碳點的功能化研究進展

張路鵬，張清梅，2*，何松杰，杜秀娟，陳峰華，李 冰

（1.太原科技大學 應用科學學院，山西 太原 030024；2.福建師范大學物理與能源學院福建省量子調(diào)控與新能源材料重點實驗室，福建福州 350117；3.山西醫(yī)科大學 口腔醫(yī)學院，山西 太原 030001）

1 引 言

碳點（Carbon dots，CDs）作為一種新型的零維碳基納米材料具有優(yōu)異的光學特性、良好的生物相容性以及低毒性，在傳感[1-3]、生物成像[4-7]、藥物遞送[8-11]、光熱/光動力治療（Photodynamic therapy，PDT）[12-16]、光電器件[17-18]以及防偽加密[19-21]等諸多領域具有廣闊的應用前景。隨著對CDs 研究的深入，人們開始意識到，原始CDs 存在諸多缺點，距離實際應用路途遙遠。例如，原始CDs 表面缺乏對分析物的特定識別基團，導致檢測的特異性較低，同時檢測過程中也會受到潛在干擾。大多數(shù)CDs 的激發(fā)和發(fā)射波長較短，且熒光量子產(chǎn)率（Quantum yield，QY）較低，無法實現(xiàn)深層組織成像，故不能滿足人們對高品質(zhì)生物成像的要求。為了精準調(diào)控CDs 的發(fā)光特性和開發(fā)新的應用，需要對CDs 進行表面鈍化和功能化處理。表面鈍化方法通常分為共價修飾和非共價修飾兩大類，該方法的主要目的是提高CDs 的QY 以及對CDs表面官能團進行調(diào)控，關于這一點在Zhou 等的綜述里做了比較系統(tǒng)的闡述[22]。雜原子摻雜CDs 的綜述文獻較多[23-30]，除了常見的非金屬摻雜外[24,27-28]，最近又有金屬離子摻雜CDs 的綜述報道[25-26,29]，更具體的還有稀土金屬離子摻雜CDs 的綜述報道[26]。由此可以看出，雜原子摻雜也是CDs 功能化的一種很重要方法。通過雜原子摻雜CDs，一方面可以調(diào)控CDs 的熒光性質(zhì)并提高QY[31-32]，另一方面也可以拓寬CDs 在傳感[33-37]、生物 成 像[38-40]、腫 瘤 治 療[11,41-43]、促 成 骨[44-46]及 其 抗菌[47-48]等領域的應用。CDs 的功能化及其應用猶如鳥之兩翼，二者需要協(xié)同發(fā)展。同時，CDs 的功能化是CDs 應用的前提和基礎。

本綜述對近年來有關CDs 功能化的常用方法，包括表面鈍化和雜原子摻雜進行了詳細的介紹，同時對功能化CDs 在性能調(diào)控和生物醫(yī)學等方面的應用進行了較為系統(tǒng)的梳理。最后對功能化CDs 發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結，并提出了目前面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的方向。

2 表面鈍化

與其他量子點和熒光染料相比[49]，CDs 具有優(yōu)異的光學性能、簡單的合成策略和對環(huán)境的低毒性等優(yōu)點，因而得到了廣泛的研究。然而，早期合成的原始CDs 表面主要由羥基、羧基、醛基等相對簡單的官能團構成，大多數(shù)CDs 的QY 較低且在特異性識別目標物方面顯得不盡如人意，極大地阻礙了實際應用[50-51]。為了改善CDs 的熒光性能并拓展其應用范圍，人們開始思考對CDs 進行表面鈍化。

2.1 共價修飾

針對CDs 不同的表面基團設計性地選取修飾劑是共價修飾最突出的優(yōu)點。CDs 與修飾劑之間通過共用外層電子形成共價鍵，將新的官能團引入CDs 表面以構建新的共軛體系，從而改變CDs的熒光性質(zhì)。根據(jù)CDs 和修飾劑之間不同的官能團反應，可將共價修飾分為：酰胺偶聯(lián)反應、共聚合反應、磺酸化反應、酯化反應和硅烷化反應等，反應機制示意圖如圖1 所示。

圖1 （a）酰胺化反應；（b）共聚合反應；（c）磺酸化反應；（d）酯化反應；（e）硅烷化反應。Fig.1 （a）Amidation reaction.（b）Copolymerization.（c）Sulfonic reaction.（d）Esterification reaction.（e）Silanization reaction.

