随着量子点在生物医学、工业及环境监测等领域的广泛应用，它们进入环境、暴露于人体的风险也随之增加，因此其生物安全性亟需研究。细胞是生物体的基本组成单元，理解量子点与细胞的相互作用将为量子点的合理设计和安全应用提供重要参考。目前基于传统毒理学的细胞分析在准确性和通量方面受到方法的限制，其中一个突出的问题是这些研究大多是基于细胞群体进行检测，细胞群体的平均信息往往会掩盖单细胞或细胞亚群的异质性，导致大量生物学信息被遗漏。
      基于以上科学问题，本论文首先建立了高内涵分析方法，在单细胞水平研究了量子点的细胞摄入和胞内时空分布，发现在完全相同暴露条件下，细胞对量子点的摄入存在较大个体差异。在此基础上研究了量子点诱导的单细胞生物效应，结果表明虽然整个细胞群体的响应程度随胞内量子点的增多呈上升趋势，但单个细胞之间存在对于量子点暴露的敏感性和耐受性差异。从摄入过程到生物响应，细胞均表现出异质性。
     我们进一步将细胞群体按照胞内量子点浓度分为不同亚群，在不同外暴露浓度下研究了各亚群细胞发生响应的比例及响应程度，结果显示胞内量子点浓度即内暴露剂量是影响量子点细胞毒性的关键要素。通过检测量子点诱导细胞产生各生物效应的顺序来探究各效应间的相互关系及量子点可能的细胞毒性机制，结果揭示ROS是对量子点最敏感的生物参数，也是引起细胞毒性的重要因素。通过对单个细胞内的多种生物效应同时检测进一步探究了ROS对其他生物效应的影响，发现ROS会影响细胞凋亡及细胞核大小，且ROS对细胞凋亡的影响程度更大。
      本文还研究了不同修饰量子点对斑马鱼胚胎的毒性效应以及在幼鱼体内的分布情况。结果发现大分子配体修饰的量子点引起的毒性效应最为显著，这与它引起的氧化应激与氧化损伤息息相关，其次是小分子正电荷配体修饰的量子点，由于它与表皮更强的静电力和吸附力而对斑马鱼造成损伤。另外，96 hpf时量子点多吸附在斑马鱼表面，而120 hpf时量子点多以口腔摄入进入斑马鱼胃肠道，揭示了不同发育时间量子点在斑马鱼体内的分布特征。
      本文的研究结果为量子点在生物学和医学领域的安全应用提供了数据支持，本论文建立的高内涵分析方法表明单细胞分析在未来纳米毒理学研究中的具有较好的应用前景。