石墨烯量子點(diǎn)在生物與發(fā)光材料上的應(yīng)用研究

孫昊一

摘 要： 石墨烯量子點(diǎn)作為一種新型無機(jī)碳納米材料，因具有量子局限效應(yīng)和邊緣效應(yīng)，能夠表現(xiàn)出高電子遷移率，高光電轉(zhuǎn)換率，高生物相容性、低毒性和高熒光穩(wěn)定性等特性，作為新材料近幾年引起廣泛關(guān)注和研究。本文綜述并對比了五種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)論述石墨烯量子點(diǎn)的生物應(yīng)用：熒光成像、生物傳感器、藥物輸送。及碳量子點(diǎn)在LED上的應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上提出對石墨烯量子點(diǎn)的未來研究方向和目標(biāo)的展望。

關(guān)鍵詞： 石墨烯量子點(diǎn);制備方法;生物應(yīng)用;發(fā)光材料

中圖分類號： TB????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.12.094

石墨烯最近引起了人們的廣泛關(guān)注，尤為引人注目的是石墨烯表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，是硅材料的10倍，超出了目前最好的材料銻化鋼的兩倍，而量子點(diǎn)則是一類在三維方向上都被限制在納米級上的根據(jù)尺寸大小與材料配比的不同能發(fā)出不同顏色的物質(zhì)，因此它比傳統(tǒng)的熒光材料相比有寬的激發(fā)波長范圍及窄的發(fā)射波長范圍，發(fā)射峰窄而對稱，熒光強(qiáng)度強(qiáng)，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域有十分誘人的前景。

石墨烯量子點(diǎn)正是一種將這兩者的優(yōu)點(diǎn)合二為一的新型材料，相比傳統(tǒng)的量子點(diǎn)，石墨烯量子點(diǎn)有好的化學(xué)特性，高的生物相容性，低毒性和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。其在生物領(lǐng)域如組織成像、生物成像、藥物輸送等中有較為廣闊的應(yīng)用，而且在發(fā)光領(lǐng)域，因?yàn)槭┝孔狱c(diǎn)的優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換能力，高電子遷移率、高熒光穩(wěn)定性和環(huán)境友好等特性，使其成為代替LED的潛在選擇。

與傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料相比，石墨烯量子點(diǎn)具有寬的激發(fā)波長范圍及窄的發(fā)射波長范圍，發(fā)射峰窄而對稱，熒光強(qiáng)度強(qiáng)，生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，由于其在10nm以下表現(xiàn)出更強(qiáng)的量子限域效應(yīng)和邊界效應(yīng)，因此在很多方面如太陽能光電器件，生物醫(yī)藥，發(fā)光二極管，和傳感器等方面有更加誘人的前景。石墨烯量子點(diǎn)的合成方法包括從小到大和從大到小兩大類方法。前者指以小分子做原料應(yīng)用一系列化學(xué)反應(yīng)制備石墨烯量子點(diǎn)，包括溶液化學(xué)法，超聲波和微波法。后者主要是用物理和化學(xué)方法將大尺寸的石墨烯薄片（GSs），切割成小尺寸的石墨烯量子點(diǎn)，包括水熱法，化學(xué)剝離法，電化學(xué)法，富勒烯和碳纖維開籠法。由于石墨烯因?yàn)槠渖锒拘栽谏锷系膽?yīng)用受到諸多限制，石墨烯量子點(diǎn)因?yàn)槠涞蜕锒拘栽谏锘瘜W(xué)上有更加廣闊的發(fā)展空間。

1 石墨烯量子點(diǎn)的制備方法

2 石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用

2.1 生物應(yīng)用

石墨烯量子點(diǎn)的低毒性且對環(huán)境污染小，使它擁有很高的生物相容性，再者，石墨烯量子點(diǎn)發(fā)射波長可控，激發(fā)波長范圍寬，又有良好的溶解性和熒光穩(wěn)定性，這使其具有了作為生物成像探針的潛力。

相比起石墨烯因?yàn)樯锒拘栽谏镱I(lǐng)域的缺席，石墨烯量子點(diǎn)無疑能在生物傳感成像，藥物輸送等方面發(fā)揮出色作用。

2.1.1 熒光成像

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，常使用熒光來標(biāo)記對象，相比起容易因激發(fā)時(shí)間長而失敗的傳統(tǒng)熒光試劑，石墨烯量子點(diǎn)可以長時(shí)間地發(fā)射穩(wěn)定的熒光，而且人們還可以通過改變石墨烯量子點(diǎn)的大小獲得多種不同顏色的光，它在生物成像中有廣闊的應(yīng)用前景。

