碳點(diǎn)的制備及在醫(yī)藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

丁倩倩，楊欣茹，昌 盛，劉 哲，郝乘儀

(吉林醫(yī)藥學(xué)院藥學(xué)院，吉林 吉林 132013)

碳點(diǎn)(carbon dots，CDs)，一種粒徑不超過(guò)10 nm的類球形碳質(zhì)納米顆粒。因具有可調(diào)粒徑大小、耐光、易于功能化、低毒、優(yōu)異的生物相容性和高水溶性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于活細(xì)胞成像、癌癥治療、分析檢測(cè)、靶向藥物傳遞和光電器件等領(lǐng)域。本文綜述了碳點(diǎn)的制備方法以及碳點(diǎn)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 碳點(diǎn)的制備

1.1 自上而下法

1.1.1電弧放電法

2004年，Xu[1]等通過(guò)電弧放電法制備單壁碳納米管的過(guò)程中，得到了兩種前所未有的納米材料，一是由單壁碳納米管衍生的熒光納米顆粒的混合物，二是短管狀碳。實(shí)驗(yàn)將電弧放電產(chǎn)生的煙塵先用3.3 mol/L HNO3氧化，再通過(guò)pH值為8.4的NaOH溶液萃取，得到了含30%煙塵的懸浮液，隨后再次進(jìn)行純化分離后，得到了在365 nm紫外光下發(fā)三種不同熒光顏色的碳納米顆粒。元素分析顯示該碳點(diǎn)顆粒主要由質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為53.93%碳、2.56%氫、1.20%氧、40.33%氮四種元素組成。電弧放電法制備的碳點(diǎn)材料具有粒徑較小、更易懸浮且穩(wěn)定、含氧量大及熒光性能較好等優(yōu)點(diǎn)，但由電弧放電提取而成的碳點(diǎn)通常摻雜較多可溶性雜質(zhì)且不易純化，故該法制備的碳點(diǎn)產(chǎn)率較低。

1.1.2電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法是指采用電化學(xué)方法氧化碳材料工作電極制備碳點(diǎn)的方法，其中碳材料工作電極多采用多壁碳納米管、石墨棒、碳糊電極碳纖維等。2007年，Zhou[2]等首次報(bào)道運(yùn)用電化學(xué)氧化法制備碳點(diǎn)，成功地制備出了發(fā)強(qiáng)烈藍(lán)色熒光的碳納米晶。他們將多壁碳納米管作為工作電極，金屬鉑網(wǎng)作為電極，0.1 mol /L的四丁基高氯酸銨的乙腈溶液作為電解質(zhì)，通過(guò)高分辨率電子透射光鏡觀察到直徑為(2.8±0.5)nm、在340 nm激光下量子產(chǎn)率為0.064的呈均勻球形的碳點(diǎn)。2019年，Wang[3]等在堿性溶液中通過(guò)電化學(xué)方法將氧和硫摻雜在OS-g-C3N4-dots粉末中成功合成碳點(diǎn)，將碳點(diǎn)與Cu2+和Ag+結(jié)合會(huì)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，而生物硫醇又能使其恢復(fù)熒光性能，故該碳點(diǎn)可以用于某些重金屬物質(zhì)的檢測(cè)。該方法操作過(guò)程簡(jiǎn)單、條件溫和、成本低廉且高效，制備得到的碳點(diǎn)水溶性和熒光性能均較好，且可以靈活控制碳點(diǎn)的尺寸，但熒光產(chǎn)率較低。

1.1.3化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法是指通過(guò)硝酸等強(qiáng)氧化劑氧化切割大分子碳材料來(lái)制備碳點(diǎn)的方法。蠟燭灰、天然氣灰、活性炭等均可作為化學(xué)氧化法的碳源。2009年，Ray[4]等以碳煙灰為碳源與硝酸混合，利用化學(xué)氧化法得到粒徑為2～6 nm在紫外光下發(fā)出綠色熒光的碳點(diǎn)，量子產(chǎn)率約為50%。通過(guò)這種方法合成的碳點(diǎn)粒徑大小不一，粒徑小的碳點(diǎn)熒光性能優(yōu)于粒徑大的碳點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備要求不高、所需碳源材料價(jià)格低廉；但由于氮和氧的結(jié)合效率是決定碳點(diǎn)量子產(chǎn)率的因素，而在硝酸氧化過(guò)程中會(huì)造成氮和氧的缺陷導(dǎo)致產(chǎn)率低，通常需要經(jīng)過(guò)鈍化后才能應(yīng)用。2015年，Hong等[5]以葡萄糖為原料，在NaOH溶液中進(jìn)行化學(xué)氧化，制備了碳納米點(diǎn)。制備的碳納米點(diǎn)具有很強(qiáng)的藍(lán)色發(fā)光。

