1、量子點因其優(yōu)異的光學和電學性質，在生物成像、生物傳感、生物診斷、光學器件等方面具有廣闊的應用前景。傳統(tǒng)的化學合成方法往往涉及到高溫、厭氧、有毒試劑、表面修飾反應過程，難以滿足綠色、可持續(xù)發(fā)展的需求，因此，量子點的生物合成應運而生。掌握和利用活體生物的自組裝能力，精確調控量子點的生物合成過程，成為當前量子點研究的熱點。在本學位論文中，我們采用了多種生物合成量子點，并利用新的分子光譜分析方法結合分子生物學分析和理論計算，從熒光動力學性質、調

2、控方法、形成機理、合成應用等方面對生物量子點的合成和機理進行了研究，主要研究內容和結果如下:
　　1.為了對合成量子點的光學性能進行有效的表征，利用熒光顯微鏡追蹤了產(chǎn)朊假絲酵母體內原位自組裝量子點的熒光動態(tài)變化過程。結果顯示量子點的熒光強度隨時間呈現(xiàn)明顯的光活化、光穩(wěn)定、光淬滅變化過程。光活化過程與延伸型指數(shù)函數(shù)相吻合，而光漂白過程則與雙指數(shù)函數(shù)相吻合。該工作探索了生物自組裝量子點的光動力學過程，為其下一步應用奠定了基礎。此外，我

3、們也發(fā)現(xiàn)量子點的光活化指數(shù)和最大熒光強度與鎘離子濃度呈現(xiàn)一定的線性關系，該性質有望應用于鎘離子的檢測。
　　2.利用產(chǎn)朊假絲酵母原位自組裝了硒化鎘量子點，并通過改變反應前驅物的濃度實現(xiàn)了對合成量子點性質的調控。結果表明，在一定范圍內提高鎘離子濃度有利于促進合成量子點的熒光強度和熒光穩(wěn)定性。這主要是由于高濃度鎘離子導致零價硒顆粒形成減少，而硒化鎘量子點合成量的增加，同時伴隨著硫化鎘的形成。所制備的量子點可被直接用于生物成像，無需額外

4、修飾。該工作深化了對量子點生物合成機制的認識，為高性能量子點的生物合成提供了有效的調控方法。
　　3.針對生物量子點合成速率慢（普遍需要十多小時）的問題，提出了利用質子濃度來調控量子點快速合成的新方法。發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)液pH為4.5的情況下，大腸桿菌可實現(xiàn)超快速（1小時內）、高產(chǎn)率合成硫硒化鎘量子點，且得到的量子點粒徑均一、熒光性能優(yōu)異。進而深入探索了pH調控量了點合成的生物學機制，并將所制量子點應用于細胞、小鼠的生物成像。該工作提供了

5、一種簡單、快速、高效的生物量子點合成調控新方法。
　　4.生物體內量子點的合成與其脫毒過程存在緊密聯(lián)系，但其機理尚不清楚。我們研究了大腸桿菌的代謝過程與硒和鎘元素在生物體內的轉化、相互作用以及與量子點合成的相關關系。結果顯示提高代謝底物（葡萄糖）濃度不僅顯著提高了生物體內累積的硒鎘含量，也改變了硒鎘的生物轉化過程，使部分磷酸鎘轉變?yōu)榫哂袃?yōu)異熒光性能的硫硒化鎘量子點。由此提出了基于量子點合成的硒-鎘拮抗新機制，這對硒和鎘污染環(huán)境的生

6、物修復和重金屬的資源化回收利用也具有參考價值。
　　5.利用大腸桿菌作為模式生物，進一步解析了生物自組裝量子點的空間結構、合成路徑及其儲藏器官。X射線精細結構吸收譜(XAFS)和高分辨電鏡元素成像的結果顯示合成的CdSe/CdS量子點是核-殼結構，其表層含有大量磷酸鹽和有機硒。不同菌基因表達量的變化和密度泛函理論計算結果表明，磷在量子點組裝過程中扮演著一個鎘離子媒介的作用:鎘離子以磷酸根載體被轉移并與硒醇類氨基酸蛋白和硫醇類氨基酸

7、蛋白結合，進而組裝生成CdSe/CdS量子點。熒光光譜、拉曼光譜成像及軟X射線成像的結果表明，形成的量子點以“金屬小體”的形式聚集在細菌胞內的一側或者兩端。
　　6.以希瓦氏菌（Shewanella oneidensis MR-1）為異化金屬還原菌模式生物，研究量子點的自組裝及其與金屬解毒之間的關系。發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)細胞跨膜電子傳遞過程，可以實現(xiàn)量子點或其他納米顆粒的高速、定向組裝。在暴露于亞硒酸鈉和氯化鎘中4個小時后，在細胞質內，生

8、成了大量的硒化鎘量子點，其合成過程比已知的生物量子點合成過程更快。通過敲除CymA蛋白來阻斷其跨膜電子轉移后，合成納米材料由零價硒為主轉變成以硒化鎘為主，合成位置則由周質/細胞表面轉移到細胞質，同時細菌的解毒能力也明顯升高。這些結果表明細胞質內量子點的組裝是一種高效的生物解毒機制。該工作為充分發(fā)掘希瓦氏菌的解毒能力和定向組裝納米材料的潛能提供了新的思路，并有望拓展到其他異化金屬還原菌，推動多樣化、更可控的納米材料生物自組裝工廠的研究和應