關于碳點性能提升的研究進展

李俊芬， 李鵬霞， 張 琳， 董 川

(1.山西大學化學化工學院，山西太原 030006；2.山西大學環(huán)境科學與工程研究中心，山西太原 030006)

碳點(CDs)是指直徑小于10 nm的碳納米顆粒[1]。2004年，Xu等[2]純化單壁碳納米管時首次發(fā)現(xiàn)了熒光納米顆粒的混合物。2006年，Sun等[3]以石墨粉為原料用激光刻蝕法合成出碳納米點用于多光子成像，并首次命名為“碳點”，推動了其實際應用進程。2007年，Liu等[4]使用凝膠電泳法分離出尺寸接近但具有不同發(fā)光特性的CDs，開啟了發(fā)光理論研究的進程。CDs具有可調的熒光發(fā)射光譜、低毒性、抗光漂白性、良好的光穩(wěn)定性和生物相容性等特點[5]，引起了科研人員的廣泛關注，已廣泛應用于生物成像[6]、探針[7]、光催化劑[8]、生物藥物載體[9]、光電材料[10]等方面。

目前，合成CDs的方法主要分為兩類：自上而下法和自下而上法。自上而下法是指從大尺寸的碳結構材料上剝離下來CDs的方法，主要包括激光銷蝕法[11]、電化學法[12]、弧光放電法[2]等。自下而上法則是指通過化學合成的手段，將小分子碳前驅體聚集變大從而合成CDs的方法，主要包括水熱合成法[13]、微波輔助法[14]、熱分解法[15]、超聲波輔助法[16]等。一般情況下，合成的裸CDs的熒光量子產率低于10%， 因此，在傳統(tǒng)合成方法的基礎上進行修飾以提高CDs量子產率、拓寬其應用性能非常必要。本文在前人的研究基礎上，對CDs的修飾方法：形成金屬納米粒子-CDs復合物、雜原子摻雜和表面功能化以及不同修飾方法對CDs性能的影響和應用情況進行了系統(tǒng)綜述。

1 形成金屬納米-碳點復合物

CDs與金屬納米粒子形成復合物，使CDs增加了相應金屬納米粒子的特性，極大地拓寬了其應用研究范圍。其中金納米粒子(AuNPs)、銀納米粒子(AgNPs)與CDs形成復合物研究較多。鉑[17]、鈀[18]等金屬納米粒子與CDs形成復合物研究很少，值得深入探討。

1.1 金納米粒子-碳點復合物(AuNPs-CDs)

AuNPs具有高的摩爾消光系數(shù)和寬的能隙帶寬，在熒光檢測中應用廣泛?；贏uNPs的研究，AuNPs-CDs研究獲得了優(yōu)異的成果。目前，合成AuNPs時常選擇HAuCl4作為原料[19 - 25]。Wang等[26]合成了CDs/Aptamer/AuNPs 納米復合材料并用于檢測黃曲霉毒素B1(AFB1)。如圖1所示，CDs的熒光可被修飾有核酸適配體(Aptamer)的AuNPs有效猝滅；加入AFB1后，AFB1與核酸適配體結合，將CDs釋放，熒光信號恢復；熒光發(fā)射強度增加值可用于AFB1的定量檢測。Li等[27]發(fā)現(xiàn)H2O2可猝滅AuNPs的紅色熒光，但不影響CDs的藍色熒光，故設計了一種檢測H2O2的熒光比例探針。

1.2 銀納米粒子-碳點復合物(AgNPs-CDs)