酰胺偶聯(lián)反應是利用CDs 表面特定的官能團（羧基、氨基），通過酰胺反應將功能化分子偶聯(lián)在CDs 表面。2004 年，Xu 等[52]在 純化單壁碳 納 米 管的過程中首次發(fā)現(xiàn)了一種具有熒光的碳納米顆粒。而2006 年，Sun 等[53]采用石墨粉和水泥的混合物熱壓制備碳靶，以氬氣為載氣，通過激光燒蝕碳靶制備CDs，在HNO3中回流后未發(fā)現(xiàn)熒光CDs。然而，通過將簡單的有機物（聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）或聚丙酰亞乙基亞胺-乙烯亞胺）附著在酸處理的碳顆粒上進行表面鈍化，可以觀察到明亮的熒光，如圖2（a）所示。此后，含氨基化合物被廣泛用于常規(guī)CDs 的鈍化和功能化[54-55]，特別是針對于裸CDs 表面的少量羧基進行酰胺偶聯(lián)反應。

圖2 酰胺化反應。（a）PEG 功能化CDs 熒光圖［53］；（b）PEI-CDs 的制備及其檢測凝血酶或ATP 示意圖［60］。Fig.2 Amidation reaction.（a）Fluorescence image of PEG functionalized CDs［53］.（b）Schematic diagram of PEI-CDs preparation and detection of thrombin or ATP［60］.

聚多巴胺（Poly-dopamine，PDA）中含有大量的鄰苯二酚和一、二級胺，是一種富含氨基的化合物。同時，PDA 具有制備方法簡單、良好的生物相容性以及優(yōu)異的光熱特性等諸多優(yōu)點[56-57]。Pappalardo 等[58]以半乳糖、檸檬酸（Citric acid，CA）為碳源，PDA 為鈍化劑，通過微波輔助熱解反應合成PDA 鈍化熒光碳點（PDA-CDs）。用PDA 鈍化后，CDs 最佳發(fā)射峰的位置從420 nm 紅移到510 nm。且鈍化后PDA-CDs 表現(xiàn)出激發(fā)不依賴的熒光特性，QY 從1.3%提高到4.6%。此外，對J774 和CHO-K1 細胞系的毒性研究表明，與未鈍化的CDs 相比，PDA 鈍化后CDs 的細胞毒性明顯降低。類似地，Sun 等[32]通過一鍋微波輔助熱解甘油和PDA 的方法合成了PDA-CDs。與原始CDs相比，由于PDA 中 富 含N 原子，獲得PDA-CDs 的QY 是 原 始CDs 的3 倍，產(chǎn) 率 約 為 原 始CDs 的1.5 倍。

聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）是一種親水性聚合物，在主鏈和支鏈上都有許多活性胺基[59]。豐富的胺基可以與含羧基的原始CDs 發(fā)生酰胺反應形成穩(wěn)定的酰胺鍵。由于大量帶正電荷的胺基存在，在CDs 表面涂覆親水PEI 后不僅可以使CDs 的熒光QY、水溶性、穩(wěn)定性和生物相容性都得到改善，往往還可以改變CDs 表面的電負性。Guo 等[60]以蘋果酸為碳源，PEI 為鈍化劑，采用水熱法制備了QY 高達41%的PEI-CDs，如圖2（b）所示。鈍化后的PEI-CDs 在生理pH 值下能靜電結合帶負電荷的適配體，從而導致熒光猝滅。加入凝血酶或ATP 后，其與相應適配體之間的強相互作用使得適配體從PEI-CDs 中釋放出來，熒光逐漸恢復。這里，PEI 不僅改變CDs 的熒光性質(zhì)，還充當了CDs 連接適配體的重要橋梁。

核酸適配體是一種通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進化技術選擇出來的具有特定序列的DNA 或RNA寡核苷酸，并通過堿基配對與目標分子特異性結合[61]。作為一種生物識別元件，適配體因其更高的特異性、穩(wěn)定性、易于修飾和更低的生產(chǎn)成本等優(yōu)點，已經(jīng)成為抗體最優(yōu)質(zhì)的替代材料[62-65]。同時，適配體很容易與不同的功能性分子結合，且合成方法較為簡單[66]。Rezaei 等[67]以CA、乙二胺和橙汁為碳源，采用水熱法分別制備CDs1和CDs2，如圖3（a）所示。兩種CDs 分別與溶菌酶（Lysozyme，LYS）適配體和三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）適配體共價結合成CDs1-LYS 適配體和CDs2-ATP 適配體混合探針，該探針適配體中的堿基與CoOOH 納米片基面之間通過范德華力相互作用，使探針吸附在CoOOH 納米片（常用的猝滅劑）表面，導致混合探針的熒光信號被猝滅。加入ATP 和LYS 后，由于適配體與目標物之間的強作用力使得CDs1-LYS 適配體和CDs2-ATP 適配體從CoOOH 納米片中釋放出來。因此，猝滅后的熒光信號逐漸恢復，且熒光強度與加入ATP 和LYS 的濃度成正比。在最佳條件下，對ATP 和LYS 的 檢 出 限（Limit of detection，LOD）分 別 為4.0 nmol·L-1和1.8 nmol·L-1。

