細胞內(nèi)pH水平對于維持細胞的正常運行以及生理系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要作用。細胞內(nèi)酶的活性，信號的傳導，離子的轉(zhuǎn)運和調(diào)節(jié)，細胞的生長和凋亡以及系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡等都與pH緊密相關(guān)。pH的微小變化可能會導致細胞器功能出現(xiàn)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(guān)重要，因此精確監(jiān)測pH的變化至關(guān)重要。目前，已開發(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(yīng)速度快、成本低、操作簡單和實時監(jiān)測等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于化學生物傳感領(lǐng)域。然而，大多數(shù)pH熒光探針都是基于有機小分子熒光團設(shè)計合成的，存在光穩(wěn)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(yīng)用。因此，開發(fā)用于監(jiān)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穩(wěn)定性、生物相容性和低毒性等突出的優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注并被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(fā)現(xiàn)。2006年Sun Ya-Ping課題組將其定義為“碳點”并建議鈍化表面以優(yōu)化其性能。由于CDs優(yōu)良的熒光特性、易于功能化、制備原料來源廣泛、制備方法多樣等諸多優(yōu)點，已經(jīng)在生物、化學、材料等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(huán)境中的小分子應(yīng)用中具有良好的發(fā)展?jié)摿?。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(jié)構(gòu)或電子分布的改變，從而引起熒光信號改變的機理，可以設(shè)計用于監(jiān)測細胞環(huán)境不同區(qū)域的pH變化過程。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題，從而限制其在pH傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了拓寬其應(yīng)用范圍，研究發(fā)現(xiàn)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(jīng)過復雜的合成和純化步驟，所得的產(chǎn)率較低并會影響CDs的固有性質(zhì)，這大大限制了其在分析傳感中的應(yīng)用?；瘜W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(yōu)點而被廣泛應(yīng)用，其中摻雜金屬元素可以有效地改善CDs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)或電子分布，從而影響其物理或化學性質(zhì)。不同金屬離子的摻雜會對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(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)。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(nèi)的響應(yīng)情況，對監(jiān)測細胞內(nèi)不同區(qū)域pH的動態(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(qū)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(wěn)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，F(xiàn)e-CDs可以作為熒光探針用于酸性環(huán)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(jiān)測細胞內(nèi)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(xiàn)出良好的應(yīng)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(jié)論

該工作以鄰苯二胺及生物分子血紅素為原料，通過一步水熱法制備得到鐵摻雜熒光碳點（Fe-CDs）。由于原料中的血紅素具有大環(huán)結(jié)構(gòu)，利于碳點在合成過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的電荷分布，進而大幅提高了碳點的熒光量子產(chǎn)率，可達26.8%。同時，F(xiàn)e-CDs展現(xiàn)出良好的水溶性，穩(wěn)定的光學性能，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，F(xiàn)e-CDs可以作為熒光探針用于酸性環(huán)境下的pH檢測。同時Fe-CDs具有低毒性且易于被細胞攝取，可實現(xiàn)細胞內(nèi)pH的熒光成像應(yīng)用。以上研究證明Fe-CDs作為一種制備簡便、性能優(yōu)異的熒光探針在生物傳感領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用潛力。