碳量子點(diǎn)的制備、環(huán)境應(yīng)用和生物毒性

盛優(yōu)瑩,王賀飛,2*,蘇 燕,沈 可,胡小婕,高彥征(.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 20095；2.吉林大學(xué),地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,吉林 長(zhǎng)春 002；.沈陽(yáng)環(huán)境科學(xué)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 067)

碳量子點(diǎn)(CQDs),又稱(chēng)為碳點(diǎn)或碳納米點(diǎn),是一種零維碳納米材料,尺寸小于10nm,由超細(xì)、分散、準(zhǔn)球形的碳納米顆粒組成,具有良好的熒光性能[1].CQDs 的層間距通常約為0.34nm,這與石墨的晶面間距相一致[2].現(xiàn)有的合成CQDs 以碳為基本骨架,表面上具有豐富的含氧基團(tuán),如羧基和羥基,并且這些基團(tuán)的分布不均勻[3].

CQDs 的發(fā)現(xiàn)最早可以追溯到2004 年,Xu 等[4]在電泳純化過(guò)程中通過(guò)電弧放電制備單壁碳納米管的時(shí)候,意外得到了熒光碳納米顆粒.與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比,CQDs 的最大優(yōu)點(diǎn)是低細(xì)胞毒性,高生物相容性及很好的環(huán)境友好性[5].除此之外,CQDs還具有良好的水溶性和光學(xué)性質(zhì),其制備成本較低,前驅(qū)體來(lái)源十分廣泛,西蘭花[6]、竹葉[7]、毛發(fā)[8]、甘蔗渣[9]、橙皮[6]等都是良好的制備原料.這些優(yōu)良性質(zhì)使得CQDs 廣泛應(yīng)用于熒光檢測(cè)[10]、污染物降解[11]、電化學(xué)傳感器[12]等環(huán)境領(lǐng)域.此外,與其他的納米材料相似,CQDs 在生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用、回收等過(guò)程中將不可避免地泄露到環(huán)境中,造成一定的毒性.明確其生物毒性對(duì)于正確理解和評(píng)估CQDs 的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),制定合理的回收處理對(duì)策具有重要意義.本文著重介紹了CQDs 的制備方法,探討了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn),同時(shí)對(duì)CQDs 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用及其生物毒性進(jìn)行了綜述,以期為選擇合適的CQDs 制備方法、提高產(chǎn)率等提供技術(shù)參考,為CQDs 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用提供方法支持.

1 CQDs 的制備

自CQDs 被發(fā)現(xiàn)以來(lái),CQDs 的制備方法被廣泛報(bào)道,研究人員仍在不斷探索簡(jiǎn)便、低成本、尺寸可控、高產(chǎn)量與高質(zhì)量的制備方法,如何基于用途精準(zhǔn)控制合成CQDs 的粒徑是當(dāng)前亟需突破的難點(diǎn).目前CQDs 的制備方法主要包含兩類(lèi):自上而下法和自下而上法.自上而下的合成法是通過(guò)物理和化學(xué)方法裂解或破壞富碳材料的結(jié)構(gòu),隨后純化將尺寸控制在2～10nm,從而得到可有效發(fā)光的CQDs;自下而上的合成法是在原子或分子尺度上對(duì)碳材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行設(shè)計(jì)和裁剪,最終得到CQDs 的方法,這種方法通常是以有機(jī)小分子或芳香小分子為前體,在適當(dāng)?shù)臈l件下進(jìn)行熱解或碳化反應(yīng),從而形成具有所需尺寸和性質(zhì)的CQDs[13](圖1).自上而下法通常包括:電弧放電法、電化學(xué)法、化學(xué)氧化法、激光蝕刻法和機(jī)械球磨法等.自下而上法通常有:微波合成法、水熱/溶劑熱合成法、模板合成法、熱解合成法和反膠束法等(圖2).

圖1 CQDs 的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CQDs

圖2 CQDs 的優(yōu)點(diǎn)及其在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用Fig.2 Advantages of CQDs and their applications in environmental field

1.1 自上而下法

1.1.1 電弧放電法 電弧放電法是最早的CQDs制備方法.將原料顆粒放置在由陰陽(yáng)兩極組成的反應(yīng)室中,施加高電壓以產(chǎn)生弧放電,電弧的高溫和高能量會(huì)將原料顆粒加熱至極高溫度,使其發(fā)生熱解和炭化反應(yīng),以此制成CQDs.2021 年,Chao 等[14]利用水中電弧放電制備CQDs,得到的CQDs 尺寸分布在1～5nm 范圍內(nèi),量子產(chǎn)率為16%,并且制得的CQDs可用于評(píng)估培養(yǎng)細(xì)胞的活力.電弧放電法適用于不同種類(lèi)的生物質(zhì)原料,并且制得的CQDs 具有較好的熒光特性,但該方法耗能較高,分離純化過(guò)程較為復(fù)雜,難以應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn).