血管內(nèi)皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）可以誘導產(chǎn)生血管生成性眼病，開發(fā)一種對眼內(nèi)VEGF 具有抑制作用且可以無創(chuàng)監(jiān)測其濃度的復合材料是一項科學挑戰(zhàn)?；诖?，Willner 等[68]開發(fā)了一種VEGF 適配體功能化的CDs，以CDs 為載體通過其攜帶的抗VEGF 適配體來抑制VEGF 的產(chǎn)生，如圖3（b）所示。首先將羧酸功能化的CDs 以共價連接的方式與氨基酸修飾核酸適配體1 連接，而適配體1 與抗VEGF 適配體部分互補，形成CDs@適配體1@抗VEGF 適配體2。在VEGF 存在時，抗VEGF 適配體從CDs表面脫離，形成VEGF/適配體復合物。通過以上雜交系統(tǒng)成功將抗VEGF 適配體輸送至眼腔，并在VEGF 存在時刺激抗VEGF 適配體的釋放，從而抑制VEGF 在眼腔中的生成。

圖3 （a）CDs1、CDs2分別共價結合LYS 適配體和ATP 適配體檢測LYS 和ATP 示意圖［67］；（b）抗VEGF 適配體負載及釋放過程［68］。Fig.3 （a）Schematic diagram of detecting LYS and ATP by covalently binding LYS aptamer and ATP aptamer with CDs1 and CDs2 respectively［67］.（b）Loading and release process of anti-VEGF aptamer［68］.

共價修飾的CDs 在腫瘤治療方面也展現(xiàn)出巨大的潛力。Xie 等[69]以CA 為碳源、多烯聚胺為鈍化劑，采用熱解法制備表面富含氨基官能團的CDs，與鉑（Ⅳ）復合物（Oxa（Ⅳ）COOH）中羧基之間的縮合反應合成一種新型的納米治療藥物（CD-Oxa）。這里，CDs 不僅可以作為藥物遞送的載體，同時可利用CDs 的熒光性質(zhì)對藥物進行追蹤和檢測。Zheng 等[15]將含醛基的CDs 與帶有兩個氨基的硼二吡咯光敏劑偶聯(lián)，構建了納米級共價有機框架（Covalentorganicframework，COFs）復合物。經(jīng)PEG 改性后的CCOFs@PEG 較CCOFs 具有更高的穩(wěn)定性、良好的分散性且易被癌細胞吸收，在光照條件下可產(chǎn)生大量活性氧來殺傷癌細胞，用于腫瘤治療。

共聚合反應通常是將兩種或兩種以上的單體通過聚合反應生成同時含有多種單體的聚合物。Ren 等[70]提出一種原位自由基聚合方法，該方法是一種不依賴于官能團的鈍化方法。作者采用典型的化學氧化法合成裸碳點（CDs），將丙烯酸、甲基磺酸鈉和丙烯酸磷酸酯作為單體與過硫酸銨一起加入裸CDs 溶液中，單體聚合形成三元共聚物鈍化碳點（T-CDs），使其QY 顯著提高。在該工作的另一項研究中，以CA 和聚N-乙烯基咔唑（Poly（N-vinylcarbazole），PVK）為原料，在300 ℃下熱處理2 h，合成PVK-CDs。原位自由基聚合使PVK在CDs 周圍形成鈍化層，該鈍化層不僅使熒光QY顯著提高到40%，而且還改變了溶劑的親和力，提高了CDs 的光電子轉換能力等。與其他嚴重依賴于特定基團的偶聯(lián)反應不同，原位自由基聚合可以靈活選擇或設計單體來對CDs 進行鈍化，從而使其具有不同的性質(zhì)和功能。

