熒光碳量子點的合成與生物成像應用及生物安全性研究進展

劉佳蕙, 黃旭澤, 董益陽

(北京市生物加工過程重點實驗室, 北京化工大學生命科學與技術學院, 北京 100871)

熒光碳量子點的合成與生物成像應用及生物安全性研究進展

劉佳蕙, 黃旭澤, 董益陽

(北京市生物加工過程重點實驗室, 北京化工大學生命科學與技術學院, 北京 100871)

熒光探針在生命科學領域被廣泛應用于生物成像領域.隨著納米技術的迅速發(fā)展, 一些新類型的納米熒光探針應運而生.熒光碳量子點(carbon dots)以其良好的生物相容性、優(yōu)異的的抗光漂白能力、長熒光壽命和寬熒光光譜區(qū)域,在生物成像方面有廣泛的應用前景.重點關注近年來碳量子點在合成、生物成像以及生物安全性方面的進展, 對開發(fā)成更安全和更靈敏的碳量子點探針進行了探討.

碳量子點; 熒光探針; 生物成像

熒光標記是生命科學研究過程中不可缺少的技術.為了實現(xiàn)高效的熒光標記, 發(fā)展可靠的探針是尤為重要.探針的物理化學性質很大程度上決定著檢測或成像方法的成功與否.最常用的傳統(tǒng)熒光探針主要是有機染料[1],在生物成像中廣泛應用.有機染料探針的優(yōu)點是成本低, 易于獲得, 使用簡便.然而有機染料通常存在耐光性較差、生物相容性欠佳等缺點.近年來, 納米技術的迅速發(fā)展帶來了一系列新型熒光探針[2].其中研究最廣泛的是半導體納米晶體形成的量子點(quantum dots), 它具有優(yōu)越的熒光特性, 如光漂白的高耐性、組成/尺寸可控制吸收和發(fā)射位臵、寬吸收譜和窄發(fā)射譜等.盡管如此, CdSe /ZnS量子點因為含有劇毒的Cd元素, 其生物安全性引發(fā)嚴重爭議, 極大限制了其臨床應用研究.尋求更安全的量子點替代品成為了納米熒光探針研究中的難點.

第IV族納米顆粒, 包括碳、硅、碳化硅等, 具有化學惰性和良好的生物相容性[11], 在生物成像領域引起廣泛關注.研究發(fā)現(xiàn), 碳納米粒子表面鈍化后會產(chǎn)生強熒光, 被稱為碳量子點(carbon dots).碳量子點具有高抗光漂白性、長熒光壽命、寬熒光光譜區(qū)域和生物相容性[12-15].碳量子點的熒光量子產(chǎn)率可以媲美有機染料和半導體量子點.碳量子點經(jīng)過進一步的修飾、改性, 可用于生物成像.

本文重點概述了碳量子點合成、生物成像和安全性研究的最新成果, 并對今后的研究方向進行了探討.

1 碳量子點的合成

碳量子點的尺寸一般小于10 nm, 起始原料可以是不同來源的碳黑、不定型碳和含碳有機化合物等.碳量子點的合成方法大致分為兩大類: 由上而下(將碳黑等宏觀尺寸的碳變小)和由下而上(由有機含碳化合物合成納米級碳點).前者是通過酸氧化和表面鈍化碳顆粒來實現(xiàn).經(jīng)過這些處理, 碳黑表面性質以及顆粒的核心結構發(fā)生改變.后一種方法包括燃燒/加熱法、電化學氧化法、激光照射法和微波法.通過上述途徑得到產(chǎn)品均為混合物,因此需要通過進一步的分離來獲得熒光性能更好的碳量子點.

1.1 由上而下制備碳量子點

由上到下合成碳量子點的方法中, 第一步一般是將碳黑或灰分等進行酸處理, 碳顆粒被分解成納米級小顆粒.碳顆粒表面親水性官能團增加, 水溶性得到改進, 并能在碳核區(qū)域中摻雜入氮和氧等元素.這兩種結構上的改變對于熒光碳量子點至關重要[16-17].值得注意的是, 只進行酸氧化, 所得碳量子點的熒光強度通常都較低.已有報道的僅通過酸化得到的碳量子點的量子產(chǎn)率最多只能達到0.03.需要通過進一步表面鈍化, 獲得量子產(chǎn)率更高的碳量子點[16].