AgNPs具有優(yōu)異的表面等離子體共振和貴金屬特性，因此AgNPs-CDs的研究具有較大優(yōu)勢。合成AgNPs時一般選擇AgNO3作為反應物，將AgNO3在NaBH4作用下合成的AgNPs與CDs相互作用，或者AgNO3溶液與CDs溶液混合，形成AgNPs-CDs[28 - 33]。Ma等[32]利用AgNPs-CDs定量檢測人血清中葡萄糖水平。由于從CDs(供體)到AgNPs(受體)的表面等離子體增強能量轉移(SPEET)，AgNPs使CDs熒光猝滅；當CDs表面的AgNPs被葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖產生的H2O2蝕刻，CDs熒光恢復；熒光強度增加幅度直接取決于H2O2濃度，而H2O2依賴于葡萄糖的濃度，從而實現(xiàn)葡萄糖的定量檢測，如圖2所示。目前關于雜原子摻雜CDs合成機理的解釋比較少。Choi等[34]描述了異二聚體AgNPs-CDs的合成機理：Ag+以及Cl-通過與羧基、胺和/或其它官能團的靜電相互作用被吸引到CDs的表面。當CDs的自由電子靠近表面Ag+時，界面允許更多的電子通過Ag+成核位點并富集更多的Ag+，最終合成異二聚體AgNPs-CDs，如圖3所示。

圖1 利用AuNPs-CDs檢測黃曲霉毒素B1的示意圖[26]Fig.1 Illustration of detection of AFB1 by AuNPs-CDs[26]

圖2 利用AgNPs-CDs檢測葡萄糖的示意圖[32]Fig.2 Schematic illustration of detection of glucose by AgNPs-CDs[32]

圖3 異二聚體AgNPs-CDs形成機理[34]Fig.3 Formation mechanism of heterodimeric AgNPs-CDs[34]

2 雜原子摻雜

CDs摻雜的雜原子與C原子本身相比具有不同的原子軌道，可以形成新的表面狀態(tài)來捕獲激發(fā)電子，因此量子產率明顯提高，CDs性能顯著提升。近年，Gd、N、P、S、Si等摻雜CDs研究較多，而Zn[35]、Mg[36]、Eu[37]、B[38]、Se[39]等摻雜CDs較少。將多種雜原子共摻雜到CDs中可以更好得調節(jié)其電子性質、結構、熒光性質，故共摻雜CDs是近年的研究熱點。

2.1 釓摻雜碳點(GdCDs)

目前大多數(shù)臨床磁共振(MR)造影劑由順磁性Gd(Ⅲ)組成[40]，將Gd元素引入CDs中，開創(chuàng)了CDs在MR成像領域的應用。Bourlinos等[41]首次合成了GdCDs，并用于熒光(FL)/MR雙成像。FL/MR雙成像可同時獲得特定組織的細胞水平信息和全身高分辨解剖結構，具有重要科研價值。該報道以釓噴酸、三羥甲基氨基甲烷、甜菜堿鹽酸鹽為原料熱解合成的CDs，比商用磁共振造影劑加樂顯具有更高的T1-弛豫效能。隨后，多位研究者采用不同方法合成了GdCDs，并用于FL/MR雙成像[42 - 46]。2017年，Du等[47]以釓噴酸和甘氨酸為原料通過簡單水熱法合成了GdCDs，發(fā)現(xiàn)該CDs不僅可用于MR成像，還是一種MR引導的癌癥治療的放射增敏劑，為未來臨床癌癥治療帶來了更多的機遇。

除了在MR成像領域的應用，Kumar等[48]以PFG-400和熔融Gd為原料通過聲波降解法合成的CDs顯示了對綠膿桿菌的抗菌性；Nissan等[49]以相同原料通過聲化學法合成的CDs對神經生長具有促進作用。目前關于GdCDs的報道較少，合成機理缺乏研究，實際應用范圍狹窄，有待繼續(xù)深入研究。

2.2 氮摻雜碳點(NCDs)

到目前為止，在有關雜原子摻雜CDs的報道中，N摻雜CDs所占比例最大。N原子與C原子尺寸相近，且外層五價電子可與C原子鍵合，故CDs摻雜N原子的合成過程簡單有效。摻雜的N原子干擾CDs的固有性質，導致在碳核中形成高度缺陷結構，從而提高CDs的熒光性能[50 - 51]。