除此之外，其他共價修飾方法還包括：在原始CDs 表面引入磺酸基的磺化反應，改變CDs 親水/疏水性質(zhì)的酯化反應，以及通過硅烷與CDs 表面活性氫反應形成硅殼來增加CDs 分散性的硅烷化反應。Qin 等[71]以CA 和尿素為原料，微波法制備了氮摻雜碳點（NCDs），以1H-咪唑-4-甲酸和亞硫酰氯為前體制備含磺酸基的化合物1。通過磺酸化反應，NCDs 表面的氫被化合物1 中的磺酸基取代，并將其共價結合到NCDs 表面，從而制備了一種對水高度敏感的CDs-咪唑熒光納米探針。該探針可通過熒光強度的變化測定不同有機溶劑中的水含量。引起CDs-咪唑熒光探針熒光強度變化的原因可能是隨著有機溶劑中水含量的增加，質(zhì)子轉移反應形成的自由離子對抑制了光誘導電子轉移過程。同時，CDs-咪唑還可以探測活細胞中的質(zhì)子轉移反應。Chen 等[72]以檸檬酸銨為碳源制備了熒光碳量子點（CQDs），并通過脫水反應將甘露糖（Mannose，Man）和葉酸（Folic acid，F(xiàn)A）分子修飾到CQDs 表面，分別制備了甘露糖和葉酸功能化CQDs（Man-CQDs 和FA-CQDs）。實驗結果表明，Man-CQDs 可選擇性標記大腸桿菌，而FACQDs 可選擇性標記葉酸受體過表達的腫瘤細胞。Rao 等[73]首先以CA 為碳源，水熱法制備藍色熒光CDs；其次通過硅烷化反應對CDs 進行包覆得到CDs@SiO2復合物，并在其表面修飾氨基官能團；最后將羧基修飾的紅色熒光量子點通過酰胺化反應共價結合到CDs@SiO2上，構建了比率型熒光探針用于測定蔬菜和水果樣品中Cu2+的含量。

綜上所述，CDs 與修飾劑、功能化小分子、適配體之間通過特定反應來構建新的共軛體系，可提升CDs 的熒光性能、提高傳感的特異性識別能力、增強藥物遞送過程的靶向性。因此，對CDs 進行有設計性和針對性的共價修飾是提升其熒光性能和拓寬應用范圍的重要方法。

2.2 非共價修飾

基于CDs 與功能化分子之間的非共價修飾是CDs 應用于生物醫(yī)學領域的重要方法，主要包括：π-π 堆積、靜電相互作用、氫鍵作用等。與共價修飾相比，非共價修飾可在對CDs 結構產(chǎn)生較小影響基礎上引入新的官能團、靶向分子，進而可以改善CDs 的熒光性能以及特異性識別能力。

2.2.1 π-π 鍵堆積

CDs 與適配體之間通過π-π 相互作用結合，這種結合力通常是可逆的且比較弱。在目標物出現(xiàn)時適配體從CDs 表面脫離，導致CDs 熒光強度發(fā)生變化，從而達到熒光檢測或可視化追蹤的目的。Yang 等[74]以番茄汁為碳源制備CDs，通過ππ 相互疊加作用將癌胚抗原（Carcinoembryonic antigen，CEA）適配體吸附到CDs 表面，形成CDs-CEA-Apt 復合物，導致熒光猝滅。加入CEA 后，CDs 的熒光立即恢復，在0.5～1 ng·mL-1范圍內(nèi)實現(xiàn) 了 對CEA 的 定 量 檢 測，LOD 為0.3 ng·mL-1。Wang 等[75]設計了一種基于熒光共振能量轉移的傳感器，用于檢測貝類過敏原精氨酸激酶（Arginine kinase，AK），其中CDs 可以作為熒光供體，通過π-π 相互疊加作用吸附適配體（Aptamer，Apt）來構建Apt-CDs 熒光探針，如圖4（a）所示。以Apt-CDs 為能量供體，氧化石墨烯為能量受體，由于共振能量轉移效應導致CDs 熒光猝滅。添加貝類過敏原AK 后，CDs-Apt 從氧化石墨烯表面釋放，形成CDs-Apt-AK 復合物，導致熒光強度恢復。熒光探針檢測AK 的線性范圍為0.001～10 μg·mL-1，LOD 為0.14 ng·mL-1。

Zheng 等[76]以3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-十三氟-1-辛醇和PEI為原料，制備了氟摻雜碳點（FCDs），如圖4（b）所示。基于FCDs的核靶向能力，將抗腫瘤藥物阿霉素（Doxorubicin，DOX）通過π-π 鍵堆疊的方式負載到FCDs表面，以此來構建一種納米復合材料（FCDs-DOX）用于藥物遞送。此外，F(xiàn)CDs還可以通過非共價結合的方式負載染料（BODIPY），用于提高BODIPY的細胞攝取和傳遞。

圖4 （a）CDs 與適配體π-π 堆疊用于檢測AK［75］；（b）CDs 與DOX π-π 堆疊用于藥物遞送［76］；（c）CDs-GOx 制備及其應用于腫瘤治療［81］；（d）CBNPs 制備以及應用于PDT［82］。Fig.4 （a）CDs is stacked with aptamer π-π to detect AK［75］.（b）CDs stacks with DOX π-π for drug delivery［76］.（c）Preparation of CDS-GOx and its application in tumor therapy［81］.（d）Preparation of CBNPs and its application in PDT［82］.