1.1.2 電化學(xué)法 電化學(xué)法是一種制備CQDs 的常用方法.在這個(gè)過(guò)程中,石墨等碳基材料通常被用作工作電極,并在調(diào)節(jié)電壓和電流的過(guò)程中發(fā)生氧化還原反應(yīng),從而將大塊碳基材料剝離形成細(xì)小的碳納米顆粒,即CQDs. Kang 等[15]以石墨棒為陰極和陽(yáng)極,NaOH/EtOH 為電解液,控制電流為 10～200mA/cm2,制得了顆粒尺寸可控、具有穩(wěn)定和較強(qiáng)熒光效應(yīng)的CQDs,量子產(chǎn)率約為12%.同時(shí),用酸電解液作為對(duì)照試驗(yàn),結(jié)果表明堿性環(huán)境是形成CQDs的關(guān)鍵因素.Li 等[16]采用不同的無(wú)機(jī)溶液為電解質(zhì),以石墨棒為前驅(qū)體制備CQDs,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在硝酸溶液中剝離的CQDs 平均尺寸更大,為3.15nm,形貌也更易于區(qū)分.電化學(xué)法制備工藝成本低、操作簡(jiǎn)便,是一種綠色的CQDs 合成方法.

1.1.3 化學(xué)氧化法 化學(xué)氧化法是將CQDs 前驅(qū)體與硝酸、過(guò)硫酸銨等氧化劑混合在一起,在適當(dāng)?shù)臏囟群头磻?yīng)時(shí)間下反應(yīng),制備CQDs 的方法.Boruah等[17]以廢棄生物質(zhì)甘蔗渣、芋頭皮和大蒜皮為前體材料,將樣品置于300℃的惰性氣體中碳化,并利用30%的過(guò)氧化氫對(duì)氧化處理碳化樣品,最終制得CQDs,結(jié)果表明三種生物質(zhì)材料的量子產(chǎn)率芋頭皮(26.20%)>大蒜皮(13.80%)>甘蔗渣(4.45%).Dong等[18]以活性炭為碳源,硝酸為氧化劑,用化學(xué)氧化法制得了尺寸在3～4nm、表面羥基豐富的CQDs,量子產(chǎn)率>10%.可見(jiàn),活性炭制備CQDs 具有低成本、高收率、制備方便的優(yōu)勢(shì).然而,化學(xué)氧化法常需用到強(qiáng)氧化性或強(qiáng)腐蝕性的反應(yīng)物,制備過(guò)程有一定的安全隱患,對(duì)反應(yīng)條件的要求較高.

1.1.4 激光蝕刻法 激光蝕刻法利用激光束照射含碳前驅(qū)體,從前驅(qū)體中剝落出碳納米顆粒,接著將碳納米顆粒進(jìn)一步純化從而得到CQDs.相對(duì)于其他方法,激光蝕刻法具有耗時(shí)少、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在激光燒蝕過(guò)程中,激光束聚焦在原材料上,通過(guò)局部的高溫和高壓作用,可將原材料直接切割成納米顆粒,避免了雜質(zhì)的引入[13].2006 年,Sun 等[19]首次利用該方法成功制備出了CQDs,在900℃、75kPa 的氬氣流中,他們將石墨粉和水泥混合而成的碳前驅(qū)體攜帶水蒸氣進(jìn)行激光燒蝕,并將所得樣品置于硝酸水溶液中回流12h,最終制得CQDs,量子產(chǎn)率為4%～10%.快速、高效、高量子產(chǎn)率是CQDs 制備的重要目標(biāo),于是Cui 等[20]采用分束器將單束激光分成雙束,這不僅縮短了激光燒蝕時(shí)間,還提高了燒蝕產(chǎn)量;更重要的是,通過(guò)雙束脈沖激光燒蝕法獲得的CQDs 比單束脈沖激光燒蝕法獲得的CQDs 更加均勻,且量子產(chǎn)率高達(dá)35.4%.

1.2 自下而上法

1.2.1 微波合成法 微波合成法因其簡(jiǎn)單、省時(shí)的優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注,其基本原理是利用微波輻射來(lái)驅(qū)動(dòng)碳源的炭化反應(yīng),并通過(guò)控制微波輻射功率、溫度等反應(yīng)條件實(shí)現(xiàn)CQDs 的生產(chǎn).2009年,Zhu 等[21]將不同量的聚乙二醇(PEG-200)和糖類(lèi)物質(zhì)(葡萄糖、果糖等)加入蒸餾水中,形成透明溶液,然后將溶液放入500W 的微波爐中加熱2～10min,隨著時(shí)間的推移,溶液由無(wú)色變?yōu)辄S色,最后變?yōu)樯钭厣?預(yù)示著首次成功利用微波合成法制得CQDs.如圖3 所示,Hu 等[10]將1g 干橙皮粉末與10mL 乙二醇混合,用900W 的微波爐加熱1min 后,溶液由橙黃色變?yōu)楹稚?表明CQDs 的形成.