鈍化可以大大提高碳量子點的熒光強度.多種不同來源的碳黑通過不同的表面鈍化劑處理后都顯示了熒光量子產(chǎn)率的顯著增加[12,17-25].聚乙二醇(PEG)是在一種常用的鈍化劑, 也是一種常用的生物相容性較高的高分子.根據(jù)具體流程的不同, PEG分散的碳量子點的量子產(chǎn)率在0.013到0.2之間變化[19-22,26].將乙二醇胺(PEGN)與酸處理后的碳量子點共價連接是一個經(jīng)典的反應途徑(圖1a).具體方法是: 首先, 用硝酸水溶液回流碳黑12 h; 隨后, 用亞硫酰氯回流6 h; 第三, 將處理后的碳粒子樣品與PEGN混合在一起, 并加熱至120 ℃反應72 h[18-20].經(jīng)過鈍化, 碳量子點的量子產(chǎn)率從無法檢測提高到0.2左右[19-20].使用PEGN鈍化后, 從碳水化合物脫水得到的碳量子點的量子產(chǎn)率也從0.01提高到0.13[17].這種鈍化法同樣適用于天然氣煤煙[27]、油煙[21]和活性炭[22]等碳源制備碳量子點.

除了聚乙二醇, 還可以通過其它分子, 包括聚丙酰基亞乙基-共-乙亞胺(PPEI-EI)[19]、巰基乙酸[28]、乙二胺[17]和油胺[17]等, 鈍化碳量子點, 增強熒光性.例如, PPEI-EI鈍化的碳量子點的量子產(chǎn)率超過0.1[19].考慮到PEG的高生物相容性和PEG鈍化碳量子點的高量子產(chǎn)率(尤其是經(jīng)由色譜分離后), PEG鈍化的碳量子點更適合于生物標記和生物成像應用.

發(fā)光機理上, 對于碳量子點是不是存在經(jīng)典的帶隙吸收還有所爭議.主流的觀點傾向于認為碳量子點上的熒光與碳核表面鈍化及表面缺陷相關.表面鈍化可以穩(wěn)定表面能量陷阱, 使它們發(fā)光.由于能量陷阱受納米粒子表面的量子限域作用, 更小的尺寸有利于熒光產(chǎn)生[18-19].已有研究也表明, 較小且鈍化更好的碳量子點的量子產(chǎn)率高達0.78[29].

1.2 由下而上合成碳量子點

由下而上是一種更直接的制備碳量子點的方法.由小分子為起始原料, 構建具有表面缺陷、內部摻雜以及表面官能團的碳核.合成法通常被分為兩類[15]: 碳量子點由一個較大的碳結構, 如石墨[30-31]或碳納米管[32]通過電化學氧化法制備.第二種是由糖等含碳分子經(jīng)過熱解制備碳量子點[33-39].Bourlinos等人[33]將檸檬酸水合物溶于水并加入2-(2-氨基乙氧基)-乙醇溶液, 將溶液在65 ℃下蒸發(fā)至干, 所得糖漿在250 ℃下水熱加熱2 h, 得到碳量子點.通過直接合成得到的碳量子點的量子產(chǎn)率可以達到0.192.Bhunia等[36]利用碳化碳水化合物的方法合成了直徑小于10 nm的憎水(藍光)和親水(綠光)碳量子點.憎水碳量子點為300 ℃下水熱加熱30 min獲得; 親水的碳量子點在較低溫度下水熱加熱得到.親水碳量子點可以通過調節(jié)pH來控制發(fā)射波長.如橙紅色親水碳量子點的量子產(chǎn)率為6% - 30%, 能夠很好的在細胞內成像.此外, Wu等[37]嘗試了從蜂蜜出發(fā)制備碳量子點.De等[38]報道了從香蕉汁制備量子點的方法.Krysmann等[39]由生物質為原料獲得了碳量子點.

1.3 碳量子點的性質

碳量子點的尺寸范圍通常為1-10 nm, 在水中分散性較高.碳量子點的量子產(chǎn)率在0-0.78之間變化.盡管碳量子點可以在不同的波長激發(fā)下發(fā)出不同顏色的光, 碳量子點最有效的發(fā)射是在綠光的范圍內(圖1b).碳量子點抗光漂白效果好, 即使在激光照射下也具有良好的穩(wěn)定性.