1.1.4激光消融法

2006年，Sun等[6]通過(guò)激光消融法制備碳點(diǎn)，他們將石墨粉經(jīng)過(guò)一系列處理得到碳靶，再將碳靶在900 ℃、75 kPa的氬氣中采用Nd：YAG激光器進(jìn)行燒蝕，經(jīng)硝酸水溶液回流處理12 h后，將處理后的樣品用氨基化的PEG1500進(jìn)行鈍化得到了粒徑5 nm碳點(diǎn)，量子產(chǎn)率為4%～10%。2011年，Li等[7]對(duì)激光消融法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，以納米碳材料為起始材料，以簡(jiǎn)單的有機(jī)溶劑為液體介質(zhì)，經(jīng)處理所得懸浮液采用Nd:YAG脈沖激光無(wú)聚焦照射后碳原子轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈱訛闊o(wú)定形、內(nèi)層中空的呈洋蔥狀的核-殼結(jié)構(gòu)的碳點(diǎn)。2020年，Cui等[8]研發(fā)了一種超快雙光束脈沖激光燒蝕制備均勻碳量子點(diǎn)的方法，與以往方法不同的是，實(shí)驗(yàn)中將單束激光分為雙光束分束器縮短了激光燒蝕時(shí)間，提高了激光燒蝕效率。使用激光刻蝕法時(shí)通常包括激光照射、氧化和鈍化，實(shí)驗(yàn)儀器要求較高，且通過(guò)激光刻蝕法制得的碳點(diǎn)量子產(chǎn)率較低，尺寸不一，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2 自下而上法

1.2.1微波法

2017年，Guo等[9]報(bào)道了通過(guò)微波輻射制備碳點(diǎn)的方法，他們以苯二胺和葡萄糖為主要原料在乙二醇溶液中溶解后用微波儀器在120 ℃、240 W條件下加熱5 min即可得到平均粒徑為22.33 nm的類球形碳點(diǎn)顆粒。2019年，Zhu等[10]也采用微波法制備碳點(diǎn)，用丙三醇為碳源通過(guò)控制微波時(shí)間成功制備出在355 nm激光下發(fā)出淡藍(lán)色熒光的各種粒徑形貌不一的碳點(diǎn)。通過(guò)微波輻射法制備碳點(diǎn)具有操作方便、高效簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2模板法

由于大多數(shù)自下而上制備碳點(diǎn)的方法在碳化過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致無(wú)序聚集，而選擇合適的模板能有效抑制團(tuán)聚問(wèn)題，使形成的碳點(diǎn)具有均勻的形貌和較小的尺寸分布。主要步驟為：選擇合適的模板劑，在模板劑上制備碳點(diǎn)，再通過(guò)強(qiáng)腐蝕性的酸或堿刻蝕除去模板，即得到碳點(diǎn)。聚苯胺由于具有優(yōu)良的金屬導(dǎo)電性和聚合物的力學(xué)性能應(yīng)用廣泛。2020年，Lan等[11]利用模板法制備了碳點(diǎn)/聚苯胺，實(shí)驗(yàn)以丙烯酸叔丁酯和苯乙烯為主要原料通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應(yīng)生成兩嵌段共聚物(PS-b-PtBA)，將PS-b-PtBA與三氟乙酸經(jīng)水解反應(yīng)得到兩親性嵌段共聚物(PS-b-PAA)，再以PS-b-PAA為模板劑制備了聚苯胺和碳點(diǎn)/聚苯胺復(fù)合顆粒，經(jīng)1H-NMR、FTIR、UV、GCP、TEM等測(cè)試確證成功合成平均粒徑約為350 nm的碳點(diǎn)。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是制備的碳點(diǎn)大小較均勻，可有效減少碳點(diǎn)團(tuán)聚的現(xiàn)象，純度較高，方便后期對(duì)碳點(diǎn)表面修飾；缺點(diǎn)是模板高溫時(shí)會(huì)熱解不易與碳點(diǎn)完全分離，即便分離了也可能對(duì)碳點(diǎn)造成破壞，從而對(duì)其發(fā)光性能、生物相容性等優(yōu)勢(shì)造成影響，另外產(chǎn)率較低。

