李俊芬， 李鵬霞， 張 琳， 董 川

(1.山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原 030006；2.山西大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程研究中心，山西太原 030006)

碳點(diǎn)(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(shí)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(diǎn)用于多光子成像，并首次命名為“碳點(diǎn)”，推動(dòng)了其實(shí)際應(yīng)用進(jìn)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(kāi)啟了發(fā)光理論研究的進(jìn)程。CDs具有可調(diào)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(diǎn)[5]，引起了科研人員的廣泛關(guān)注，已廣泛應(yīng)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(lèi)：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(jié)構(gòu)材料上剝離下來(lái)CDs的方法，主要包括激光銷(xiāo)蝕法[11]、電化學(xué)法[12]、弧光放電法[2]等。自下而上法則是指通過(guò)化學(xué)合成的手段，將小分子碳前驅(qū)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(chǎn)率低于10%， 因此，在傳統(tǒng)合成方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行修飾以提高CDs量子產(chǎn)率、拓寬其應(yīng)用性能非常必要。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)CDs的修飾方法：形成金屬納米粒子-CDs復(fù)合物、雜原子摻雜和表面功能化以及不同修飾方法對(duì)CDs性能的影響和應(yīng)用情況進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。

1 形成金屬納米-碳點(diǎn)復(fù)合物

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

1.1 金納米粒子-碳點(diǎn)復(fù)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(cè)中應(yīng)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(shí)常選擇HAuCl4作為原料[19 - 25]。Wang等[26]合成了CDs/Aptamer/AuNPs 納米復(fù)合材料并用于檢測(cè)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(jié)合，將CDs釋放，熒光信號(hào)恢復(fù)；熒光發(fā)射強(qiáng)度增加值可用于AFB1的定量檢測(cè)。Li等[27]發(fā)現(xiàn)H2O2可猝滅AuNPs的紅色熒光，但不影響CDs的藍(lán)色熒光，故設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)H2O2的熒光比例探針。

1.2 銀納米粒子-碳點(diǎn)復(fù)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(shì)。合成AgNPs時(shí)一般選擇AgNO3作為反應(yīng)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(cè)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(qiáng)能量轉(zhuǎn)移(SPEET)，AgNPs使CDs熒光猝滅；當(dāng)CDs表面的AgNPs被葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖產(chǎn)生的H2O2蝕刻，CDs熒光恢復(fù)；熒光強(qiáng)度增加幅度直接取決于H2O2濃度，而H2O2依賴(lài)于葡萄糖的濃度，從而實(shí)現(xiàn)葡萄糖的定量檢測(cè)，如圖2所示。目前關(guān)于雜原子摻雜CDs合成機(jī)理的解釋比較少。Choi等[34]描述了異二聚體AgNPs-CDs的合成機(jī)理：Ag+以及Cl-通過(guò)與羧基、胺和/或其它官能團(tuán)的靜電相互作用被吸引到CDs的表面。當(dāng)CDs的自由電子靠近表面Ag+時(shí)，界面允許更多的電子通過(guò)Ag+成核位點(diǎn)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(cè)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(cè)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(jī)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(lái)捕獲激發(fā)電子，因此量子產(chǎn)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(diào)節(jié)其電子性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、熒光性質(zhì)，故共摻雜CDs是近年的研究熱點(diǎn)。

2.1 釓摻雜碳點(diǎn)(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(kāi)創(chuàng)了CDs在MR成像領(lǐng)域的應(yīng)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(shí)獲得特定組織的細(xì)胞水平信息和全身高分辨解剖結(jié)構(gòu)，具有重要科研價(jià)值。該報(bào)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(lè)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(guò)簡(jiǎn)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(dǎo)的癌癥治療的放射增敏劑，為未來(lái)臨床癌癥治療帶來(lái)了更多的機(jī)遇。

除了在MR成像領(lǐng)域的應(yīng)用，Kumar等[48]以PFG-400和熔融Gd為原料通過(guò)聲波降解法合成的CDs顯示了對(duì)綠膿桿菌的抗菌性；Nissan等[49]以相同原料通過(guò)聲化學(xué)法合成的CDs對(duì)神經(jīng)生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用。目前關(guān)于GdCDs的報(bào)道較少，合成機(jī)理缺乏研究，實(shí)際應(yīng)用范圍狹窄，有待繼續(xù)深入研究。

2.2 氮摻雜碳點(diǎn)(NCDs)