Zhang等[52]以檸檬酸為碳源，乙醇胺和三羥甲基氨基甲烷為氮源，用一步微波法合成了量子產率高達96.3%和99.3%的超高量子產率NCDs。Kong等[53]以對羥基苯甲酸為碳源、乙二胺為氮源水熱合成了綠色NCDs，量子產率達30%，并用于α-葡萄糖苷酶活性檢測和抗糖尿病藥物篩選。除乙二胺外，尿素[54]、氯化胍[55]、雙氰胺[56]、三乙醇胺[57]等含N小分子也可作為N源。采用加入N源的方法，雖然可以合成性能優(yōu)異的CDs，但是存在需探討N源和C源比例或涉及多個合成步驟的問題，不可避免地降低了摻雜CDs的組成、形態(tài)的可控性。針對以上問題，一些研究直接采用含N有機小分子合成CDs。Wang等[58]使用胺基苯甲酸作為唯一的前體合成NCDs，量子產率高達30.7%，并作為多功能熒光納米傳感器來檢測pH和Fe(Ⅲ)。

2.3 磷摻雜碳點(PCDs)

P和N為同一主族元素，故摻雜P原子對CDs熒光性能的影響與N原子類似。Zhou等[59]以對苯二酚和溴化磷合成了強藍色熒光的PCDs，與未摻雜P的CD相比，發(fā)光性能更佳。Omer等[60]以乳糖和磷酸用低溫溶劑熱法制備了PCDs，并用于多種金屬離子檢測。與常見金屬離子檢測不同，該方法加入響應離子后，不僅熒光強度發(fā)生改變，熒光發(fā)射峰還發(fā)生顯著移動，檢測更加靈敏。Li等[61]報道了P摻雜CDs導致聚集誘發(fā)紅移發(fā)射現(xiàn)象。他們在H3PO4存在下水解處理膦酰基乙酸三乙酯合成PCDs。在相同的激發(fā)波長下，PCDs溶液的發(fā)射峰位置隨著濃度的增加而紅移，溶液顏色由藍色，變?yōu)榫G色，至橘黃色。

2.4 硫摻雜碳點(SCDs)

S原子半徑明顯大于C原子，而且S(2.58)和C(2.55)之間的電負性差異非常小以至于發(fā)生S-C之間的電荷轉移難度較大[62 - 63]，因此摻雜S原子在實際運用中受到一定的限制。目前，關于S摻雜CDs的報道非常少，對于S原子如何影響CDs性能也鮮有解釋。

Ge等[64]首次證明，以聚噻吩苯丙酸為原料合成的紅色熒光SCDs可以同時作為活體小鼠癌癥診斷和治療的熒光、光聲和熱分析材料。Yang等[65]以由常見纖維素作為碳前體和H2SO4作為碳化劑與摻雜劑，水熱合成了SCDs。該CDs在強酸溶液中仍表現(xiàn)出強熒光發(fā)射和高量子產率(32%)，并用于檢測強酸溶液中的Fe(Ⅲ)濃度。

2.5 硅摻雜碳點(SiCDs)

Si作為一種良好的生物相容性元素及親氧元素，為CDs摻雜提供了新的思路[66 - 68]。鑒于CDs顯著的邊緣效應，摻雜的Si可能通過改變CDs電子排布并提供更多的活性位點，從而產生新穎性質[69]。Jiang等[70]以(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、甘油和多巴胺作為原料合成了新的納米復合材料硅碳點多巴胺(SiCDs@DA)，并用于細胞內Ag+檢測和細胞成像。Amjadi等[71]引入Fe(Ⅱ)-K2S2O8作為新的超弱發(fā)光系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)用檸檬酸和(3-氨丙基)三乙氧基硅烷通過水熱法制備的SiCDs對該發(fā)光反應具有顯著的增強作用，可形成新的化學發(fā)光系統(tǒng)。諾氟沙星對新系統(tǒng)的發(fā)光有顯著的增強作用，該系統(tǒng)用于測定人血漿中諾氟沙星的治療水平，得到滿意結果。