圖3 微波合成法制備CQDs 流程[6]Fig.3 Microwave synthesis process for preparation of CQDs

1.2.2 水熱/溶劑熱合成法 水熱/溶劑熱合成法是制備CQDs 十分常見(jiàn)的一種方法,在高溫高壓的條件下,于適當(dāng)?shù)娜軇┲惺褂镁酆衔锘蛱荚催M(jìn)行炭化反應(yīng),便可形成CQDs. Jagannathan 等[22]以玉米芯為原料,通過(guò)水熱合成法制得白色熒光CQDs,量子產(chǎn)率為53.46%,該CQDs 的光致發(fā)光強(qiáng)度對(duì)Pb2+、Cu2+、Fe3+和Cr3+等金屬離子表現(xiàn)出良好的傳感特性.Zhou 等[23]以等量的檸檬酸和谷胱甘肽為前驅(qū)體,通過(guò)溶劑熱合成法在200℃的溫度下加熱10min,制得平均尺寸為3nm、量子產(chǎn)率為80.3%的CQDs.

1.2.3 模板合成法 模板合成法主要包括兩個(gè)步驟:(1)將合適的介孔模板或者硅球作為支撐材料,在其中煅燒生長(zhǎng)CQDs;(2)通過(guò)蝕刻的方式去除支架材料,最終得到純凈的CQDs[24].Zong等[25]以N-十六烷胺作為表面活性劑,以四乙氧基硅烷(TEOS)作為前體,以氨作為催化劑制備了介孔二氧化硅球體,并將其作為模板材料.此后,將介孔二氧化硅球體浸漬于復(fù)合鹽和檸檬酸的混合溶液中,在300℃下高溫?zé)峤?h,利用氫氧化鈉刻蝕去除介孔二氧化硅支撐體,得到尺寸在1.5～2.5nm、量子產(chǎn)率為23%的親水性CQDs.2013年,Yang等[26]首次利用軟-硬模板合成法分別采用1,3,5-三甲基苯(TMB)、二胺苯(DAB)、芘(PY)和菲啰啉(PHA)4 種不同的前驅(qū)體作為碳源,利用共聚物Pluronic P123 作為軟模板和有序介孔二氧化硅(OMS)SBA-15 作為硬模板制備可調(diào)控尺寸、組成和結(jié)晶度的CQDs.該方法有利于制備出尺寸分布均勻的CQDs,但是制備過(guò)程較為復(fù)雜,且刻蝕模板的過(guò)程可能會(huì)有殘余,為后續(xù)CQDs 的提純帶來(lái)不便.

2 CQDs 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 污染物檢測(cè)

2.1.1 CQDs 的光學(xué)性質(zhì) CQDs 一般具有光學(xué)吸收特征.不同方法合成的CQDs 吸收波長(zhǎng)不同,但通常在200～400nm 的紫外光區(qū)有一個(gè)或多個(gè)吸收峰.該吸收帶是由 CQDs 中 C＝C 鍵的 π-π*躍遷(200～260nm 光吸收帶)或C＝O/C＝N 鍵的n?π*躍遷(280～350nm 光吸收帶)所致.此外,表面基團(tuán)的種類(lèi)和含量、π 共軛結(jié)構(gòu)域的大小、碳核中氧/氮含量的變化等因素也會(huì)影響CQDs 的光學(xué)吸收特性.