2.2.2 靜電相互作用

CDs 表面存在著大量的羥基、羧基、氨基等帶負電荷（正電荷）的官能團，可以與帶正電荷（負電荷）的適配體通過靜電相互作用形成復合物。經(jīng)適配體修飾的CDs 具有優(yōu)異的靶向性，在靶向生物成像、藥物監(jiān)測等生物醫(yī)學領域得到了廣泛的應用。Zhu 等[77]以CA 和乙二胺為碳源，水熱法合成CDs 并與帶正電荷的PEI 組裝，然后通過靜電作用與AS1411 偶聯(lián)，形成CDs-PEIAS1411 復合物。在這個體系中，PEI 不僅改變了CDs 表面的負電性，還充當連接CDs 與AS1411 適配體的橋梁。該體系已成功應用于癌癥細胞的靶向熒光成像。Guo 等[60]以蘋果酸和PEI 為前驅(qū)體，水熱法制備的PEI-CDs 表面帶有正電荷，并可以靜電結合帶有負電荷的凝血酶適配體和ATP 適配體。在PEI-CDs 與適配體靜電相互作用下導致CDs 熒光猝滅，加入凝血酶或ATP 后熒光逐漸恢復。PEI-CDs 熒光強度與加入凝血酶或ATP 濃度呈良好的線性關系，LOD 分別為1.2 nmol·L-1和13 nmol·L-1。

2.2.3 多種作用力協(xié)同作用

除通過單一作用力實現(xiàn)CDs 與功能化小分子結合外，還存在多種作用力共同作用的情況[6,78-80]。葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase，GOx）是一種需氧脫氫酶，在耗氧條件下可以氧化葡萄糖生成葡萄糖酸和過氧化氫，導致腫瘤微環(huán)境中營養(yǎng)缺乏、缺氧及酸性增強，是癌癥治療的理想選擇。然而，GOx 具有穩(wěn)定性和膜穿透性差等缺點，阻礙了其在生物醫(yī)學上的應用。Xie 等[81]以CA 和谷氨酰胺的兩種異構體（L-谷氨酰胺和D-谷氨酰胺）為原料，分別制備了L-CDs 和D-CDs，如圖4（c）所示。并通過靜電相互作用和氫鍵作用在L/D-CDs 表面負載GOx，構建了一種手性CDs-GOx 共組裝納米反應器（L/DGOx）。該L/DGOx可增強GOx 的活性并改善其膜穿透性，提高GOx 進入癌細胞的遞送效率。L/DGOx 還可以通過GOx 產(chǎn)生過氧化氫來殺傷細胞，抑制腫瘤生長。Zheng 等[82]以多巴胺和鄰苯二胺為原料制備CDs，將其與光敏劑（BODIPY）通過分子間相互作用非共價結合制備了多功能納米復合材料（CBNPs），如圖4（d）所示。由于CDs 的存在，不僅使BODIPY 的溶解度得到改善，而且CDs 還可以作為能量供體通過熒光共振能量轉移機制增強BODIPY 的PDT 效應。

與共價修飾不同，非共價修飾在不改變CDs碳核結構的情況下，CDs 表面的官能團通過π-π堆疊、靜電相互作用、氫鍵作用以及多種作用力協(xié)同作用的方式結合功能化小分子，使得CDs 在傳感、靶向藥物遞送、腫瘤治療等方面得到了廣泛應用。然而，這種功能化方法也有其固有的局限性，諸如作為熒光探針的穩(wěn)定性、靶向藥物遞送的載藥效率以及腫瘤治療的痊愈率及愈后評估等都將是將其推向?qū)嶋H應用時面臨的重要挑戰(zhàn)。

3 雜原子摻雜

雜原子摻雜也是對CDs 進行功能化的一種常用方法[27]。根據(jù)摻雜元素的不同，可以分為非金屬摻雜和金屬摻雜兩種類型。具體來說，非金屬摻雜可以通過調(diào)節(jié)CDs的電子特性（電子供體或受體）、表面結構和化學組分來改善CDs的熒光性能；金屬摻雜不僅可以調(diào)控CDs的發(fā)光性質(zhì)，而且極大地豐富了CDs在光熱和光動力學治療癌癥及其他生物醫(yī)學方面的應用。此外，按照摻雜原子數(shù)量的不同，又可以將摻雜分為單原子摻雜和多原子摻雜。