Zhu等將400ug石墨烯量子點(diǎn)加入150ug培養(yǎng)基中與成骨肉瘤MG-63細(xì)胞中，未觀察到對細(xì)胞的存活產(chǎn)生影響。其用激光失聚焦顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)發(fā)出了綠光且進(jìn)入了細(xì)胞內(nèi)部，石墨烯量子點(diǎn)在進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部后仍能發(fā)射綠光證明其能被細(xì)胞攝取并保持熒光特性，展現(xiàn)了應(yīng)用于細(xì)胞成像的可能性。近年來石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞成像上進(jìn)展頗多。

2.1.2 生物傳感器

石墨烯量子點(diǎn)會和某些無機(jī)物或有機(jī)物通過能量共振轉(zhuǎn)移等形式發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生熒光淬滅現(xiàn)象，其具體機(jī)制目前仍在繼續(xù)研究，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以把石墨烯量子點(diǎn)制成生物傳感器。

吳春霞等采用水熱法還原氧化石墨烯制得了石墨烯量子點(diǎn)，研究表明該石墨烯量子點(diǎn)對Mn2具有檢測功能，且十分靈敏，檢測級別最小可以到微量級，該量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨濃度增大而降低，在Mn2濃度0-400umol/L之間圖像呈線形。

卓淑娟等使用石墨烯量子點(diǎn)作為分子探針，來檢測磷酸鹽濃度，Eu3+可以使石墨烯量子點(diǎn)在407nm的熒光發(fā)射下發(fā)生淬滅，因?yàn)镋u3+可以和磷酸鹽絡(luò)合產(chǎn)生配合物增加磷酸鹽濃度，石墨烯量子點(diǎn)表面釋放出Eu3+與磷酸根離子結(jié)合，原先熒光淬滅隨著Eu3+的釋放又逐漸恢復(fù)，在8.0×10-7-9.0×10-6mol/L范圍內(nèi)，熒光強(qiáng)度與磷酸鹽強(qiáng)度成正比。該傳感器有靈敏度高，檢測速度快等優(yōu)點(diǎn)。

石墨烯量子點(diǎn)在光學(xué)擁有極高的生物相容性，熒光穩(wěn)定性，發(fā)射波長可控，激發(fā)波長范圍寬，低生物毒性，良好的溶解性等，使其成為很好的生物成像探針。相比起石墨烯因?yàn)樯锒拘栽谏镱I(lǐng)域的缺席，石墨烯量子點(diǎn)無疑能在生物傳感、生物成像、生物藥物輸送方面用途廣泛。

Zhu等采用一步溶劑熱法還原石墨烯氧化物，制得量子產(chǎn)率11.4%石墨烯量子點(diǎn)，將石墨烯量子點(diǎn)加入細(xì)胞并未明顯減弱人成骨肉瘤MG—63細(xì)胞活性，而共焦熒光顯微鏡觀察到細(xì)胞內(nèi)部亮綠色區(qū)域，說明石墨烯量子點(diǎn)透過細(xì)胞膜，這證明了高濃度的石墨烯量子點(diǎn)可用于生物成像。此外，還有研究表明，用酸氧化得到的發(fā)綠光石墨烯量子點(diǎn)和人腺癌MCF—7細(xì)胞培育，在488nm波長激發(fā)共焦熒光顯微鏡下可以觀察到亮綠色影像，而細(xì)胞栽面分析石墨烯量子點(diǎn)可以同時(shí)標(biāo)記細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核。

馬紅燕等通過高溫裂解檸檬酸的方法鈍化合成了石墨烯量子點(diǎn)，在PH=7.4的Tris-hcl緩沖液介質(zhì)中，腎上腺色腙對量子點(diǎn)有很強(qiáng)的淬滅作用，由此建立了從石墨烯量子點(diǎn)為熒光針定量測定腎上腺色腙的方法。