將碳量子點分離可以收集得到熒光性能更好的碳量子點組分.多種分離技術已被應用, 如電泳、超濾、柱色譜法和高速離心法等.在去除無熒光或低熒光納米顆粒后, 碳量子點的量子產(chǎn)率會大幅提高[18,40].更小尺寸和更窄粒徑分布的碳量子點具有更高的量子產(chǎn)率[24,32,41].例如, 凝膠分離后, 較小尺寸的碳量子點的量子產(chǎn)率很容易高于0.55(圖1c)[18].Ray等人報道, 尺寸越小, 光激發(fā)效率越好[16].另外, 熒光激發(fā)光譜峰位不同的碳量子點也被分離出來, 這為多色成像提供了可能[40,42-43].碳量子點具有不同發(fā)射波長的熒光這一現(xiàn)象被很多研究組報道, 但是其機制仍然是一個懸而未決的問題[40,42].

圖1 碳量子點的制備與熒光性質.(A)PEG1500N鈍化制備碳量子點的示意圖; (B)水溶液中PPEI-EI 碳量子點的吸收和熒光發(fā)射光譜; (C)碳量子點在室內燈光(左)和暗場(右)的照片[18-19].Fig.1 Preparation and luminescence properties of carbon dots.(A) schematic illustration of PEG1500Npassivated carbon dots; (B) absorption and emission spectra of PPEI-EI passivated carbon dots; (C) photographs of carbon dots under room light (left) and dark field (right)[18-19].

2 光學成像應用

2.1 細胞成像

由于獨特的熒光特性, 碳量子點在體外和體內成像都有著誘人的應用前景.碳量子點具有低細胞毒性和高生物標記潛力, 用碳量子點作為熒光探針的可行性已經(jīng)在細胞和動物模型中證實[44,45].通過這些實驗驗證, 碳量子點顯示出高熒光性能和生物相容性.在本節(jié)中, 我們總結碳量子點成像的例子, 對其優(yōu)點和缺點進行討論.

碳量子點能標記Caco-2細胞[19]和MCF-7細胞[23](圖2).將細胞和PPEI- EI鈍化的碳量子點共孵育, 通過單光子和雙光子激發(fā)共焦顯微鏡均可以觀察到細胞內碳量子點的分布[19,23].對于MCF-7細胞而言, 碳量子點能夠標記細胞膜和細胞質, 但無法進入細胞核.在4 ℃低溫下, 碳量子點無法被細胞攝入, 說明碳量子點的攝取是需要能量的[23].PEG1500N鈍化的碳量子點可以用于標記大腸桿菌[19,24]、小鼠P19細胞[24]和COS-7細胞[22].此外, Ray等人的報道稱, 非鈍化的碳量子點能夠標記Ehrich腹水癌細胞(EACS), 并在常規(guī)熒光顯微鏡下可以直接觀察[16].之后大量文獻都報道了碳量子點的細胞成像, 但是少有突破性的進展, 還局限在驗證性試驗上.

縱覽碳量子點的細胞成像研究可以發(fā)現(xiàn), 目前碳量子點的體外(細胞水平)成像還處于比較初級的水平.碳量子點作為熒光劑, 有足夠的亮度可以被激光共聚焦顯微鏡或熒光顯微鏡觀察[19,23].除了標記細胞以外的更進一步的生物應用還沒有被充分開發(fā)出來.半導體量子點生物成像的快速發(fā)展值得碳量子點應用開發(fā)者借鑒.碳量子點的尺寸范圍(<10 nm)接近常規(guī)半導體量子點(<20 nm), 熒光量子產(chǎn)率兩者也相當.碳量子點高熒光量子產(chǎn)率和更小的尺寸相使得其在成像領域有巨大的潛力, 如生物體內部高清晰度的三維成像、熒光共振能量轉移(FRET)為基礎的研究等等[46].

2.2 活體成像

碳量子點的活體熒光成像研究較少, 主要受制于碳量子點發(fā)射波長集中在藍綠光區(qū).已有的研究結果顯示,碳量子點同樣適合于活體熒光成像.

圖2 碳量子點雙光子成像MCF-7細胞[23]Fig.2 Two-photon fluorescence microscopy images of MCF-7 cells with internalized carbon dots[23]

經(jīng)皮下、皮內或靜脈(i.v.)注射, 碳量子點在體內保持強烈的熒光.碳量子點的熒光可穿透皮膚和組織進行成像[12,20].皮下注射后, 碳量子點溶液在小鼠體內形成亮斑, 并逐漸擴散到身體其他部位.皮內注射后, 碳量子點可以沿著淋巴管遷移到前哨淋巴結(圖3).這一現(xiàn)象表明碳量子點可以用于前哨淋巴結成像, 特別是在腫瘤診斷和手術中有潛在的應用.