到目前為止，在有關(guān)雜原子摻雜CDs的報(bào)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(jià)電子可與C原子鍵合，故CDs摻雜N原子的合成過(guò)程簡(jiǎn)單有效。摻雜的N原子干擾CDs的固有性質(zhì)，導(dǎo)致在碳核中形成高度缺陷結(jié)構(gòu)，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(chǎn)率高達(dá)96.3%和99.3%的超高量子產(chǎn)率NCDs。Kong等[53]以對(duì)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(chǎn)率達(dá)30%，并用于α-葡萄糖苷酶活性檢測(cè)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(gè)合成步驟的問(wèn)題，不可避免地降低了摻雜CDs的組成、形態(tài)的可控性。針對(duì)以上問(wèn)題，一些研究直接采用含N有機(jī)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(chǎn)率高達(dá)30.7%，并作為多功能熒光納米傳感器來(lái)檢測(cè)pH和Fe(Ⅲ)。

2.3 磷摻雜碳點(diǎn)(PCDs)

P和N為同一主族元素，故摻雜P原子對(duì)CDs熒光性能的影響與N原子類(lèi)似。Zhou等[59]以對(duì)苯二酚和溴化磷合成了強(qiáng)藍(lán)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(cè)。與常見(jiàn)金屬離子檢測(cè)不同，該方法加入響應(yīng)離子后，不僅熒光強(qiáng)度發(fā)生改變，熒光發(fā)射峰還發(fā)生顯著移動(dòng)，檢測(cè)更加靈敏。Li等[61]報(bào)道了P摻雜CDs導(dǎo)致聚集誘發(fā)紅移發(fā)射現(xiàn)象。他們?cè)贖3PO4存在下水解處理膦?；宜崛阴ズ铣蒔CDs。在相同的激發(fā)波長(zhǎng)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(lán)色，變?yōu)榫G色，至橘黃色。

2.4 硫摻雜碳點(diǎn)(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(fù)性差異非常小以至于發(fā)生S-C之間的電荷轉(zhuǎn)移難度較大[62 - 63]，因此摻雜S原子在實(shí)際運(yùn)用中受到一定的限制。目前，關(guān)于S摻雜CDs的報(bào)道非常少，對(duì)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(shí)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(jiàn)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(qiáng)酸溶液中仍表現(xiàn)出強(qiáng)熒光發(fā)射和高量子產(chǎn)率(32%)，并用于檢測(cè)強(qiáng)酸溶液中的Fe(Ⅲ)濃度。

2.5 硅摻雜碳點(diǎn)(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(yīng)，摻雜的Si可能通過(guò)改變CDs電子排布并提供更多的活性位點(diǎn)，從而產(chǎn)生新穎性質(zhì)[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(fù)合材料硅碳點(diǎn)多巴胺(SiCDs@DA)，并用于細(xì)胞內(nèi)Ag+檢測(cè)和細(xì)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(guò)水熱法制備的SiCDs對(duì)該發(fā)光反應(yīng)具有顯著的增強(qiáng)作用，可形成新的化學(xué)發(fā)光系統(tǒng)。諾氟沙星對(duì)新系統(tǒng)的發(fā)光有顯著的增強(qiáng)作用，該系統(tǒng)用于測(cè)定人血漿中諾氟沙星的治療水平，得到滿(mǎn)意結(jié)果。

2.6 共摻雜碳點(diǎn)

共摻雜CDs的合成原料大致分為兩類(lèi)：有機(jī)分子與天然材料。選擇有機(jī)分子作為合成CDs的原料，反應(yīng)物組成和結(jié)構(gòu)清晰明了，更有利于深入進(jìn)行CDs合成和發(fā)光原理、熒光猝滅機(jī)制等理論研究。Gong等[72]通過(guò)使用水熱處理三磷酸腺苷(ATP)，制備了P、N共摻雜碳點(diǎn)(P/N-CDs)。P/N-CDs的熒光可被活性氧物質(zhì)(ROS)和活性氮物質(zhì)(RNS)選擇性猝滅，因此被用作細(xì)胞內(nèi)ROS和 RNS有效的顯像劑。Lan等[39]通過(guò)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(yīng)用于熒光成像和光熱治療癌細(xì)胞。在采用有機(jī)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(lái)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(dú)特的橙色熒光，可應(yīng)用于小鼠腹膜巨噬細(xì)胞成像。天然材料在自然界中廣泛分布，成本低，合成CDs時(shí)一般無(wú)需進(jìn)一步修飾或鈍化，有利于CDs的大規(guī)模綠色化生產(chǎn)。大多數(shù)天然材料組成成分復(fù)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(shù)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(duì)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(bào)道非?；馃幔呛铣蓹C(jī)制不明確，有待繼續(xù)研究。