2.6 共摻雜碳點

共摻雜CDs的合成原料大致分為兩類：有機分子與天然材料。選擇有機分子作為合成CDs的原料，反應物組成和結構清晰明了，更有利于深入進行CDs合成和發(fā)光原理、熒光猝滅機制等理論研究。Gong等[72]通過使用水熱處理三磷酸腺苷(ATP)，制備了P、N共摻雜碳點(P/N-CDs)。P/N-CDs的熒光可被活性氧物質(ROS)和活性氮物質(RNS)選擇性猝滅，因此被用作細胞內ROS和 RNS有效的顯像劑。Lan等[39]通過在堿性溶液中水熱處理聚噻吩和二苯基二硒化物制備了雙發(fā)射紅色熒光S/Se-CDCD，并應用于熒光成像和光熱治療癌細胞。在采用有機分子為原料合成摻雜CDs的研究中，氨基酸含有豐富的氨基和羧基，是合成CDs的優(yōu)良前體，近年來贏得了廣大研究者的青睞[73 - 75]。Zeng等[76]使用L-絲氨酸與L-胱氨酸作為原料，在水熱條件下合成了S/N-CDs。該CDs在室溫下發(fā)出獨特的橙色熒光，可應用于小鼠腹膜巨噬細胞成像。天然材料在自然界中廣泛分布，成本低，合成CDs時一般無需進一步修飾或鈍化，有利于CDs的大規(guī)模綠色化生產。大多數(shù)天然材料組成成分復雜，因此合成的CDs具有特殊的表面狀態(tài)和性能。如薄荷[77]、南瓜[78]、大蒜[79]、酵母[80]、樹葉[81]、烏龍茶[82]等都可以作為C源。Shen等[83]使用柚子汁、水熱合成的S/N-CDs對DPPH自由基，羥基自由基和超氧化物陰離子自由基表現(xiàn)出優(yōu)異的清除能力，而且其熒光可被Cr(Ⅵ)有效猝滅。近幾年采用天然材料合成CDs的報道非?；馃?，但是合成機制不明確，有待繼續(xù)研究。

3 表面功能化

3.1 碳點表面連接功能化分子

未經功能化而直接制備的裸碳點一般熒光量子產率低，熒光性能差；表面基團的構成無特定功能，因而其應用受到限制。多種特定分子可通過化學鍵連接在CDs表面(表1)，有效提高其熒光量子產率，改善其發(fā)光性能，大大拓展了CD應用領域。Wang等[92]設計了一種新型CDs，即甲基吡咯烷酮和聚乙二醇水熱合成的CDs與白細胞介素-6片段肽共價結合。實驗結果表明，該CDs可克服血腦屏障滲入小鼠原位膠質瘤，實現(xiàn)抑制白細胞介素-6增殖和靶向藥物傳遞。同時由于阿霉素和該CDs之間特殊的π-π相互作用和敏感的熒光共振能量轉移，阿霉素負載的納米顆粒表現(xiàn)出對pH響應的持續(xù)釋放行為。Luo等[93]通過熱處理檸檬酸和L-半胱氨酸合成的CDs與β-環(huán)糊精(β-CD)聚合形成β-CD-CDs。利用該CDs構建了一種基于主-客體相互作用和光誘導電子轉移的新型探針系統(tǒng)用于檢測睪酮。Gao等[94]報道了通過聚乙烯亞胺(PEI)修飾的CDs(P-CDs)和透明質酸(HA)、阿霉素(Dox)的共軛對通過靜電組裝作用獲得的熒光探針P-CDs/HA-Dox，用于透明質酸酶檢測、自我靶向成像和藥物遞送。CDs表面多樣的官能團為其與具有特異性或者靶向性的小分子、DNA或藥物分子的結合提供了可能性，CDs表面連接功能化分子，相對提升碳點性能的其他方法，目的性更強。探索新的連接分子，著力于檢測生物分子、應用于生物醫(yī)藥載體是其未來研究熱點。