圖3 碳量子點皮內注射后沿著淋巴管遷移[20]Fig.3 Migration of carbon dots along lymph vessels after intradermal injection[20]

靜脈注射后, 碳量子點迅速在膀胱的富集.在靜脈注射3 h后, 可在尿液中檢測到明亮的熒光(圖4).膀胱區(qū)域出現(xiàn)明顯的亮斑, 而尿液的熒光強度更強.這表明碳量子點靜脈注射后迅速從尿液排出體外.碳量子點也少量富集在肝脾中.雙光子成像肝、脾的切片證實了這一想法[12,,20].

這些結果表明碳量子點可以用作體內熒光探針.由于在接近紅外窗口附近的光最有利于生物成像, 目前發(fā)藍綠色光的碳量子點還有待改進.這極大限制了碳量子點的深部組織成像, 需要發(fā)展能發(fā)射紅光或近紅外光的新型碳量子點.另一方面, 現(xiàn)有的活體成像結果還很簡單, 沒有真正發(fā)揮碳量子點的優(yōu)勢.今后的研究需要將碳量子點與生物活性分子等結合起來應用, 特別是發(fā)展基于碳量子點的診斷治療體系具有重大科學價值和實際意義.

圖4 碳量子點活體熒光成像.(A)明場; (B)暗場; (C)肝、脾切片的雙光子熒光成像[12,20]Fig.4 In vivo imaging of carbon dots.(A) dark field; (B) bright field; (C) two-photon imaging of the sliced liver and spleen[12,20]

3 生物安全性

3.1 生物分布

碳量子點的生物安全性研究遵循吸收、分布、代謝和排泄及毒性(ADME/T)的范式.人們首先要關注的是碳量子點在體內的分布和代謝情況.

利用碳量子點的熒光性質可以在體內示蹤, 對其在體內的分布進行定性研究.經(jīng)皮下注射, 碳量子點會緩慢擴散, 并在注射24小時后變得無法觀察[20].皮內注射的碳量子點可通過淋巴管沿上肢向上遷移, 并聚集在腋淋巴結.取出注射碳量子點 24小時后的小鼠的淋巴結, 熒光成像可以觀察到強烈的熒光信號[20].靜脈注射后,大部分碳量子點通過尿排泄出體外[20], 少量在肝臟和脾臟中聚集(圖4c)[12,20].目前尚未有碳量子點在體內被代謝轉化為其他化學成分的報道.

3.2 體外毒性

碳是組成生物體的幾個基本元素之一.碳材料通常具有化學惰性的, 并且不會釋放有毒元素[11,47].然而,納米材料由于尺寸效應和界面效應而往往具有比傳統(tǒng)材料更高的化學活性, 進而可能產(chǎn)生較高的生物毒性.例如, 富勒烯和碳納米管的許多生物不良影響已被報道[48].因此, 為了保障碳量子點的安全應用, 必須對其的毒性和生物相容性進行評估.

在細胞水平, 碳量子點的毒性評估在許多研究小組開展.這些研究顯示沒有任何表面官能化的碳量子點通常具有低毒性.Ray等人發(fā)現(xiàn)在接觸高達100 μg/ mL劑量的碳量子點后, HepG2細胞仍保持著80%左右的細胞活力[16].Zhao等人也報道了相似的結果.他們測試了4 mg/mL的碳量子點對人類腎臟293細胞的細胞活力影響, 發(fā)現(xiàn)碳量子點的安全性較高[28].此外, 劑量為0.4 mg/mL裸碳量子點對于MCF-7和人類大腸腺癌HT-29細胞均無顯著毒性作用[49].

表面鈍化的碳量子點的細胞毒性則與表面修飾基團密切相關.我們對不同鈍化劑鈍化的碳量子點的細胞毒性進行了比較.MTT和臺盼藍測定法被用來評價納米材料細胞毒性.對于MCF-7和HT-29兩種細胞系, 我們發(fā)現(xiàn)碳量子點裸核和PEGN鈍化的C-Dos對細胞增殖、活力和死亡率影響均較低(圖5)[12].由于自身毒性較高, PPEI-EI使得其鈍化的碳量子點顯示了較高的細胞毒性.值得提到的是, PPEI-EI鈍化的碳量子點比PPEI-EI本身在同等濃度下具有更高的細胞毒性[49].我們推測, PPEI-EI的憎水部分與碳核表面由于疏水相互作用充分結合,而親水部分, 尤其是具有生物活性的氨基部分, 則暴露在碳量子點的外表面, 加大了PPEI-EI的細胞毒性.

