Chem. Eng. J.:一步水热法制备高度稳定的N掺杂氧化碳点,用于有毒有机污染物的检测和生物成像

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背景介绍


碳基材料,即{attr}3208{/attr},富勒烯和碳纳米管等,由于其在光电领域中良好的表现,已经引起了人们广泛的关注。荧光发光碳纳米颗粒---碳点(CDs)是尺寸小于或等于10 nm且表面具有丰富官能团的碳基纳米材料的新成员。由于出色的性能,例如低细胞毒性,易于官能化,良好的化学稳定性,和良好的水溶性等,荧光CDs已广泛出现于各种应用中,例如药物递送,光电器件,生物传感,生物成像等。有趣的是,无论使用何种有机分子作为前体,大多数CDs在荧光性质上都表现出相似性。

研究出发点


在受污染的水中感测有毒有机污染物,例如亚甲基蓝,甲基橙,若丹明和溴酚蓝等仍然是一个挑战。目前报道的大多数荧光探针显示出低的光稳定性和生物相容性。为了克服这些困难,需要高度稳定且生物相容的传感探头来检测工业用水中的污染物。使用可持续的前体(例如柠檬酸,尿素,植物等)来制造碳点(作为传感探针)时,可以在小的浓度中检测出悬浮的污染物,从而使该过程经济且可持续。此外,与基于半导体量子点或有机染料不同,CDs在合成过程中具有不含金属的碳前驱体,并具有光稳定性以及高的体外和体内生物相容性。
近年来,细胞或亚细胞标记在生物学中引起了极大的关注,其中特定的细胞核已被视为癌症治疗的主要靶标之一。选择性核标记可以帮助开发先进的和选择性的主动靶向药物递送系统。然而,迄今为止可用的大多数系统都受到严重限制,例如有机染料中的光漂白或与半导体量子点有关的细胞毒性。基于CDs的系统具有良好的细胞分布,非光漂白和多光子发射的特性,因此可以很好地替代细胞核染色。


全文速览


基于此,莫雷洛斯州立大学Vivechana Agarwal团队做了相关研究,以尿素以及柠檬酸为原料,通过使用简单的一步式水热法合成了N掺杂碳点(NOCDs)。所得到的NOCDs具有出色的感测性能,可以灵敏地检测甲基橙,溴酚蓝,亚甲基蓝和若丹明6G等有毒着色剂,其检测限分别为38.3 nM,2.0 µM,1.5 µM和1.0 µM。同时,其光学特性对温度和pH的强烈依赖性使得NOCDs可以作为检测发射体在化学和生物传感应用中有所应用。此外,从肿瘤和非肿瘤细胞(HEK-293,A549和MDA-MB-231)中的细胞增殖和成像,可以观察到经过不同浓度的NOCDs(0.1、1、10、100、500、1000 µg / mL)处理24小时后的强荧光,验证了NOCDs的生物相容性,使其在化学/生物传感和生物成像领域成为有前途的候选物。该研究成果以One-step hydrothermal preparation of highly stable N doped oxidized carbon dots for toxic organic pollutants sensing and bioimaging为题发表在Chemical Engineering Journal上。


图文解析


图1.(a)制备的NOCDs的TEM和HR-TEM图像,(b)NOCDs的XRD图谱,NOCDs的(c)XPS全谱(d)C 1s,(e)N 1s和(f )O1峰。

通过TEM和HR-TEM分析了所制得NOCDs的尺寸分布(图1a),同时,NOCDs的X射线衍射图(XRD)(图1b)在11°(0 0 1)附近出现一个尖锐的峰,这表明NOCDs已经被成功制备。根据XPS图谱, NOCDs显示了位于284 eV(C1s),400 eV(N1s)和531 eV(O1s)的峰。N1s(≈400 eV)峰的出现证实了制备的CDs中存在氮原子(图1c)。此外,在对NOCDs的高分辨率的C1s峰进行去卷积后,观察到C–C / C=C(284.2 eV),C–O(286.0 eV),C=O(287.0 eV)和O–C=O(288.6 eV), 这证实了NOCDs中羰基/羧基的存在。图1e和f分别显示了NOCDs的去卷积N1s(分别分配给吡啶N和取代N的399.5和401.2 eV)和O1s峰(531.5 eV处的C=O和533.0 eV处的C-O。其XPS结果证实了NOCDs中存在N以及含氧官能团。
图2. 所制备的NOCDs(a)在250至290 nm和(b)295至420 nm的不同激发波长下的荧光研究,(c)吸光度(蓝色)和PLE(黑色,λem = 441 nm)研究(在400 µL去离子水中加入5 µL NOCDs),以及(d)在去离子水中不同浓度的NOCDs(0–14 µL)下进行荧光分析,总体积保持为405 µL。