3.1 非金屬摻雜

常見的非金屬摻雜原子包括N、S、P、B、Si 等，這些原子摻雜可以通過調(diào)節(jié)CDs 的電子特性（電子供體或受體）、表面結構和化學組分來改善CDs的熒光性能[23,83-84]。例如，氮（N）摻雜可以在不顯著增大CDs 尺寸的情況下，有效地加快分子中的電子轉移速率。因此，N 摻雜CDs 表現(xiàn)出更明亮的熒光[85]。硫（S）摻雜可以為光激發(fā)電子捕獲提供能量或發(fā)射陷阱態(tài)，從而改變CDs 的電子結構[86]。磷（P）也是一種具有高供電子能力的非金屬原子，通過為CDs 提供新的活性位點來提高電子轉移能力[87]。與未摻雜的CDs 相比，摻雜CDs往往表現(xiàn)出激發(fā)不依賴現(xiàn)象并且有更高的QY[58]。表1 對雜原子摻雜前后CDs 性能作了比較。除此之外，還可以通過同時摻雜兩個或多個不同的原子協(xié)同改善CDs 的熒光性能，稱為多原子摻雜[88]。近年來已有大量關于非金屬原子摻雜的綜述報道[24,27-28]，在此不再贅述。

表1 雜原子摻雜前后CDs 性能對比Tab.1 Performance comparison of CDs before and after heteroatomic doping

3.2 金屬摻雜

目前，對于非金屬摻雜研究較多，而金屬摻雜研究相對較少。研究表明，金屬離子摻雜不僅可以改善CDs 的光學性能，而且還可以賦予CDs 一些新功能。根據(jù)原子結構的不同，金屬元素摻雜可分為過渡金屬摻雜和稀土金屬摻雜。例如，釓摻雜CDs 用于增強磁共振成像[96]、釕摻雜CDs 用于光動力學癌癥治療和熒光成像[97]、鑭系（Yb，Nd）摻雜的CDs 使它們具有近紅外發(fā)射[98]。在CDs 中摻雜過渡金屬（Mn，Cu，F(xiàn)e）可以極大地增強CDs 的近紅外吸收，使其在光動力學和光熱治療癌癥方面具有潛在的應用前景[99-101]。

錳（Mn）是人體必需的微量元素之一，對人體健康十分重要。同時Mn 具有多價態(tài)，多價態(tài)之間的電子傳導過程有利于改善Mn 摻雜CDs 的熒光性能。Wang 等[102]首先以酞菁錳（Mn-Pc）為原料、無水乙醇為溶劑，溶劑熱制備了具有磁性的熒光碳點（Mn-CDs），如圖5 所示。然后通過與磷脂-PEG 自組裝來構建Mn-CDs 復合體系，以此來改變Mn-CDs 的水溶性。與Mn-Pc（Mn-CDs 的前體）相比，Mn-CDs 的熒光吸收峰表現(xiàn)出明顯的紅移，可能原因為Mn-CDs 中的Pc 發(fā)生了芳香結構的J-聚集。由于Mn-CDs 具有近紅外區(qū)域的發(fā)射波長以及Mn（Ⅱ）的高順磁性，使得Mn-CDs 復合體系可作為造影劑用于近紅外熒光成像（Fluorescence imaging，F(xiàn)L）和磁共振 成 像（Magnetic resonance imaging，MRI）。更為重要的是，Mn-CD 復合體系不僅可以有效地生成單線氧（1O2）應用于PDT，還可以催化H2O2生成氧氣，通過提高腫瘤微環(huán)境中的氧含量來提高PDT 效率。

圖5 Mn-CDs 組裝體的制備及其應用于FL/MRI 成像和PDT［102］Fig.5 Preparation of Mn-CDS assemblers and their applications in FL/MRI imaging and PDT［102］

氧化鐵納米顆粒很早就應用于醫(yī)學領域，具有增強MRI 效果、磁靶向和協(xié)同磁熱療等功能[103-105]。Jin 等[106]以鐵（Ⅱ）酞菁（FePc）為前驅(qū)體，通過水熱法一步制備了Fe 摻雜碳點（Fe@CDs）。通過兩親性聚合物培化磷脂酰乙醇胺（DSPEMPEG2000）的自組裝和含有樹枝狀精氨酸與二硫鍵的陽離子脂肽（RLS）的修飾，得到具有良好水溶性和生物相容性的Fe@CDs 納米雜化物（PEG-RLS/Fe@CDs）。 在 波 長 為660 nm 激 光（0.5 W·cm-2）照 射10 min 后，PEG-RLS/Fe@CDs水分散體呈現(xiàn)出具有濃度依賴性的光熱效應。當Fe@CDs 濃 度 為400 lg·mL-1時，水 分 散 體 的 溫 度可迅速從24.3 ℃上升到52.3 ℃，而對照組水溶液中的溫度僅升高了1.4 ℃。進一步采用密度泛函理論計算方法探究Fe@CDs 的光熱轉化機理，結果表明，LUMO 分布的變化導致酞菁（Pc）和FePc的禁帶能相應地發(fā)生改變（Eg（Pc）為2.14 eV，Eg（FePc）為1.60 eV）。如圖6 所示，較低的禁帶能隙可以使FePc 基CDs 在660 nm 的輻照下成功進行光熱轉換，然后通過無輻射過程誘導復合并產(chǎn)生熱量。