3.3 體內毒性

碳量子點的體內毒性研究的還較少.Yang等用CD-1小鼠為模型研究了碳量子點在體內的毒性.該研究中檢測了兩個重要的肝功能指標: 丙氨酸氨基轉移酶(ALT)和AST; 三個腎功能指標: 尿酸, 血尿素氮和肌酐.在注射碳量子點后, Yang等監(jiān)測了這些指標的變化情況, 并對肝、脾、腎等組織進行了病理組織學檢查.結果都顯示了碳量子點較好的生物相容性[12].這表明碳量子點對動物不產(chǎn)生明顯的毒性.

圖5 PEG鈍化的碳量子點(黑色)與鈍化劑PEG(白色)的細胞毒性對比[12]Fig.5 Cytotoxicity of PEG passivated carbon dots (black) and PEG (white)[12]

4 展望

當前研究最廣泛的量子點主要是由有毒金屬元素和非金屬元素的化合物組成, 他們大部分具有較高的毒性和較高的生產(chǎn)成本.尋求生物相容性好的替代品是一個富有挑戰(zhàn)性和實際應用價值的課題.熒光碳量子點由生物相容性優(yōu)異的碳元素作為核心組件并具有良好的光學性能, 因而吸引了科學家極大的關注, .

高亮度和小尺寸是碳量子點最具吸引力的兩個優(yōu)點.碳量子點能夠在進入細胞或動物體后仍保持熒光性能.碳量子點的平均尺寸小于10nm, 可用為熒光探針示蹤生物大分子或生物反應過程.傳統(tǒng)半導體量子點的生物應用研究值得碳量子點研究者參考.例如, 將半導體量子點通過共價交聯(lián)或非共價吸附連接到生物分子, 如蛋白質和DNA上, 研究蛋白質的構形變化.將半導體量子點作為應用開發(fā)的參考, 碳量子點的生物醫(yī)學應用可以少走很多彎路.此外, 碳量子點也可以發(fā)展處具有自身特點的生物醫(yī)學應用, 例如利用碳本身的多色信號發(fā)展多通路檢測等.

另一方面, 合成性能更優(yōu)異的碳量子點也是研究的一個熱點.目前, 碳量子點熒光光譜的發(fā)射區(qū)間還不是很理想.眾所周知, 生物組織在近紅外區(qū)域對光的吸收最小, 稱為“近紅外窗口”.現(xiàn)有的碳量子點主要是發(fā)出藍色或綠色的光, 而這個波段的光在會被生物體部分吸收, 不適合于深層成像.已經(jīng)分離出橙色熒光碳量子點, 盡管其量子產(chǎn)率還不夠高, 仍然為研發(fā)長發(fā)射波長的碳量子點提供了思路.

綜上所述, 一個理想的納米熒光成像材料應該具備這些特點: 高亮度、小尺寸、紅色或近紅外紅光發(fā)射光譜以及良好的生物相容性.碳量子點可能同時具備上述所有優(yōu)點, 具有極大的前景.隨著研究深入開展, 必將得到光學性能更優(yōu)異的碳量子點, 進一步推動其生物成像應用.

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Fluorescent carbon dots for biological imaging: preparation, application, pharmacokinetics and toxicity

LIU Jia-hui, HUANG Xu-ze, DONG Yi-yang
(Beijing Key Laboratory of Bioprocess, School of Life Science and Technology, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100871, P.R.C.)

Fluorescent probes are widely used in biological imaging. The rapid advancement of nanotechnology has brought some new types of fluorescent probes. Because of their innate biocompatibility, good resistance against photobleaching, long fluorescence lifetime and wide fluorescence spectral region, fluorescent carbon quantum dots (C-Dots) are gradually evolving into promising reagents for bioimaging. In this review, the recent achievements is summarized in fluorescent C-Dots with emphases on their preparation, properties, imaging application, pharmacokinetics and toxicity.Perspectives on further investigations and opportunities to develop C-Dots into the safer and more sensitive imaging probes are discussed.

carbon dot; fluorescent probe; pharmacokinetics

Q-33

A

1003-4271(2014)06-0818-08

10.3969/j.issn.1003-4271.2014.06.04

2014-10-09

劉佳蕙(1985-), 女, 漢族, 黑龍江海林人, 講師, 博士, 研究方向: 熒光碳納米材料的制備和應用研究.Email: jhliu@mail.buct.edu.cn

國家自然科學基金青年基金項目(No.21301015).