傳統(tǒng)的有機(jī)熒光染料存在使用壽命短、光穩(wěn)定性差等問(wèn)題,CQDs 作為一種新興的納米材料,因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的熒光性能,逐漸成為熒光檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).CQDs 的熒光(即光致發(fā)光)特性是指其結(jié)構(gòu)中的電子在一定光源輻射條件下躍遷到激發(fā)態(tài),處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定,會(huì)再次躍遷到低軌道狀態(tài)并釋放出可見(jiàn)光(圖4).CQDs 的熒光機(jī)制仍未完全闡明,獲得較廣泛認(rèn)可的主要有兩類(lèi)機(jī)制[27].一種機(jī)制認(rèn)為CQDs 的光致發(fā)光效應(yīng)是由其結(jié)構(gòu)中相互隔離芳香結(jié)構(gòu)(sp2)的共軛p 軌道電子的帶隙躍遷引起的.第二類(lèi)熒光機(jī)制認(rèn)為CQDs 的熒光特性源于其表面的sp2和sp3雜化碳和其他功能化缺陷位點(diǎn), sp2雜化結(jié)構(gòu)的缺陷位點(diǎn)誘導(dǎo)其表面產(chǎn)生能量陷阱,通過(guò)表面修飾后即可產(chǎn)生熒光發(fā)射特性.多樣化的表面缺陷賦予CQDs 較寬的熒光發(fā)射譜,其中可見(jiàn)光光譜的藍(lán)色和綠色區(qū)域最為普遍.因此,CQDs 熒光性能受粒徑大小、含氧量的多少、溶劑的種類(lèi)以及介質(zhì)pH 值大小等因素的影響.此外,CQDs 的熒光特性具有獨(dú)特的激發(fā)光依賴(lài)性(可調(diào)諧性),即其發(fā)射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度會(huì)隨著激發(fā)光波長(zhǎng)的改變而發(fā)生變化.當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)增加時(shí),CQDs 的發(fā)射光波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生紅移;在最佳的激發(fā)波長(zhǎng)之前,發(fā)射光的強(qiáng)度會(huì)隨著激發(fā)光波長(zhǎng)增加而不斷增加;但是隨著激發(fā)光波長(zhǎng)增加,發(fā)射光的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱(圖4(a)和(b)).

圖4 CQDs 的熒光性能[58-59]Fig.4 The fluorescence performance of CQDs

2.1.2 熒光檢測(cè) 重金屬的持續(xù)積累和污染會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重危害,影響土壤、水體和大氣的環(huán)境質(zhì)量.及時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境中重金屬含量對(duì)制定相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)措施,減少對(duì)生態(tài)系統(tǒng)及人體健康風(fēng)險(xiǎn)有重要意義.重金屬離子對(duì)溶液中CQDs 的靜電吸附、配位等作用均會(huì)影響CQDs 的熒光性能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)污染物檢測(cè)目的.目前CQDs 對(duì)Cu2+、Hg2+、Ag+、Cr3+、Fe3+、Mn2+等重金屬離子的檢測(cè)都有較高的靈敏度.以Hg2+檢測(cè)為例,Gao 等[28]使用檸檬酸分別與1,2-乙二胺和N-(b-氨乙基)-g-氨丙基反應(yīng),合成量子產(chǎn)率為65.5%的CQD-1 與量子產(chǎn)率為55.4%的CQD-2,以探究不同金屬離子對(duì)CQD-1 和CQD-2的熒光猝滅程度,評(píng)價(jià)CQD-1 和CQD-2 對(duì)Hg2+的選擇性.如圖5 所示,在水溶液和活細(xì)胞中加入20μmol/L 的Hg2+后,CQD-1 的熒光強(qiáng)度迅速猝滅80%,CQD-2 的熒光強(qiáng)度猝滅55%,觀察1h 后均保持穩(wěn)定;在所有測(cè)試的金屬離子中,Hg2+對(duì)CQD-1 和CQD-2 的熒光猝滅作用最大.Tang 等[29]通過(guò)酒糟的簡(jiǎn)單熱處理,合成了在光激發(fā)下可以發(fā)出銳利紅光的碳量子點(diǎn)(R-CQDs),在420nm 的固定激發(fā)波長(zhǎng)下,隨著Cr3+濃度從0 增加到80μmol/L,R-CQDs 的熒光發(fā)射強(qiáng)度(或峰值振幅)逐漸減小,當(dāng)Cr3+加入到含有R-CQDs 的乙醇溶液中時(shí),可以觀察到R-CQDs 的熒光發(fā)射猝滅效果(圖6).

圖5 Hg2+對(duì)CQD-1 和CQD-2 的熒光猝滅作用[28]Fig.5 The fluorescence quenching effect of Hg2+ on CQD-1and CQD-2

圖6 R-CQDs 的相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度及熒光光譜[29]Fig.6 Relative luminescence intensity and fluorescence spectra of R-CQDs