2.1.3 藥物輸送

石墨烯量子點(diǎn)具有大的體表面積、低生物毒性和高生物相容性等特點(diǎn)，可以通過物理或化學(xué)方法把藥物固定在石墨烯量子點(diǎn)使之成為藥物輸送載體，并通過化學(xué)修飾加強(qiáng)藥物的釋放效果個(gè)治療效果，為要去的療效提高和抗腫瘤藥物的研發(fā)提供了新思路。例如，阿霉素是最常用的抗癌化療藥物之一，但其溶解性大大限制了其的抗癌效果，Wang等通過制備阿霉素-石墨烯量子點(diǎn)復(fù)合物，加強(qiáng)了阿霉素的臨床藥效，形成復(fù)合物不僅加大了阿霉素的溶解性;另外加強(qiáng)了阿霉素分子與DNA分子的接觸能力，可以加強(qiáng)其對DNA分子的切割靶向性，減少藥物副作用。

又如石墨烯量子點(diǎn)良好的水溶性與藥物結(jié)合后可以增大溶解性藥物溶解度，更準(zhǔn)確地把藥物輸送到病灶。

如Jing等通過化學(xué)方法制備智能膠囊，他們用二氧化鈦殼作外殼，阻止紫杉醇的初期釋放，用橄欖油溶解儲存藥物，加強(qiáng)其釋放的集中程度并加強(qiáng)藥效。

還有人將透明質(zhì)酸（HA）結(jié)合到石墨烯量子點(diǎn)上，生成靶向治療的藥物載體，可以輸送藥物到CD44過度表達(dá)的腫瘤細(xì)胞處，而且PH而且越低，藥物的釋放速度越快，而腫瘤細(xì)胞處常因呼吸代謝廢物較多呈弱酸性，所以運(yùn)用該方法藥物可以在腫瘤細(xì)胞處快速釋放。

2.2 碳量子點(diǎn)在LED上的應(yīng)用

碳量子點(diǎn)有優(yōu)秀的光電轉(zhuǎn)換能力，電子遷移率等優(yōu)點(diǎn)，把碳量子點(diǎn)作為LED的材料應(yīng)用于光電器件的研究已有不少報(bào)道，相比起傳統(tǒng)的量子點(diǎn)，石墨烯量子點(diǎn)有低環(huán)境污染、熒光穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。例如在金屬材料領(lǐng)域發(fā)藍(lán)光的量子點(diǎn)，因?yàn)轶w積太小使制造它們十分麻煩，而用石墨烯量子點(diǎn)能較容易地獲得藍(lán)光，這使得石墨烯量子點(diǎn)比它的同類更有吸引力。目前，人們更多的是把它和紫光或藍(lán)光芯片結(jié)合，使其作為更鮮艷、更省電的LED屏幕材料。目前報(bào)道證實(shí)，把作石墨烯量子點(diǎn)為熒光發(fā)光材料，與藍(lán)光LED熒光結(jié)合成為電層，是目前應(yīng)用于白光LED最理想的選擇。

3 結(jié)語和展望

綜上所述，石墨烯量子點(diǎn)作為一種新型碳鋼米結(jié)構(gòu)材料，無論是在物理光學(xué)領(lǐng)域還是在生物藥物方面都有巨大的開發(fā)潛力，而且各種簡單有效的石墨烯量子點(diǎn)的制備方法和其機(jī)理陸續(xù)被研究出來。然而目前制備高產(chǎn)率，高質(zhì)量的石墨烯量子點(diǎn)仍有很長的路要走，如石墨烯的制備方法中石墨烯量子點(diǎn)的水溶性差，產(chǎn)量和量子產(chǎn)率較低，尺寸和形貌的控制困難，形成了有干擾作用的不完美邊緣，光譜吸收范圍窄等。有一些問題可以通過化學(xué)改性和表面修飾等方法加以改善，但是仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，再比如對石墨烯量子點(diǎn)在光照下是否會產(chǎn)生大量活性自由基，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的問題也需研究，石墨烯量子點(diǎn)發(fā)光原理的深入研究，對環(huán)境的污染問題等也尚待研究。

在未來的研究中，科學(xué)家們需要更加關(guān)注如何用更好的方法制備石墨烯量子點(diǎn)，并對其進(jìn)行表面修飾復(fù)合，以及增強(qiáng)熒光強(qiáng)度，具備更好的生物相容性，在深入研究生物成像，免疫檢測，藥物輸送，催化劑等領(lǐng)域應(yīng)用的同時(shí)，拓展新的=-33應(yīng)用途徑，加快石墨烯量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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