1.2.3水熱合成法

水熱法是采用水為溶劑，溫度足夠高時(shí)將選定的碳源放置反應(yīng)釜中進(jìn)行反應(yīng)而得到碳點(diǎn)。2010年，Zhang等[12]基于聚硫乙烯衍生物的各種功能制備碳點(diǎn)，利用水熱合成法得到了發(fā)射波長(zhǎng)從藍(lán)光到近紅外區(qū)可調(diào)控的熒光碳點(diǎn)。通過(guò)調(diào)控分子前體中兩種聚噻吩衍生物的比例成功制備出六種不同發(fā)射波長(zhǎng)(482、524、570、609、628、680 nm)的碳納米點(diǎn)。由水熱法制備碳點(diǎn)操作簡(jiǎn)單，僅一步就能得到量子產(chǎn)率較高的碳點(diǎn)，且反應(yīng)釜的密閉環(huán)境可防止在反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的有毒物質(zhì)揮發(fā)。2020年，Li等[13]以檸檬酸為碳源加入乙二胺溶解成溶液后置于高壓釜中，在200 ℃條件下加熱5 h，再經(jīng)冷卻、純化、冷凍干燥等操作即可得到粒徑為2～6 nm分布均勻的類球形碳點(diǎn)粉末。

1.2.4熱解法

熱解法通常是將有機(jī)物作為碳源使其在高溫下熱解炭化形成碳點(diǎn)。2012年，Liu等[14]通過(guò)熱解法制備了具有強(qiáng)烈綠色光致發(fā)光和在可見(jiàn)光區(qū)具有廣泛而強(qiáng)烈吸收的水溶性石墨化碳點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)在濃硫酸存在的情況下將乙二醇在80 ℃下熱解即可得到不需任何鈍化劑處理的且量子產(chǎn)率高達(dá)62.9%的碳點(diǎn)。2019年，Hu等[15]采用熱解法通過(guò)控制熱解溫度(120～180 ℃)制得了具有六種不同顏色的熒光碳點(diǎn)，經(jīng)柱層析分離純化時(shí)通過(guò)調(diào)控洗脫液的比例以成功得到能發(fā)出藍(lán)色至橙紅色熒光的碳點(diǎn)。2020年，Li等[16]通過(guò)將半胱氨酸固體粉末通過(guò)300 ℃熱解得到平均粒徑為3.12 nm、均勻分布的類球形熒光碳點(diǎn)。熱解法操作簡(jiǎn)便，僅需改變反應(yīng)溫度即可得到高產(chǎn)率的碳點(diǎn)，但碳源在熱解過(guò)程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)，導(dǎo)致制備的碳點(diǎn)中包含其它雜質(zhì)。

2 碳點(diǎn)的應(yīng)用

2.1 金屬離子探針

2010年，Sun等[17]通過(guò)水熱分解方法合成了可以檢測(cè)Fe3+的熒光碳點(diǎn)，該碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)較穩(wěn)定，不受pH、溫度和紫外照射等影響。當(dāng)Fe3+的濃度在5.0×10-5～5.0×10-4mol/L之間時(shí)與熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)線性關(guān)系，其檢出限是11.2 μmol/L。2012年，Zhou等[18]首次合成了一種未經(jīng)修飾過(guò)的可用于Hg2+和生物硫醇無(wú)標(biāo)記檢測(cè)的熒光碳點(diǎn)，熒光產(chǎn)率約為11%。當(dāng)Hg2+濃度在0～3 μmol/L時(shí)，熒光淬滅程度與其呈線性關(guān)系，其檢出限為4.2 nmol/L。2018年，Zhu等[19]發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)具有獨(dú)特的雙發(fā)射特性，利用碳點(diǎn)在350 nm單波長(zhǎng)激發(fā)下在426 nm和488 nm處的兩個(gè)發(fā)射峰對(duì)于Fe3+濃度的比率性變化，成功用于Fe3+的檢測(cè)。

2.2 陰離子探針

2.3 有機(jī)分子探針

2019年，Zhang等[22]通過(guò)水熱法制備了一種能夠檢測(cè)廢水中阿莫西林的硼碳量子點(diǎn)(B-CQDs)。波長(zhǎng)范圍為200～400 nm時(shí)僅阿莫西林溶液不產(chǎn)生熒光，而B-CQDs-AMX溶液的熒光現(xiàn)象強(qiáng)烈，故可用來(lái)檢測(cè)阿莫西林，檢測(cè)限為0.82 μmol/L，靈敏度較高且較準(zhǔn)確。