除了被直接應(yīng)用于熒光檢測(cè),CQDs 還可與有機(jī)污染物結(jié)合,改變CQDs 結(jié)構(gòu)及熒光強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)這些物質(zhì)的檢測(cè).CQDs 檢測(cè)有機(jī)污染物的原理主要包括以下幾個(gè)方面:(1)靜電吸附作用,CQDs 和許多有機(jī)污染物表面通常帶有一定的電荷,CQDs 可以通過(guò)靜電吸附作用,將有機(jī)污染物吸附在CQDs 表面;(2)π-π 堆積作用,CQDs 具有類(lèi)似于有機(jī)分子的碳骨架結(jié)構(gòu),可以通過(guò)π-π 堆積作用與含有芳香環(huán)的有機(jī)污染物發(fā)生相互作用,這種作用可以增強(qiáng)有機(jī)污染物的吸附和檢測(cè)效果;(3)熒光共振能量轉(zhuǎn)移,當(dāng)CQDs 與有機(jī)污染物接近時(shí),它們之間可能發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移,會(huì)導(dǎo)致CQDs 的熒光被猝滅或減弱,從而可用來(lái)檢測(cè)有機(jī)污染物的存在;(4)反應(yīng)活性,CQDs 具有較高的反應(yīng)活性,可以與某些有機(jī)污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng).同時(shí),反應(yīng)可能會(huì)改變CQDs 的表面性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)等,導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的變化,從而實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物的檢測(cè).李義梅等[30]以L-酪氨酸為氮供體,以淀粉為碳源,通過(guò)一步水熱法制備了氮摻雜碳量子點(diǎn)(N-CQDs),當(dāng)四環(huán)素濃度在 1.6～16μmol/L 范圍和6～100μmol/L 范圍內(nèi)時(shí),其與NCQDs 的熒光猝滅的強(qiáng)度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系,檢出限為0.45μmol/L,依此構(gòu)建了N-CQDs 熒光探針測(cè)定四環(huán)素的方法.李美玉等[31]以5-氨基-1H-四氮唑和聚乙二醇(400)為前驅(qū)體合成了NADESs,再通過(guò)一步溶劑熱法以無(wú)水乙醇為溶劑成功制備出富氮碳量子點(diǎn)5-ATZ/PEG400N-CQDs,在環(huán)烷酸濃度0.03～0.09mol/L 范圍內(nèi),5-ATZ/PEG400N-CQDs 的熒光淬滅率與環(huán)烷酸濃度呈線性關(guān)系,擬合度R2=0.971.實(shí)驗(yàn)還利用三維熒光進(jìn)一步確定了5-ATZ/PEG400N-CQDs 與環(huán)烷酸廢水作用后的熒光中心和熒光強(qiáng)度的變化,推測(cè)出環(huán)烷酸與5-ATZ/PEG400N-CQDs 表面的功能基團(tuán)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),從而導(dǎo)致5-ATZ/PEG400N-CQDs 的熒光性能發(fā)生了改變.

2.1.3 電化學(xué)傳感器 CQDs 表面有著豐富活潑的官能團(tuán),具有良好的導(dǎo)電能力,可以促進(jìn)電極與液面的電子轉(zhuǎn)移發(fā)生以形成電信號(hào),因此常被應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中.

劉明威等[32]以殼聚糖為交聯(lián)劑,在玻碳電極(GCE)表面固定羧基化石墨相氮化碳(C-g-C3N4)和CQDs,制得CQDs/C-g-C3N4/GCE,電極活化后,將林可霉素(LIN)的適配體(Apt-DNA)和二茂鐵標(biāo)記的DNA(Fc-DNA)修飾至電極表面,構(gòu)建形成了新型的電化學(xué)發(fā)光適體傳感界面.傳感器對(duì)LIN 具有良好的特異性識(shí)別能力,應(yīng)用于牛奶LIN 的檢測(cè),線性檢測(cè)范圍為 0.10ng/mL～100.00μg/mL,檢出限為0.03ng/mL.Feng 等[33]以木聚糖基碳量子點(diǎn)為綠色原位還原劑,制備了 CQDs 覆蓋的金納米顆粒(Au@CQDs),以導(dǎo)電性好的MXene 為固定基體,形成具有良好導(dǎo)電性和電催化性能的Au@CQDs-MXene 納米復(fù)合材料,將其負(fù)載在玻璃碳電極上,成功制備了一種用于亞硝酸鹽監(jiān)測(cè)的電化學(xué)傳感器,在最優(yōu)條件下,該傳感器的線性檢測(cè)范圍為 1～3200μmol/L,檢出限為0.078μmol/L,該傳感器可用于自來(lái)水和咸菜中亞硝酸鹽含量的檢測(cè).Jahanbakhshi等[34]通過(guò)水熱合成法,以木薯粉為前驅(qū)體合成CQDs,接著將純水加入CQDs 和硝酸銀混合溶液中,利用紫外光照射將銀納米顆粒(AgNPs)嵌入CQDs表面,最后將AgNPs/CQDs 納米雜化物澆鑄在玻璃碳電極上,制成安培法過(guò)氧化氫(H2O2)傳感器,在最佳條件下,傳感器的H2O2檢測(cè)線性范圍為0.2～27.0μmol/L,檢出限約為80nmol/L.