图2a和图2b揭示了在250至420 nm的不同激发波长下,NOCDs强烈的蓝色荧光发射。从344 nm作为最佳激发波长的PLE光谱中,可以得到441 nm的高强度发射峰(图2c,黑色光谱)。此外,从吸收光谱(图2c,蓝色光谱)来看,NOCDs的吸收带在234 nm和343 nm附近,分别对应于π→π*和n→π*。n→π*处的UV-vis光谱归因于氮以及对应于石墨结构的强吸收带。此外,在NOCDs的浓度为0–14 μL时,观察到了PL排放的浓度依赖性和饱和性(图2d)。
图3. NOCDs的稳定性测试(a)在24,000 s的连续激发下进行PL研究,(b)在不同时间段内PL信号强度的百分比变化;长达18个月的时间(插图显示了在365 nm激发光下在紫外线灯下的数码照片),(c)在不同时间间隔的NOCDs的紫外可见吸收率和PLE研究,以及(d)在日光下的NOCDs数码照片间隔(6、12和18个月)。

从图3a可以看出在氙气闪光灯下于344 nm下连续激发24000 s后,NOCDs的PL强度发生了约6 %的变化。说明NOCDs具有较高的稳定性。此外,使用紫外可见吸收和荧光光谱(图3b,c)研究了在长时间暴露于344 nm激发光下18个月的光稳定性。图3d显示在正常日光照射下,NOCDs的视觉颜色略有变化。结果表明,在长期连续激发和长达18个月的长期稳定性之后,NOCDs仍然高度稳定。这为从实验研究到实际应用提供了巨大的机会。
图4. 使用NOCDs作为PL探针的有机染料(亚甲基蓝,甲基橙,若丹明和溴酚蓝)的选择性,在λem = 441 nm处对应的归一化图(F0为NOCDs在去离子水中的荧光信号强度,F1为存在分析物时,相同浓度的NOCDs的荧光信号强度)。
图5. 阳离子染料(a)亚甲基蓝(MB)和(b)罗丹明6G,以及阴离子染料(c)甲基橙(MO)和(d)溴酚蓝(BrPB)(λex = 344 nm)的荧光研究。

任何传感系统的选择性都对传感器起着至关重要的作用。针对不同的分析物监测了探针的PL信号响应,并在图4中示出。有机污染物对NOCDs的PL信号猝灭是一个快速的反应过程。当保持溶液中的浓度恒定时,在30分钟内PL峰强度没有明显的变化(图5,图6,图7)。此外,通过改变有机污染物的浓度,NOCDs 的PL信号强度会急剧下降,峰值出现蓝移。在NOCDs溶液中存在有机染料时,不论是阳离子染料(MB、Rh6G),还是阴离子燃料(BrPB、MO),NOCDs的PL信号强度都会发生显著的猝灭,并且在9-15 nm处,PL的峰位置发生蓝移,对于MO、MB、Rh6G、BrPB,其最小和最大的FWHM检测差异分别约为8、12、34、28 nm。
图6.通过添加不同浓度的有机染料而得到的NOCDs的荧光光谱。(a)甲基橙(MO),(b)亚甲基蓝(MB),(c)罗丹明6G(Rh6G)和(d)溴酚蓝(BrPB)。
图7.添加不同浓度的有机染料后,NOCDs的荧光光谱中有机染料浓度与PL峰值发射波长/FWHM的变化,(a)甲基橙(MO),(b)亚甲基蓝(MB),(c)罗丹明6G (Rh6G)和(d)溴酚蓝(BrPB)。
图8. 加入不同浓度的有机染料后,NOCDs的吸收光谱,(a)甲基橙(MO),(b)亚甲基蓝(MB),(c)罗丹明6G(Rh6G)和(d)溴酚蓝(BrPB)。

