量子点因其优异的光学和电学性质,在生物成像、生物传感、生物诊断、光学器件等方面具有广阔的应用前景。传统的化学合成方法往往涉及到高温、厌氧、有毒试剂、表面修饰反应过程,难以满足绿色、可持续发展的需求,因此,量子点的生物合成应运而生。掌握和利用活体生物的自组装能力,精确调控量子点的生物合成过程,成为当前量子点研究的热点。在本学位论文中,我们采用了多种生物合成量子点,并利用新的分子光谱分析方法结合分子生物学分析和理论计算,从荧光动力学性质、调控方法、形成机理、合成应用等方面对生物量子点的合成和机理进行了研究,主要研究内容和结果如下:1.为了对合成量子点的光学性能进行有效的表征,利用荧光显微镜追踪了产朊假丝酵母体内原位自组装量子点的荧光动态变化过程。结果显示量子点的荧光强度随时间呈现明显的光活化、光稳定、光淬灭变化过程。光活化过程与延伸型指数函数相吻合,而光漂白过程则与双指数函数相吻合。该工作探索了生物自组装量子点的光动力学过程,为其下一步应用奠定了基础。此外,我们也发现量子点的光活化指数和最大荧光强度与镉离子浓度呈现一定的线性关系,该性质有望应用于镉离子的检测。2.利用产朊假丝酵母原位自组装了硒化镉量子点,并通过改变反应前驱物的浓度实现了对合成量子点性质的调控。结果表明,在一定范围内提高镉离子浓度有利于促进合成量子点的荧光强度和荧光稳定性。这主要是由于高浓度镉离子导致零价硒颗粒形成减少,而硒化镉量子点合成量的增加,同时伴随着硫化镉的形成。所制备的量子点可被直接用于生物成像,无需额外修饰。该工作深化了对量子点生物合成机制的认识,为高性能量子点的生物合成提供了有效的调控方法。3.针对生物量子点合成速率慢(普遍需要十多小时)的问题,提出了利用质子浓度来调控量子点快速合成的新方法。发现在培养液pH为4.5的情况下,大肠杆菌可实现超快速(1小时内)、高产率合成硫硒化镉量子点,且得到的量子点粒径均一、荧光性能优异。进而深入探索了 pH调控量子点合成的生物学机制,并将所制量子点应用于细胞、小鼠的生物成像。该工作提供了一种简单、快速、高效的生物量子点合成调控新方法。4.生物体内量子点的合成与其脱毒过程存在紧密联系,但其机理尚不清楚。我们研究了大肠杆菌的代谢过程与硒和镉元素在生物体内的转化、相互作用以及与量子点合成的相关关系。结果显示提高代谢底物(葡萄糖)浓度不仅显著提高了生物体内累积的硒镉含量,也改变了硒镉的生物转化过程,使部分磷酸镉转变为具有优异荧光性能的硫硒化镉量子点。由此提出了基于量子点合成的硒-镉拮抗新机制,这对硒和镉污染环境的生物修复和重金属的资源化回收利用也具有参考价值。5.利用大肠杆菌作为模式生物,进一步解析了生物自组装量子点的空间结构、合成路径及其储藏器官。X射线精细结构吸收谱(XAFS)和高分辨电镜元素成像的结果显示合成的CdSe/CdS量子点是核-壳结构,其表层含有大量磷酸盐和有机硒。不同菌基因表达量的变化和密度泛函理论计算结果表明,磷在量子点组装过程中扮演着一个镉离子媒介的作用:镉离子以磷酸根载体被转移并与硒醇类氨基酸蛋白和硫醇类氨基酸蛋白结合,进而组装生成CdSe/CdS量子点。荧光光谱、拉曼光谱成像及软X射线成像的结果表明,形成的量子点以"金属小体"的形式聚集在细菌胞内的一侧或者两端。6.以希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)为异化金属还原菌模式生物,研究量子点的自组装及其与金属解毒之间的关系。发现通过调节细胞跨膜电子传递过程,可以实现量子点或其他纳米颗粒的高速、定向组装。在暴露于亚硒酸钠和氯化镉中4个小时后,在细胞质内,生成了大量的硒化镉量子点,其合成过程比已知的生物量子点合成过程更快。通过敲除CymA蛋白来阻断其跨膜电子转移后,合成纳米材料由零价硒为主转变成以硒化镉为主,合成位置则由周质/细胞表面转移到细胞质,同时细菌的解毒能力也明显升高。这些结果表明细胞质内量子点的组装是一种高效的生物解毒机制。该工作为充分发掘希瓦氏菌的解毒能力和定向组装纳米材料的潜能提供了新的思路,并有望拓展到其他异化金属还原菌,推动多样化、更可控的纳米材料生物自组装工厂的研究和应用。