鈣離子調節多種重要的細胞功能
鈣是維持生物體生命活動的必需元素之一，在骨骼生長、肌肉活動、酸堿平衡、神經活動中起著不可替代的作用。
正常狀態下，一位健康成年人體內平均鈣含量為1500g，大約占其體重的1.5-2%。絕大部分人體鈣存在于骨骼和牙齒中，剩下的部分存在于軟組織和體液中。作為通用的第二信使，鈣離子調節多種重要的細胞功能，如分化、增殖、生長和基因轉錄等。
近期研究表明，癌細胞中的鈣離子狀態與腫瘤的發生、轉移以及血管生成均有關，腫瘤微環境中鈣信號的傳導可以促進某些癌癥療法的治療效果。因此，檢測鈣離子濃度，特別是檢測細胞內的鈣離子濃度具有重要的意義。
細胞內鈣離子（圖片來源于網絡）
鈣離子熒光探針：檢測鈣離子的濃度及分布
鈣離子熒光探針是目前發展最為迅速的一類鈣離子檢測方法，用以檢測細胞或組織內鈣離子的濃度及分布。
鈣離子熒光探針法主要包括人工合成小分子熒光指示劑和發光蛋白兩種。傳統的小分子鈣離子熒光探針主要有Indo-1、Quin-2、Rhod-2、Fura-2、Fluo-3、 Fura Red和Calcium Orange等，其中，由Tsien等人合成的Fura-2和Fluo-3是目前國際上應用最廣泛的測定細胞內游離鈣離子的熒光指示劑。發光蛋白主要指從多管水母中分離出來的水母發光蛋白。該發光蛋白對生物體內的鈣離子濃度變化很敏感，且對細胞無毒，不會干擾細胞的正常生理活動。但該蛋白也存在不足之處，如在高鈣離子濃度下會失效以及本身的熒光強度較弱等。
常見小分子鈣離子探針Fura-2和Fluo-3
碳量子點熒光探針：新興熒光納米材料
碳量子點自2004年被發現以來，由于其獨特的優點，如低成本、制備方法簡便、良好的生物相容性等，已經展現了在許多領域的應用前景，包括光電能源類器件、信息加密與防偽、生物成像與醫療、傳感檢測等。
特別是，由于碳量子點的低毒性、發光種類的多樣性、高的光穩定性等特點，其正逐步替代傳統的金屬/半導體量子點，成為備受矚目的新興熒光納米材料。
不同熒光發射波長的碳量子點（圖片來自文獻Xiang Miao，Dan Qu，Dongxue Yang，Bing Nie，Yikang Zhao，Hongyou Fan，Zaicheng Sun， Synthesis of Carbon Dots with Multiple Color Emission by Controlled Graphitization and Surface Functionalization. 2018, 30 (1), 1704740）
一種新型的活細胞內鈣離子檢測熒光探針
近日，中科院蘇州醫工所董文飛團隊開發了一種新型的熒光碳量子點，能有效檢測細胞中的鈣離子水平。
經過多次嘗試及對反應條件的控制，課題組提出了一種二次水熱合成法制備功能性碳量子點：在一步水熱得到的藍光碳量子點基礎上，引入鈣離子螯合劑EGTA，通過二次水熱，直接得到了表面被EGTA修飾的碳點。
在該方法中，所有的反應均在同一個高壓反應釜中進行，且產物無需二次純化和分離，相比傳統的EDC/NHS偶連法，該方法具有操作簡單、環境更加友好等優點。
碳點對鈣離子的檢測示意圖（圖片來自文獻Juan Yue，Li Li，Lei Cao，Minghui Zan，Dian Yang，Zheng Wang，Zhimin Chang，Qian Mei，Peng Miao，Wen-Fei Dong，Two-Step Hydrothermal Preparation of Carbon Dots for Calcium Ion Detection，ACS Applied Materials & Interfaces，2019）
實驗證實，該碳量子點本身具有明亮的藍色熒光，隨著鈣濃度的增加，熒光強度急劇下降。該碳量子點對鈣離子的檢測是一種靜態的熒光猝滅過程，熒光猝滅與鈣離子的濃度正相關，在15至300μM的范圍內具有良好的線性，檢出限為0.38μM。
同時，細胞毒性測試和細胞成像實驗表明，該碳量子點無毒且具有良好的生物相容性。因此，該碳量子點有望成為一種新型的活細胞內鈣離子檢測熒光探針。
HeLa細胞的共聚焦顯微鏡圖像，在鈣離子存在時，細胞中碳點的熒光明顯減弱（圖片來自文獻Juan Yue，Li Li，Lei Cao，Minghui Zan，Dian Yang，Zheng Wang，Zhimin Chang，Qian Mei，Peng Miao，Wen-Fei Dong，Two-Step Hydrothermal Preparation of Carbon Dots for Calcium Ion Detection，ACS Applied Materials & Interfaces，2019）