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核酸是最基本的生命物质之一,分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),在遗传信息的储存、复制、传递以及蛋白质的合成中发挥着重要作用。实时原位监测活细胞及生物体内DNA和RNA的分离、聚集和裂解等结构动态变化对理解核酸转录、蛋白表达、细胞凋亡等细胞行为和研究遗传性疾病具有重要意义。然而,由于目前的成像探针存在生物膜穿透能力弱、无法同步区分DNA和RNA、自身光稳定性差等局限性,在活细胞,尤其是生物体内,实时原位的观察DNA和RNA结构的动态变化仍然面临很大的挑战。碳量子点由于其细胞毒性小,光稳定性好,易于进行表面功能化修饰等特点,在细胞及活体原位影像分析中发挥了重要作用。本论文中,我们通过对碳量子点进行化学修饰,提高碳量子点表面的正电荷,得到了具有高效生物膜穿透能力的阳离子碳量子点探针(carbon quantum dot,cQD),实现了细胞及线虫体内DNA和RNA结构的同步原位荧光成像。本论文具体研究内容如下:(1)设计合成了一种具有高效生物膜穿透能力的阳离子cQD探针。首先,通过硝酸氧化剥离导电炭黑颗粒得到了尺寸均一的含羧基碳量子点。进一步,通过对苯二胺修饰,得到了绿色荧光碳量子点。最后,将4-羧丁基三苯基溴化膦通过对苯二胺的氨基连接到碳量子点上,得到带正电的cQD探针。cQD探针与规则双螺旋的dsDNA和柔性折叠的ssRNA具有不同的结合方式,从而实现对二者的光谱区分。(2)实现了cQD探针对活细胞内DNA和RNA的同步原位成像与动态影像分析。合成的阳离子cQD探针能够有效的穿过细胞膜/细胞核膜,与细胞内的DNA和RNA结合,在488 nm激发下,细胞核发出很强的绿色荧光,而在543nm激发下,细胞质和核仁发出红色荧光,证明了cQD探针对活细胞内DNA和RNA的特异性识别能力。进一步,由于该探针强的光稳定性和低毒性,实现了对细胞有丝分裂过程中DNA和RNA结构动态变化的影像分析,并且通过STED超高分辨成像,实现了对染色体和核仁结构的3D重构。(3)最后,我们探讨了该cQD探针对活的线虫体内DNA和RNA的原位成像分析。将cQD探针加入到秀丽隐杆线虫的培养液中,我们发现,cQD不仅进入线虫的肠道,而且继续穿过肠道壁、性腺壁等一系列组织器官,最终进入线虫性腺内,与生殖细胞DNA和RNA结合,与细胞结果类似,在488 nm和543 nm激光激发下分别发出绿色和红色荧光。这一结果证实了cQDs在体内跟踪DNA和RNA的能力,更重要的是证明了其穿过肠道壁、组织间质、性腺囊壁、生殖细胞膜/细胞核膜等组织细胞水平膜屏障的高效生物膜穿透能力。