2.2 環(huán)境污染物的去除

2.2.1 光催化劑 光催化劑能夠利用光能激發(fā)反應(yīng)過(guò)程中的電子和空穴,從而引發(fā)一系列氧化還原反應(yīng),有效降解有害物質(zhì).制備低成本、無(wú)毒、高效的光催化劑對(duì)于環(huán)境污染物的降解至關(guān)重要.因其高比表面積和表面含氧官能團(tuán)的存在,CQDs 在污染物吸附和光催化反應(yīng)中具有廣泛的應(yīng)用潛能,能夠顯著強(qiáng)化污染物的光降解過(guò)程[35].

負(fù)載CQDs 后,TiO2能增強(qiáng)對(duì)污染物的吸附能力,拓寬其在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的光響應(yīng)能力,并促進(jìn)光生電子與空穴的分離,對(duì)甲基藍(lán)、羅丹明B、甲基橙等多種有機(jī)污染物均有良好的光催化降解能力,利用少量的能量即可將有機(jī)物分解為H2O 和CO2[36].梁慧琴等[37]利用混酸回流法制備了一種發(fā)黃藍(lán)光的CQDs,然后采用一步水熱法將CQDs 負(fù)載于TiO2制備了復(fù)合光催化劑,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與純TiO2相比,用CQDs 改性的TiO2對(duì)苯酚的去除率可提高60%.Ke 等[38]利用水熱合成法制成了具有明顯轉(zhuǎn)換性能的CQDs,接著通過(guò)溶膠-凝膠法成功制備了CQDs修飾的TiO2光催化劑.在可見(jiàn)光照射下,120min 內(nèi),CQDs-TiO2復(fù)合光催化劑降解亞甲基藍(lán)的效率高達(dá)90%,是純TiO2的3.6 倍.2.2.2 復(fù)合膜 復(fù)合膜是由多種材料組成的層狀結(jié)構(gòu),具有特定的物理、化學(xué)和生物特性.復(fù)合膜上的表面活性部分可以吸附環(huán)境污染物,如重金屬離子、有機(jī)物質(zhì),這種吸附作用可以有效地去除污染物,并防止其再次釋放到環(huán)境中.

Mabborang 等[39]利用電紡法合成了CQDs-聚丙烯腈/聚己內(nèi)酯納米復(fù)合膜,用于吸附重金屬離子Cu2+,該復(fù)合膜隨接觸時(shí)間、吸附容量的增加,在63.45mg/g處達(dá)到最大吸附效率90.74%.以啤酒廢料,即糟粕和廢酵母為碳源,利用水熱合成法制備氮摻雜的CQDs,接著將其包埋在聚乙烯醇基質(zhì)中,測(cè)試結(jié)果顯示,亞甲基藍(lán)可以有效地從水溶液中吸附到復(fù)合水凝膠中,隨后可以通過(guò)紫外輻射完全降解[40].通過(guò)微波加熱過(guò)程制備零維CQDs 納米顆粒后,將PVA 和CQDs 納米顆粒結(jié)合形成PVA/CQDs 納米復(fù)合薄膜,吸附過(guò)程的實(shí)驗(yàn)表明,在室溫下,PVA/CQDs納米復(fù)合材料能夠在40min 內(nèi)從水溶液中高效去除大濃度的亞甲基藍(lán)染料(30mg/L),去除率約為97.1%,且其使用5 次后吸附效率依舊保持穩(wěn)定[41].

3 CQDs 的生物毒性

毒性是評(píng)估納米材料在生物體內(nèi)應(yīng)用安全性的重要指標(biāo)之一,許多研究表明,CQDs 在一定濃度下對(duì)細(xì)胞和生物體可能具有一定的毒性效應(yīng),這些效應(yīng)可能包括細(xì)胞凋亡、氧化應(yīng)激、細(xì)胞膜破壞和炎癥反應(yīng)等.雖然碳本身并不具備固有的毒性,但由于CQDs 在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,它們將不可避免流入環(huán)境中,并對(duì)環(huán)境造成生態(tài)安全威脅,因此需要全面評(píng)估其對(duì)各種生物系統(tǒng)的潛在危害效應(yīng)[42].

3.1 CQDs 的毒性效應(yīng)

目前針對(duì)CQDs 的毒性研究已經(jīng)展開(kāi),然而所研究的生物種類(lèi)仍十分有限,主要聚焦在各類(lèi)細(xì)胞、斑馬魚(yú)、部分藻類(lèi)和小鼠.相較于金屬量子點(diǎn)材料,CQDs 幾乎是無(wú)毒的,對(duì)環(huán)境的危害也比較小,研究表明,低濃度的CQDs 對(duì)人類(lèi)肝癌細(xì)胞[43]、人類(lèi)乳腺癌細(xì)胞[44]、大腸桿菌[45]、釀酒酵母[46]、銅綠微囊藻[47]、斑馬魚(yú)胚胎[48]無(wú)明顯的毒性,但當(dāng)CQDs 的濃度達(dá)到一定量時(shí),就會(huì)產(chǎn)生較為明顯的抑制作用.