2020年，Lu等[23]采用微波法制備了具有超長(zhǎng)磷光壽命的黃綠色熒光碳點(diǎn)，該磷光碳點(diǎn)主要成分包括碳、氧和氮三種元素，具備優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)。磷光信號(hào)會(huì)隨著pH值的增加而降低，且在pH=2.1～12.8之間有著良好的線性關(guān)系，磷光碳點(diǎn)的這一特性可以廣泛用于檢測(cè)四環(huán)素藥物。

2.4 生物分子探針

2018年，Huang[24]等通過(guò)低溫加熱法合成了一種以蔗糖為碳源的具有強(qiáng)烈藍(lán)色熒光的氮磷雙摻雜碳點(diǎn)，對(duì)血紅蛋白響應(yīng)的檢出限可達(dá)0.29 nmol/L，可以作為人體樣本中血紅蛋白的熒光探針。2019年，Meng等[25]以檸檬酸為原料、尿素為碳源，通過(guò)微波法得到了一種可用于檢測(cè)多巴胺分子的碳點(diǎn)，其檢出限為0.08 μmol/L。

2.5 生物成像及細(xì)胞標(biāo)記

2019年，Ding等[26]以無(wú)果肉檸檬汁為原料，在200 ℃下經(jīng)甲酰胺溶劑熱處理6 h合成了量子產(chǎn)率為31%的近紅外發(fā)射碳點(diǎn)。該碳點(diǎn)不僅能穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞，還能夠穿透皮膚和組織，可廣泛應(yīng)用于體內(nèi)和體外的生物成像。

2020年，Zhang等[27]報(bào)道了一種性能優(yōu)異的綠色熒光碳點(diǎn)。經(jīng)核糖核酸酶消化測(cè)試發(fā)現(xiàn)該碳點(diǎn)對(duì)固定細(xì)胞和活細(xì)胞中的核仁RNA有較強(qiáng)的親和力，且通過(guò)使用該碳點(diǎn)可視化細(xì)胞核仁可以準(zhǔn)確地獲得其數(shù)量和形態(tài)信息，以區(qū)分癌細(xì)胞和正常細(xì)胞，在癌細(xì)胞篩選和療效評(píng)價(jià)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2.6 藥物載體

將熒光碳點(diǎn)應(yīng)用于藥物載體中，有望解決傳統(tǒng)的藥物載體不具備的可觀察性和可追蹤性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎椇罂梢杂糜谏镲@影、藥物存儲(chǔ)、藥物控釋、靶向治療及癌細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)和隔離等。

2018年，Kong等[28]通過(guò)水熱法制備出了生物相容性良好的碳點(diǎn)，將阿霉素通過(guò)靜電作用與碳點(diǎn)聯(lián)合成納米載藥系統(tǒng)后具有較高的載藥能力和良好的藥物釋放特性。在485 nm波長(zhǎng)下測(cè)定得到阿霉素的裝藥效率和裝藥量分別為57.5%和28.75 mg/g；pH為5.0時(shí)阿霉素的釋放率最高，可達(dá)82.0%。故納米-阿霉素納米藥物可廣泛應(yīng)用于癌癥化療方面。

3 展 望

碳量子點(diǎn)作為一種新型的納米材料，由于其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、高穩(wěn)定性、無(wú)毒、優(yōu)異的生物相容性、成本低廉及熒光特性等特點(diǎn)，在細(xì)胞成像、藥物傳遞、細(xì)胞標(biāo)記和檢測(cè)分析等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都引起了廣泛的關(guān)注，具有廣泛的發(fā)展前景。目前已報(bào)道碳點(diǎn)主要存在兩個(gè)大的缺陷，一是多數(shù)碳點(diǎn)發(fā)出與生物體背景類似的藍(lán)色熒光，不利于辨別；二是制備出的發(fā)綠色熒光易辨別的碳點(diǎn)其過(guò)低的量子產(chǎn)率無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用，從而限制了碳點(diǎn)的應(yīng)用范圍。所以深入優(yōu)化碳點(diǎn)的制備方法，以增加綠色熒光碳點(diǎn)的生成或使藍(lán)色熒光碳點(diǎn)能轉(zhuǎn)化為便于使用的碳點(diǎn)，是當(dāng)前需要解決的問(wèn)題之一。