根据以上结果可以看出,NOCDs在阴离子有机染料中(与阳离子染料相比)显示出最低的检出率。随着MB,MO,BrPB和Rh6G的添加,NOCDs的吸收光谱(黑色光谱)强度增加,这与NOCDs的PL和UV-Vis光谱显着重叠(图2c和图8)。这可能是由于内部滤光效应(IFE),NOCDs的荧光被MB,MO,BrPB和Rh6G淬灭。
图9. NOCDs对人类细胞系细胞生存力的影响。将细胞暴露于不同浓度的NOCDs 24小时。条形图表示与对照组相比的细胞存活率百分比,结果表示为至少两个实验的平均值±SD。
图10. 显微镜(光学;上部)和荧光发射图像(荧光显微镜;40倍放大;下部),用于研究NOCDs对HEK-293,A549和MDA-MB-231细胞形态的影响。将细胞以0.1、1、10、100、500、1000 µg/mL探针溶液的不同浓度处理24小时,并用Giemsa染色法染色(每孔总细胞数:50,000(光学图像) 和150,000(荧光)图片)),比例尺= 20 µm。

图9显示了所制备的碳点对不同种类细胞系中细胞活力的影响。与对照组相比,当浓度从10 μg/mL增加到500 μg/mL时,源自人类胚胎肾细胞的HEK293细胞(非肿瘤细胞系)显示出轻微降低的细胞活力,但当用浓度为1000 µg/mL的NOCDs处理细胞时,观察到细胞活力显着降低(约23 %)。在所有浓度下,源自人肺腺癌的A549细胞(肿瘤细胞系)也显示出细胞活力的细微变化,但是它们在统计学上并不显着。源自人类乳腺癌的MDA-MB-231细胞(另一种肿瘤细胞系)在1000 µg/mL浓度下显示出细胞活力的显着降低。结果表明,非肿瘤细胞似乎对合成的NOCDs的可能的毒性作用相对更敏感(图9)。

形态学分析显示尽管与对照组相比,A549细胞在任何浓度下均未表现出形态学变化,但MDA-MB-231细胞在浓度≥100 µg/mL时显示出不同大小的液泡,并且细胞呈细长形(图10上部)。当在荧光显微镜下观察时,细胞内出现绿色证明了碳量子点的存在,并且荧光强度随碳量子点浓度增加而增加。此外,有趣的是从图10的上部观察到细胞核内部不存在量子点(仅在所有细胞系的细胞质中均存在)。图10的下部显示了碳量子点对细胞形态和细胞内NOCDs鉴定的影响。对每种细胞系进行形态学分析并用碳量子点处理24小时后,HEK-293,A549和MDA-MB-231细胞中NOCDs浓度高于10 µg/mL的人细胞系清晰可见。荧光图像(绿色)显示所有细胞系的细胞质中都存在量子点,这证实了所提出的CDs在相当低的浓度下作为稳定的生物标志物的适用性。

总结


总之,使用简单的一步水热法合成了N掺杂碳点(NOCDs),且NOCDs具有出色的感测性能,可以灵敏地检测甲基橙,溴酚蓝,亚甲基蓝和若丹明6G等有毒着色剂,检测限分别为38.3 nM,2.0 µM,1.5 µM和1.0 µM。其光学特性对温度和pH的强烈依赖性使其可以作为检测发射体在化学和生物传感应用中具有潜在的应用。通过肿瘤和非肿瘤细胞(HEK-293,A549和MDA-MB-231)中的细胞增殖和成像,在不同浓度的NOCDs(0.1、1、10、100、500 µg/mL)中验证了NOCDs的生物相容性。所得到的NOCDs的可扩展性和敏感性为其从实验研究到实际应用的发展提供了巨大的机会,如可用于荧光光学传感和成像纳米探针,以及化学/生物传感和生物成像。

文献链接:
https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126097


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