2018 年,Li 等[49]報(bào)道了一種基于自噬調(diào)控的全新腫瘤治療方案,方案中用到了葉酸(FA)表面修飾的氮摻雜碳點(diǎn)(FN-CQDs),其量子產(chǎn)率高達(dá)91%.方案的治療原理如圖7 所示,FN-CQDs 首先與細(xì)胞膜上葉酸受體結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的靶向作用,接著它們以穩(wěn)定的形式存在于細(xì)胞質(zhì)中的自噬囊泡內(nèi),在自噬抑制劑的作用下,FN-CQDs 從自噬囊泡中“釋放”出來(lái),并通過(guò)凋亡信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞死亡.研究顯示,FN-CQDs 與自噬抑制劑的組合使腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)迅速受到抑制(在24h內(nèi)),并在26種不同的腫瘤細(xì)胞系中具有高效的殺傷效果(在4d 內(nèi)的殺傷率為63.63%～76.19%).Chousidis 等[50]制備了非摻雜(以檸檬酸作為碳源)、氮摻雜(N-摻雜)和氮硫共摻雜(N,S-摻雜)的CQDs 以探究CQDs 摻雜替代功能基團(tuán)對(duì)斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育的影響.結(jié)果顯示,CQDs 對(duì)斑馬魚(yú)產(chǎn)生明顯的毒性作用(>150μg/mL),而且毒性效應(yīng)與劑量相關(guān).其中,N,S-摻雜CQDs 的毒性最強(qiáng)(LD50=149.92μg/mL),其次是N-摻雜CQDs(LD50=399.95μg/mL),非摻雜CQDs 是三者中毒性最低的(LD50=548.48μg/mL).生長(zhǎng)速率(GR)同樣受到毒性模式的影響(GRN,S-摻雜

圖7 利用CQDs 治療腫瘤的方案原理[49]Fig.7 The principle of using CQDs for tumor treatment

Xiao 等[51]探究了CQDs(N、S 摻雜的CQDs, N摻雜的CQDs,無(wú)摻雜的CQDs)和金屬量子點(diǎn)(CdTe QDs、CdS QDs、CuInS2/ZnS QDs)對(duì)模式生物蛋白核小球藻的細(xì)胞毒性作用.結(jié)果發(fā)現(xiàn),暴露96h 后,3種CQDs 的EC50分別為38.56,185.83,232.47mg/L,6種量子點(diǎn)的毒性順序依次為: CuInS2/ZnS QDs<無(wú)摻雜的 CQDs

3.2 影響CQDs 生物毒性的因素

與其他納米材料相似,CQDs 的生物毒性受到多種因素的綜合影響,除了生物體類(lèi)型、外部環(huán)境因素外,CQDs 的物理化學(xué)性質(zhì),包括粒徑與形態(tài)、暴露濃度與時(shí)間、表面修飾基團(tuán)與溶解度等因素皆可對(duì)其生物毒性大小和機(jī)制產(chǎn)生顯著影響.

3.2.1 暴露濃度 當(dāng)前的許多研究表明,CQDs 的生物毒性與其濃度密切相關(guān).這種濃度依賴(lài)特性在使用不同碳源(如碳納米管、蠟燭灰等)制備的CQDs以及經(jīng)過(guò)表面改性或摻雜處理的CQDs 的毒性研究中得到了驗(yàn)證.這些研究幾乎覆蓋了涉及的各類(lèi)生物,包括細(xì)菌、細(xì)胞、藻類(lèi)和魚(yú)類(lèi)等[53].吳琳等[54]研究發(fā)現(xiàn),低濃度CQDs 對(duì)三角褐指藻并無(wú)明顯抑制作用,反而促進(jìn)了生長(zhǎng),而在高濃度下則具有明顯的生長(zhǎng)抑制作用,其120h 的EC50值為108.89mg/L.CQDs 對(duì)紐扣珊瑚同樣具有明顯的行為抑制作用,在解除暴露后雖有恢復(fù),但高濃度(≥50mg/L)暴露組,仍有部分紐扣珊瑚無(wú)法恢復(fù),最終死亡.陳靜等[55]利用微波法成功制備CQDs,研究表明,低濃度(<500mg/L)CQDs 對(duì)玉米未顯示出明顯的毒性,但當(dāng)濃度達(dá)到2000mg/L 時(shí),會(huì)抑制玉米種子萌發(fā)過(guò)程中根的伸長(zhǎng);當(dāng)濃度高于1000mg/L 時(shí),玉米根和葉的鮮重相較于對(duì)照組分別減少了57%和38%.將62.5～1000mg/L的CQDs 處理擬南芥后發(fā)現(xiàn), CQDs 濃度一旦超過(guò)125mg/L,就將開(kāi)始顯著抑制擬南芥幼苗的生長(zhǎng),當(dāng)CQDs 的濃度達(dá)到1000mg/L 時(shí),擬南芥根和葉的鮮重相較于對(duì)照組分別減少了64%和32%.

