细胞内pH水平对于维持细胞的正常运行以及生理系统的稳定性具有重要作用。细胞内酶的活性，信号的传导，离子的转运和调节，细胞的生长和凋亡以及系统的稳态平衡等都与pH紧密相关。pH的微小变化可能会导致细胞器功能出现障碍，例如溶酶体的pH值一般维持在4.5～6.5的酸性环境中，pH异常会影响大分子的代谢和细胞正常活动，进而影响细胞的正常凋亡，甚至会导致痛风、阿尔兹海默症、癌症等多种疾病。


由于pH对所有生命体而言都至关重要，因此精确监测pH的变化至关重要。目前，已开发出多种技术手段用于测定pH值，例如PH微电极、核磁共振、吸收光谱等方法。其中，荧光光谱法由于灵敏度高、信噪比高、响应速度快、成本低、操作简单和实时监测等优点被广泛应用于化学生物传感领域。然而，大多数pH荧光探针都是基于有机小分子荧光团设计合成的，存在光稳定性差、生物相容性差、毒性高、制备过程复杂等缺点，限制了其在生物体系中的广泛应用。因此，开发用于监测生理环境中pH变化的新型荧光探针对于研究受pH影响的相关的疾病具有重要意义。


碳基纳米材料由于具有良好的化学稳定性、生物相容性和低毒性等突出的优点，受到越来越多的关注并被广泛应用于各个领域。碳点（CDs）作为一种新兴的具有荧光特性的碳基纳米材料，在2004年被Walter A.Scrivens等在碳纳米管电泳实验中偶然发现。2006年Sun Ya-Ping课题组将其定义为“碳点”并建议钝化表面以优化其性能。由于CDs优良的荧光特性、易于功能化、制备原料来源广泛、制备方法多样等诸多优点，已经在生物、化学、材料等领域得到广泛的应用。同时，CDs通常具有较低的细胞毒性和良好的生物相容性，作为荧光探针在检测生理环境中的小分子应用中具有良好的发展潜力。其中，最为突出的是用于pH荧光探针。通过pH变化导致碳点表面结构或电子分布的改变，从而引起荧光信号改变的机理，可以设计用于监测细胞环境不同区域的pH变化过程。然而，若未经修饰或钝化等步骤的CDs仍然存在量子产率较低、表面功能基团较少等问题，从而限制其在pH传感领域的应用。


为了拓宽其应用范围，研究发现对CDs表面进行功能化修饰和化学掺杂是改善其缺点的两个非常有效的途径。功能化修饰一般要经过复杂的合成和纯化步骤，所得的产率较低并会影响CDs的固有性质，这大大限制了其在分析传感中的应用。化学掺杂（金属元素掺杂和非金属元素掺杂）则由于制备过程简便和高效的优点而被广泛应用，其中掺杂金属元素可以有效地改善CDs的内部结构或电子分布，从而影响其物理或化学性质。不同金属离子的掺杂会对CDs的荧光量子产率（QYs）造成不同程度的影响，这可能源于掺杂的金属离子改变了CDs的几何结构或电子结构。因此，制备新型金属掺杂碳点，探索其作为荧光探针在不同pH范围内的响应情况，对监测细胞内不同区域pH的动态变化及其对相关疾病的影响非常重要。


本文以邻苯二胺和血红素为前驱体通过一步水热法制备了表面多种官能团的铁掺杂黄色荧光碳点（Fe-CDs），通过多种分析表征证明Fe-CDs具有良好的水溶性和稳定的光学性能。由于其表面丰富的氨基、羧基等官能团及铁元素的掺杂，Fe-CDs可以作为荧光探针用于酸性环境下的pH检测。同时Fe-CDs具有较低的细胞毒性，易于被细胞摄取，可通过荧光成像手段监测细胞内pH的水平变化，并且在研究因pH波动而影响的生理变化中表现出良好的应用潜力。

图 Fe-CDs随pH值的荧光强度变化（a）pH为2～12的荧光强度变化；（b）pH为2～7范围的荧光强度变化

结论


该工作以邻苯二胺及生物分子血红素为原料，通过一步水热法制备得到铁掺杂荧光碳点（Fe-CDs）。由于原料中的血红素具有大环结构，利于碳点在合成过程形成大的共轭平面；并且微量的铁元素掺杂有助于改变碳点的电荷分布，进而大幅提高了碳点的荧光量子产率，可达26.8%。同时，Fe-CDs展现出良好的水溶性，稳定的光学性能，优异的抗盐及抗干扰能力。由于其表面丰富的氨基、羧基等官能团及铁元素的掺杂，Fe-CDs可以作为荧光探针用于酸性环境下的pH检测。同时Fe-CDs具有低毒性且易于被细胞摄取，可实现细胞内pH的荧光成像应用。以上研究证明Fe-CDs作为一种制备简便、性能优异的荧光探针在生物传感领域具有良好的应用潜力。