圖6 Fe@CDs 應用于光熱治療及其光熱轉化機理示意圖［106］Fig.6 Schematic diagram of Fe@CDs applying in photothermal therapy and photothermal transformation mechanism[106]

銪（Eu）作為稀土元素中最活潑的金屬，其化合物常用作熒光粉，以此來增強發(fā)光材料的發(fā)光效率。因此，摻雜稀土元素也是改善CDs 熒光性質(zhì)的一種有效途徑。Wang 等[107]首先以CA 和乙二胺為原料制備表面富含氨基的碳點（CDs-NH2），通過在緩沖液中加入二乙三胺五乙酸（DTPA）進一步構建了具有良好生物相容性的熒光納米探針（CDs-DTPA-Eu），如圖7（a）所示。該探針可用于檢測水和牛奶中的四環(huán)素（TC），且隨著TC 含量的增加，CDs-DTPA-Eu 的熒光強度不斷減弱，LOD低至32 nmol·L-1，如圖7（b）所示。這里熒光猝滅的機制可能是TC 與Eu3+重新配位，導致靜態(tài)猝滅。而在CDs-DTPA-Eu-TC 中加入過氧化氫，強烈的紅色熒光恢復且其熒光強度隨著H2O2含量的增加而增大，如圖7（c）所示?；贑Ds-DTPAEu 穩(wěn)定的熒光特性和良好的生物相容性，該探針還可以通過細胞膜來檢測細胞內(nèi)TC 含量和H2O2水平的變化，如圖7（d）所示。更重要的是，CNDs-DTPA-Eu 熒光探針具有無毒、低檢測限和高生物相容性的優(yōu)點，滿足了細胞內(nèi)有效檢測的要求。以上結果驗證了稀土摻雜CDs 基納米探針在實際診斷中的潛力。然而，它們的可辨別性和敏感性是未來需要進一步改進的挑戰(zhàn)。

圖7 CDs-DTPA-Eu 制備及其應用于TC/H2O2傳感和細胞成像［107］Fig.7 Preparation of CDs-DTPA-Eu and its application in TC/H2O2 sensing and cell imaging［107］

釓（Gd）是稀土元素中擁有最多不成對電子以及最大磁力矩的元素，該特性使得釓摻雜的造影劑（Gd-DTPA、Gd-DOTA）在臨床MRI 中發(fā)揮著重要作用。然而，游離Gd3+離子在體內(nèi)具有一定的毒性，為此設計一種含釓的納米探針來抑制釓泄漏引起的副作用顯得尤為重要。Chen 等[43]以3，4-二羥基苯基丙酸和無水氯化釓作為碳源和磁共振造影劑，乙二胺作為鈍化劑，水熱法制備釓摻雜碳點（Gd@CDs）。Gd@CDs 作為T1造影劑，通過增強周圍水分子的縱向弛豫率，改善MRI 效果，如圖8 所示。相同Gd 含量下，Gd@CDs 比商用MRI造影劑Gd-DTPA 更亮更清晰，且Gd@CDs 具有較低的細胞毒性和較好的生物安全性。

圖8 Gd@CDs 與Gd-DTPA 的MRI 成像性能對比［43］Fig.8 Comparison of MRI imaging performance between Gd@CDs and GD-DTPA［43］

Zheng 等[5]以CA、硫脲（TU）和四氯化鉿（Hf-Cl4）為原料，通過熱解法制備了具有FL 成像和計算機X 射線體層成像（CT）的雙模態(tài)成像納米探針（Hf-CDs）。將該探針與HeLa 細胞共孵育6 h，利用激光共聚焦掃描顯微鏡成像，在波長為488 nm 和555 nm 的激發(fā)光下，可在HeLa 細胞中分別觀測到綠色熒光和紅色熒光。同時，與商用造影劑（碘克沙醇）作為對照，進一步研究了Hf-CDs 的CT 成像性能。如圖9（a）所示，隨著Hf-CDs 和碘克沙醇濃度的增加，CT 值明顯增加，且具有良好的線性關系。且從圖9（b）可以看出，CT 值與不同濃度Hf-CDs 之間線性關系的斜率高于碘克沙醇，說明Hf-CDs 可作為CT 成像的有效造影劑。此外，靜脈注射實驗結果顯示Hf-CDs 可以通過腎臟排出，表明Hf-CDs 具有良好的生物安全性。作者進一步建立了原位宮頸腫瘤模型和右肢皮下腫瘤模型，結果都能夠在腫瘤中檢測到強的FL/CT 信號。這一工作表明Hf-CDs 對腫瘤靶向和成像的普適性，有作為CT 成像劑應用到臨床上的潛力。