3.2.2 表面修飾基團(tuán)與表面電荷 在實(shí)際的應(yīng)用中,表面改性和雜原子摻雜是對(duì)CQDs 進(jìn)行處理的常見(jiàn)方法,用于改變其物理化學(xué)性質(zhì),增強(qiáng)其性能,經(jīng)過(guò)處理的CQDs 具有更好的分散性和穩(wěn)定性,具有更高的化學(xué)反應(yīng)活性和生物相容性.Chousidis 等[50]和Xiao 等[51]分別對(duì)制備的3 種CQDs(N、S 摻雜的CQDs,N 摻雜的CQDs,無(wú)摻雜的CQDs)進(jìn)行了毒性研究,得出了同樣的毒性順序:無(wú)摻雜的CQDs

已有的研究表明,納米材料中的陽(yáng)離子顆粒具有中度毒性,而陰離子顆粒幾乎無(wú)毒,且其毒性強(qiáng)度與材料表面攜帶的正電荷數(shù)量呈正相關(guān)[56].Havrdova 等[57]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)小鼠成纖維細(xì)胞(NIH/3T3)進(jìn)行了CQDs 的體外細(xì)胞毒性研究,其中包括3 種不同表面功能化CQDs 的細(xì)胞周期分析:攜帶羧基團(tuán)而呈負(fù)電荷的CQDs(CQDs-Pri)、攜帶聚乙二醇而顯示中性電荷的CQDs(CQDs-PEG),以及攜帶聚乙烯亞胺而顯示正電荷的CQDs(CDs-PEI).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,中性的CQDs-PEG 在生物應(yīng)用中最有前景,因?yàn)闈舛冗_(dá)到300mg/mL 時(shí),它不會(huì)引發(fā)任何細(xì)胞形態(tài)異常、細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸問(wèn)題和細(xì)胞周期問(wèn)題.帶負(fù)電荷的CDs-Pri 能夠阻斷細(xì)胞周期的G2/M 階段,刺激細(xì)胞增殖并導(dǎo)致更高的氧化應(yīng)激,即使在較低濃度(50mg/L)下,這種影響也十分顯著.但其并不會(huì)進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi).相比之下,帶正電荷的CDs-PEI 具有最強(qiáng)的細(xì)胞毒性,并在約100mg/mL 的濃度下引發(fā)細(xì)胞周期的最大變化,影響G0/G1 階段,且能夠進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi).

4 結(jié)論與展望

CQDs 具有良好的光學(xué)特性、生物相容性和化學(xué)反應(yīng)活性,因此逐漸被廣泛地應(yīng)用于各領(lǐng)域.未來(lái)仍需加強(qiáng)以下方面的研究:(1)目前,CQDs 的前體材料來(lái)源豐富,合成方法靈活簡(jiǎn)易,然而如何提高CQDs 的產(chǎn)率、優(yōu)化制備方法、實(shí)現(xiàn)粒徑和結(jié)構(gòu)的精確控制,仍是當(dāng)前需要關(guān)注的問(wèn)題.(2)CQDs 在環(huán)境污染物檢測(cè)與去除方面有廣闊的應(yīng)用前景.但CQDs 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用主要基于其熒光特性,并且在大部分的研究中,其僅能檢測(cè)或去除單一物質(zhì),未來(lái)應(yīng)結(jié)合CQDs 的優(yōu)良性能,實(shí)現(xiàn)CQDs 針對(duì)多種環(huán)境污染物的協(xié)同檢測(cè)及降解.(3)現(xiàn)有的研究顯示,CQDs 的生物毒性是不可否認(rèn)的,且毒性大小受到多種因素的綜合影響,然而,針對(duì)CQDs 生物毒性的研究仍十分有限,研究的生物對(duì)象種類(lèi)也較少.在今后的實(shí)際應(yīng)用中,科學(xué)家們除了對(duì)CQDs 進(jìn)行表面修飾或摻雜以調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)明確CQDs 的結(jié)構(gòu)與生物毒性效應(yīng)的關(guān)系.