細胞內pH水平對于維持細胞的正常運行以及生理系統的穩定性具有重要作用。細胞內酶的活性，信號的傳導，離子的轉運和調節，細胞的生長(cháng)和凋亡以及系統的穩態(tài)平衡等都與pH緊密相關(guān)。pH的微小變化可能會(huì )導致細胞器功能出現障礙，例如溶酶體的pH值一般維持在4.5～6.5的酸性環(huán)境中，pH異常會(huì )影響大分子的代謝和細胞正?；顒?dòng)，進(jìn)而影響細胞的正常凋亡，甚至會(huì )導致痛風(fēng)、阿爾茲海默癥、癌癥等多種疾病。

由于pH對所有生命體而言都至關(guān)重要，因此精確監測pH的變化至關(guān)重要。目前，已開(kāi)發(fā)出多種技術(shù)手段用于測定pH值，例如PH微電極、核磁共振、吸收光譜等方法。其中，熒光光譜法由于靈敏度高、信噪比高、響應速度快、成本低、操作簡(jiǎn)單和實(shí)時(shí)監測等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用于化學(xué)生物傳感領(lǐng)域。然而，大多數pH熒光探針都是基于有機小分子熒光團設計合成的，存在光穩定性差、生物相容性差、毒性高、制備過(guò)程復雜等缺點(diǎn)，限制了其在生物體系中的廣泛應用。因此，開(kāi)發(fā)用于監測生理環(huán)境中pH變化的新型熒光探針對于研究受pH影響的相關(guān)的疾病具有重要意義。

碳基納米材料由于具有良好的化學(xué)穩定性、生物相容性和低毒性等突出的優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注并被廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。碳點(diǎn)（CDs）作為一種新興的具有熒光特性的碳基納米材料，在2004年被Walter A.Scrivens等在碳納米管電泳實(shí)驗中偶然發(fā)現。2006年Sun Ya-Ping課題組將其定義為“碳點(diǎn)”并建議鈍化表面以?xún)?yōu)化其性能。由于CDs優(yōu)良的熒光特性、易于功能化、制備原料來(lái)源廣泛、制備方法多樣等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在生物、化學(xué)、材料等領(lǐng)域得到廣泛的應用。同時(shí)，CDs通常具有較低的細胞毒性和良好的生物相容性，作為熒光探針在檢測生理環(huán)境中的小分子應用中具有良好的發(fā)展潛力。其中，最為突出的是用于pH熒光探針。通過(guò)pH變化導致碳點(diǎn)表面結構或電子分布的改變，從而引起熒光信號改變的機理，可以設計用于監測細胞環(huán)境不同區域的pH變化過(guò)程。然而，若未經(jīng)修飾或鈍化等步驟的CDs仍然存在量子產(chǎn)率較低、表面功能基團較少等問(wèn)題，從而限制其在pH傳感領(lǐng)域的應用。

為了拓寬其應用范圍，研究發(fā)現對CDs表面進(jìn)行功能化修飾和化學(xué)摻雜是改善其缺點(diǎn)的兩個(gè)非常有效的途徑。功能化修飾一般要經(jīng)過(guò)復雜的合成和純化步驟，所得的產(chǎn)率較低并會(huì )影響CDs的固有性質(zhì)，這大大限制了其在分析傳感中的應用?；瘜W(xué)摻雜（金屬元素摻雜和非金屬元素摻雜）則由于制備過(guò)程簡(jiǎn)便和高效的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應用，其中摻雜金屬元素可以有效地改善CDs的內部結構或電子分布，從而影響其物理或化學(xué)性質(zhì)。不同金屬離子的摻雜會(huì )對CDs的熒光量子產(chǎn)率（QYs）造成不同程度的影響，這可能源于摻雜的金屬離子改變了CDs的幾何結構或電子結構。因此，制備新型金屬摻雜碳點(diǎn)，探索其作為熒光探針在不同pH范圍內的響應情況，對監測細胞內不同區域pH的動(dòng)態(tài)變化及其對相關(guān)疾病的影響非常重要。

本文以鄰苯二胺和血紅素為前驅體通過(guò)一步水熱法制備了表面多種官能團的鐵摻雜黃色熒光碳點(diǎn)（Fe-CDs），通過(guò)多種分析表征證明Fe-CDs具有良好的水溶性和穩定的光學(xué)性能。由于其表面豐富的氨基、羧基等官能團及鐵元素的摻雜，Fe-CDs可以作為熒光探針用于酸性環(huán)境下的pH檢測。同時(shí)Fe-CDs具有較低的細胞毒性，易于被細胞攝取，可通過(guò)熒光成像手段監測細胞內pH的水平變化，并且在研究因pH波動(dòng)而影響的生理變化中表現出良好的應用潛力。

圖 Fe-CDs隨pH值的熒光強度變化（a）pH為2～12的熒光強度變化；（b）pH為2～7范圍的熒光強度變化

結論

該工作以鄰苯二胺及生物分子血紅素為原料，通過(guò)一步水熱法制備得到鐵摻雜熒光碳點(diǎn)（Fe-CDs）。由于原料中的血紅素具有大環(huán)結構，利于碳點(diǎn)在合成過(guò)程形成大的共軛平面；并且微量的鐵元素摻雜有助于改變碳點(diǎn)的電荷分布，進(jìn)而大幅提高了碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率，可達26.8%。同時(shí)，Fe-CDs展現出良好的水溶性，穩定的光學(xué)性能，優(yōu)異的抗鹽及抗干擾能力。由于其表面豐富的氨基、羧基等官能團及鐵元素的摻雜，Fe-CDs可以作為熒光探針用于酸性環(huán)境下的pH檢測。同時(shí)Fe-CDs具有低毒性且易于被細胞攝取，可實(shí)現細胞內pH的熒光成像應用。以上研究證明Fe-CDs作為一種制備簡(jiǎn)便、性能優(yōu)異的熒光探針在生物傳感領(lǐng)域具有良好的應用潛力。