圖9 Hf-CDs 與碘克沙醇的CT 成像性能對比［5］Fig.9 Comparison of CT imaging performance between Hf-CDs and iodixanol［5］

鋅（Zn）是一種人體所必需的微量元素，可以促進骨代謝、促進骨生長以及減少骨吸收[108]。Yang 等[44]以葡萄糖酸鋅為原料，一步水熱法合成了鋅摻雜碳點（Zn-CDs）。在小鼠胚胎成骨細胞（MC3T3-E1）中，與原料葡萄糖酸鋅（Zn-G）相比，Zn-CDs 可以有效地上調(diào)MC3T3-E1 細胞的成骨基因和成骨相關蛋白表達，達到促進成骨的效果。此外，Zn-CDs 還具有多色生物成像功能，可以實現(xiàn)可視化監(jiān)測成骨細胞的分布以及生長情況，是一種具有雙功能的納米材料。

除此之外，Murugan 等[109]以檸檬提取物為碳源制備CDs 并分別摻雜Ag+和Au3+形成CDs 納米復合物，用于癌細胞成像。Huang 等[110]制備鋱（Tb）摻雜CDs，用于檢測2，4，6-三硝基酚。Ayaz等[111]成功制備了鋁（Al）摻雜CDs，其中Al 的摻雜不僅改善了CDs 的熒光性質(zhì)，還可以賦予CDs 良好的抗炎性能。

綜上所述，對CDs進行適當?shù)墓δ芑粌H可以改善其本身的熒光性質(zhì)和提高QY，而且可以拓寬CDs 的應用領域。例如，表面鈍化可以改變CDs 表面的電負性，使其更好地與帶負電的細胞膜通過靜電作用相互吸引，從而提高細胞對CDs的攝取率；雜原子摻雜除了提高CDs的QY，還可以引入雜原子的本征特性，特別是金屬摻雜（Mn、Gd、Cu 等）極大地拓寬了CDs在生物醫(yī)學領域的應用。然而，我們注意到，這兩種功能化方法在各有側重的同時，也有自身的優(yōu)點和不足，如表2 所示。表面鈍化側重的是對CDs進行性能調(diào)控，而雜原子摻雜側重的是多功能寬領域的應用。除了難以精確調(diào)控雜原子的摻雜量和摻雜位置以及Stokes位移不足以有效消除生物熒光背景的干擾外，表面鈍化和雜原子摻雜還存在優(yōu)勢互補，二者可以配合使用。由此可見，對原始CDs進行設計性的功能化是將CDs通向?qū)嶋H應用的基礎和橋梁。

表2 CDs 不同功能化方法對比Tab.2 Comparison of different functionalization methods of CDs

4 總結與展望

本文對近年來CDs 功能化的常用方法及其應用進行了綜述。我們將CDs 的功能化方法分為表面鈍化和雜原子摻雜兩大類，并對其在生物醫(yī)學領域的應用進行了較為全面的闡述。對CDs 進行功能化處理時，表面鈍化的目的是為了提高CDs的QY，調(diào)控其表面態(tài)。雜原子摻雜除了改變CDs的熒光性質(zhì)外，主要針對的是CDs 在傳感、生物成像、腫瘤治療、促成骨以及抗菌和抗病毒等方面的多功能應用。盡管在CDs 功能化研究上已經(jīng)取得了一定的進展，但依然有如下一些問題亟待解決：

（1）對CDs 進行表面鈍化和雜原子摻雜雖然可以調(diào)控其熒光性質(zhì)，但調(diào)控機理仍不清楚。故需要豐富表征手段，諸如DLS、EELS、Zeta 電勢、核磁共振以及同步輻射的精細光譜等對CDs 的精確結構進行表征，以期進一步探索CDs 的熒光機理。

（2）對于適配體修飾CDs 應用于熒光探針時，盡管可以提高對特定物質(zhì)檢測的特異性和靈敏度，但對于熒光探針毒性和穩(wěn)定性的研究較少，需進一步深入這一方面的研究。同時，對于適配體修飾CDs 應用于腫瘤靶向治療的研究較少，這可能是未來發(fā)展的重要方向之一。

（3）目前，CDs 功能化的合成方法依然較少，可以嘗試結合模板法、靜電紡絲、溶膠-凝膠法、旋涂法等來制備一些功能化CDs 基復合材料。

（4）功能化CDs 應用于傳感、生物成像和腫瘤治療的研究較多，而在抗菌、抗病毒以及骨組織工程的研究較少，因此需要進一步拓展和豐富功能化CDs 在這些領域的應用。

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