL性质；(c) CL性质；(d)各类的ROS的选择性；(e-f) CL强度与反应物浓度的关系

图2. M-CDs的(a)制备机理；(b)基本形貌；(c)CDs的紫外可见图比较；(d)¹HNMR比较；(e)红外光谱的比较；(f) M-CDs的CL性质

图3. P-CDs的(a)形成机理；(b)粒径分布；(c)PL与CL性质；(d)动态CL光谱；(e)在不同浓度的P-CDs中培养24小时后Hela细胞的存活率

为了更好地与CPPO结合形成P-CDs，作者利用硬脂酸将CDs的亲水性表面改性为疏水性表面，改性前后的CDs只是表面官能团有所不同（改性后为烷基链），粒径、PL性质与CL性质均没有发生变化。其中，M-CDs与疏水性的CPPO之间可以通过氢键相互作用形成紧密的桥联，TEM表明制备的P-CDs粒径平均在40 nm左右，非常适用于生物医学标记和诊断领域。

图4. P-CDs对H₂O₂的响应情况。实验表明P-CDs的PL性质对H₂O₂无检测作用，而CL性质对活体内外的H₂O₂均有良好的信号相应，其线性范围在0到10^-7 M，检测限低至5*10^-9 M

该近红外化学发光碳点的研究工作为利用碳点基化学发光作为传感器进行炎症或癌症的诊断和治疗提供线索，扩展了碳点在生物成像领域的应用范围。同时利用该一体化纳米粒子作为传感器对小鼠腹膜炎模型中的内源性ROS进行了成像，其研究结果有望为生物体的炎症或癌症的诊断和治疗提供线索。

文章链接：Shen C L, Lou Q, Zang J H, et al. Near-Infrared Chemiluminescent Carbon Nanodots and Their Application in Reactive Oxygen Species Bioimaging. Adv. Sci., 2020, 7(8): 1903525.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903525

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