3 表面功能化

3.1 碳點(diǎn)表面連接功能化分子

未經(jīng)功能化而直接制備的裸碳點(diǎn)一般熒光量子產(chǎn)率低，熒光性能差；表面基團(tuán)的構(gòu)成無(wú)特定功能，因而其應(yīng)用受到限制。多種特定分子可通過(guò)化學(xué)鍵連接在CDs表面(表1)，有效提高其熒光量子產(chǎn)率，改善其發(fā)光性能，大大拓展了CD應(yīng)用領(lǐng)域。Wang等[92]設(shè)計(jì)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(xì)胞介素-6片段肽共價(jià)結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該CDs可克服血腦屏障滲入小鼠原位膠質(zhì)瘤，實(shí)現(xiàn)抑制白細(xì)胞介素-6增殖和靶向藥物傳遞。同時(shí)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(zhuǎn)移，阿霉素負(fù)載的納米顆粒表現(xiàn)出對(duì)pH響應(yīng)的持續(xù)釋放行為。Luo等[93]通過(guò)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(gòu)建了一種基于主-客體相互作用和光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移的新型探針系統(tǒng)用于檢測(cè)睪酮。Gao等[94]報(bào)道了通過(guò)聚乙烯亞胺(PEI)修飾的CDs(P-CDs)和透明質(zhì)酸(HA)、阿霉素(Dox)的共軛對(duì)通過(guò)靜電組裝作用獲得的熒光探針P-CDs/HA-Dox，用于透明質(zhì)酸酶檢測(cè)、自我靶向成像和藥物遞送。CDs表面多樣的官能團(tuán)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(jié)合提供了可能性，CDs表面連接功能化分子，相對(duì)提升碳點(diǎn)性能的其他方法，目的性更強(qiáng)。探索新的連接分子，著力于檢測(cè)生物分子、應(yīng)用于生物醫(yī)藥載體是其未來(lái)研究熱點(diǎn)。

表1 碳點(diǎn)表面連接功能化分子的示例

3.2 鈍化

CDs合成過(guò)程中采用鈍化劑的研究歷史比較長(zhǎng)。2006年，Sun等[3]對(duì)碳靶進(jìn)行激光銷(xiāo)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(jìn)行表面處理，才合成了CDs，可見(jiàn)鈍化對(duì)CDs性能影響的重要性。同時(shí)，Sun等解釋了CDs的熒光是由于表面鈍化導(dǎo)致的表面能量陷阱產(chǎn)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(jī)硅烷[98]等。一般來(lái)說(shuō)，鈍化劑也是表面修飾劑，對(duì)CDs表面進(jìn)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(xì)胞內(nèi)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(diǎn)表面的官能團(tuán)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(duì)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(diǎn)的合成示意圖[101]Fig.4 Schematic illustration of synthesis of reduced-state carbon nanodots

碳納米點(diǎn)上的氧化官能團(tuán)使其具有親水性并便于進(jìn)一步功能化，同時(shí)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(guò)控制氧化程度來(lái)調(diào)整。Zheng等[101]選擇幾種常見(jiàn)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(qiáng)度變化和熒光發(fā)射峰移動(dòng)。但是通過(guò)用NaBH4在水溶液中還原弱綠色發(fā)光CDs合成具有強(qiáng)藍(lán)色發(fā)光的還原態(tài)碳點(diǎn)(r-CDs)(圖4)，CDs粒徑大小變化不明顯，但是量子產(chǎn)率從2%增加到24%，最大發(fā)射波長(zhǎng)從520 nm移動(dòng)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(tuán)的量。因此常用NaBH4等[102]對(duì)CDs進(jìn)行還原，研究表面氧化官能團(tuán)對(duì)CDs發(fā)光行為的影響，擴(kuò)寬其應(yīng)用范圍。Yan等制備了以半胱氨酸為碳源的CDs，并通過(guò)NaBH4還原合成了r-CDs。其表面上的還原性基團(tuán)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(fù)合材料應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。Hui等[103]使用NaBH4來(lái)還原CDs，驗(yàn)證了紅色發(fā)光CDs原理推測(cè)。由此可以看出，通過(guò)調(diào)控表面氧化程度，可以實(shí)現(xiàn)CDs光致發(fā)光性能的可調(diào)，具有重要科研價(jià)值。

4 結(jié)論和展望

CDs的研究取得了豐碩成果，然而量子產(chǎn)率低、熒光性能不穩(wěn)定、合成目標(biāo)不明確等問(wèn)題，仍需進(jìn)一步改善和解決。未來(lái)CDs的研究將集中在以下方面：(1)設(shè)計(jì)及改進(jìn)紅光或近紅外發(fā)光CDs合成方法，將會(huì)促進(jìn)其在載藥、成像方面的應(yīng)用。(2)CDs摻雜的金屬原子、非金屬原子的種類(lèi)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(fù)合物的形成、雜原子摻雜、通過(guò)功能化提升CDs性能的理論研究需進(jìn)一步完善。