表1 碳點表面連接功能化分子的示例

3.2 鈍化

CDs合成過程中采用鈍化劑的研究歷史比較長。2006年，Sun等[3]對碳靶進行激光銷蝕，在HNO3中回流后未發(fā)現(xiàn)熒光納米顆粒，之后采用聚乙二醇1500N(PEG1500N)或聚丙酰乙烯亞胺-乙烯亞胺(PPEI-EI)作為鈍化劑進行表面處理，才合成了CDs，可見鈍化對CDs性能影響的重要性。同時，Sun等解釋了CDs的熒光是由于表面鈍化導致的表面能量陷阱產生的。常用的鈍化劑除PEG1500N和PPEI-EI外，還有乙二胺(EDA)[50]、4,7,10-三氧-1,13-十三烷二胺(TTDDA)[95]、聚乙烯亞胺(PEI)[96]、線性聚環(huán)氧乙烷(PEO)[97]和有機硅烷[98]等。一般來說，鈍化劑也是表面修飾劑，對CDs表面進行功能化修飾。Yuan等[99]以檸檬酸為碳源，鹽酸胍既為氮源也作為鈍化劑，采用水熱法合成了CDs。該CDs熒光可被Hg2+有效猝滅，用于細胞內Hg2+可視化監(jiān)控。Campos等[100]用乳糖水熱合成CDs，PEG的羥基與碳點表面的官能團作用而鍵連在CDs表面，形成CDs@PEG納米粒子。然后CDs@PEG封裝入pNIPAM 微凝膠，形成新型溫敏材料。鈍化劑對CDs性能影響的研究已有十幾年，雖然具有一定成果，但是還未形成明確的理論，需要繼續(xù)研究。

3.3 氧化程度控制

圖4 還原態(tài)碳點的合成示意圖[101]Fig.4 Schematic illustration of synthesis of reduced-state carbon nanodots

碳納米點上的氧化官能團使其具有親水性并便于進一步功能化，同時作為表面發(fā)射陷阱影響CDs發(fā)光效率。因此，CDs的發(fā)光性能可以通過控制氧化程度來調整。Zheng等[101]選擇幾種常見的還原劑，如抗壞血酸、硫化鈉、檸檬酸鈉、水合肼和羥胺鹽酸鹽用于還原CDs，但是未觀察到CDs熒光強度變化和熒光發(fā)射峰移動。但是通過用NaBH4在水溶液中還原弱綠色發(fā)光CDs合成具有強藍色發(fā)光的還原態(tài)碳點(r-CDs)(圖4)，CDs粒徑大小變化不明顯，但是量子產率從2%增加到24%，最大發(fā)射波長從520 nm移動到450 nm。這種變化歸因于NaBH4選擇性地將羰基和環(huán)氧基還原為羥基，并且顯著增加了CDs上羥基的量而不減少其他基團的量。因此常用NaBH4等[102]對CDs進行還原，研究表面氧化官能團對CDs發(fā)光行為的影響，擴寬其應用范圍。Yan等制備了以半胱氨酸為碳源的CDs，并通過NaBH4還原合成了r-CDs。其表面上的還原性基團為r-CDs提供了優(yōu)異的給電子能力，從而為合成金屬納米材料和CDs復合材料應用開辟了新的領域。Hui等[103]使用NaBH4來還原CDs，驗證了紅色發(fā)光CDs原理推測。由此可以看出，通過調控表面氧化程度，可以實現(xiàn)CDs光致發(fā)光性能的可調，具有重要科研價值。

4 結論和展望

CDs的研究取得了豐碩成果，然而量子產率低、熒光性能不穩(wěn)定、合成目標不明確等問題，仍需進一步改善和解決。未來CDs的研究將集中在以下方面：(1)設計及改進紅光或近紅外發(fā)光CDs合成方法，將會促進其在載藥、成像方面的應用。(2)CDs摻雜的金屬原子、非金屬原子的種類有待拓展。(3)CDs表面的功能化可以引入新材料，如MOFs、β-環(huán)糊精和抗癌藥物等。(4)金屬納米粒子-CDs復合物的形成、雜原子摻雜、通過功能化提升CDs性能的理論研究需進一步完善。