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，細胞的生長和凋亡以及系統的穩態平衡等都與pH緊密相關。pH的微小變化可能會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的酸性環境中，pH異常會影響大分子的代謝和細胞正常活動，進而影響細胞的正常凋亡，甚至會導致痛風、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重要，因此精確監測pH的變化至關重要。目前，已開發出多種技術手段用于測定pH值，例如微電極、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、操作簡單和實時監測等優點被廣泛應用于化學生物傳感領域。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、制備過程復雜等缺點，限制了其在生物體系中的廣泛應用。因此，開發用于監測生理環境中pH變化的新型熒光探針對于研究受pH影響的相關的疾病具有重要意義。

碳基納米材料由于具有良好的化學穩定性、生物相容性和低毒性等突出的優點，受到越來越多的關注并被廣泛應用于各個領域。碳點（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驗中偶然發現。2006年Sun Ya-Ping課題組將其定義為“碳點”并建議鈍化表面以優化其性能。由于CDs優良的熒光特性、易于功能化、制備原料來源廣泛、制備方法多樣等諸多優點，已經在生物、化學、材料等領域得到廣泛的應用。同時，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境中的小分子應用中具有良好的發展潛力。其中，最為突出的是用于pH熒光探針。通過pH變化導致碳點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境不同區域的pH變化過程。然而，若未經修飾或鈍化等步驟的CDs仍然存在量子產率較低、表面功能基團較少等問題，從而限制其在pH傳感領域的應用。為了拓寬其應用范圍，研究發現對CDs表面進行功能化修飾和化學摻雜是改善其缺點的兩個非常有效的途徑。功能化修飾一般要經過復雜的合成和純化步驟，所得的產率較低并會影響CDs的固有性質，這大大限制了其在分析傳感中的應用。化學摻雜（金屬元素摻雜和非金屬元素摻雜）則由于制備過程簡便和高效的優點而被廣泛應用，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性質。不同金屬離子的摻雜會對CDs的熒光量子產率（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，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的動態變化及其對相關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（Fe-CDs），通過多種分析表征證明Fe-CDs具有良好的水溶性和穩定的光學性能。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境下的pH檢測。同時Fe-CDs具有較低的細胞毒性，易于被細胞攝取，可通過熒光成像手段監測細胞內pH的水平變化，并且在研究因pH波動而影響的生理變化中表現出良好的應用潛力。

1實驗部分

1.1試劑和儀器

主要試劑：鄰苯二胺，血紅素購自美國Sigma-Aldrich試劑有限公司。所有實驗用藥品均為分析純，且使用時未經附加處理。實驗用水為由美國Milli-Q超純水儀制得的超純水。

主要儀器：JEM-2100型透射電子顯微鏡（日本電子株式會社JEOL）；Cary670型傅里葉變換紅外光譜儀（美國安捷倫科技公司）；U-2910型紫外可見吸收光譜儀（HITACHI LTD）；F-4500型熒光/磷光分光光度計（HITACHI LTD）；Zetasizer Nano ZS90型粒度電位儀（Malven）；AXIS ULTRA DLD型X-射線光電子能譜儀（日本Kratos公司）；FV1000型激光共聚焦顯微鏡（日本Olympus公司）。

圖1 Fe-CDs的合成路徑及應用示意圖

1.2 Fe-CDs的制備方法

分別稱取0.01 g血紅素和0.1 g鄰苯二胺，置于含20 mL無水乙醇的錐形瓶中，攪拌后超聲15 min使其充分溶解，將溶液轉移至水熱反應釜后置于烘箱內，180℃反應10 h，待水熱反應釜完全冷卻至室溫。隨后將反應產物過濾后旋蒸除去乙醇溶劑，并重新分散在超純水中，超聲使其完全溶解，再用0.22μm濾膜過濾后得到黃褐色碳點溶液。將上述黃褐色碳點水溶液冷凍干燥48 h，即得到Fe-CDs固體狀粉末。