陳 一，朱雪兒，周沁雨，馬文君，曾德柳，張和鳳

（汕頭大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，廣東 汕頭 515063）

0 引 言

2004 年Scrivens 等[1]在單壁碳納米管電泳純化過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)了碳點(diǎn)（Carbon Dots，CDs），與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)及有機(jī)染料相比[2-3]，碳點(diǎn)具有低毒性、良好的生物相容性、較強(qiáng)的化學(xué)惰性、高抗光漂白性、易改性和優(yōu)異的電子性能等優(yōu)點(diǎn)，在傳感[4-5]，發(fā)光器件[6]，光催化[7]，特別是在生物應(yīng)用方面如生物傳感[8-9]，生物成像[10-11]，藥物負(fù)載[12-13]和光診療[14-15]等領(lǐng)域得到了廣泛的研究和關(guān)注.人們對(duì)碳點(diǎn)的原始材料、制備方法和潛在應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究，合成出了各種各樣的碳點(diǎn)[16]，極大地豐富了碳材料家族.根據(jù)碳核的不同，碳點(diǎn)主要可分為三種類型：石墨烯量子點(diǎn)（Graphene Quantum Dots，GQDs）、碳納米點(diǎn)（Carbon Nanodots，CNDs）和聚合物點(diǎn)（Polymer Dots，PDs）（圖1a）.其中，單層石墨烯點(diǎn)（Single-layered GQDs，s-GQDs）以一層石墨烯碎片作為碳核，多層石墨烯點(diǎn)（Multi-layered GQDs，m-GQDs）具有石墨化的納米晶結(jié)構(gòu)特征；碳納米點(diǎn)是一種沒(méi)有明顯晶格的準(zhǔn)球形碳納米粒子，主要由sp2/sp3碳或非晶態(tài)碳嵌入sp2雜化的納米晶區(qū)組成；聚合物點(diǎn)是由線性聚合物或單體經(jīng)聚集或交聯(lián)衍生的聚合物納米粒子[17-20].碳點(diǎn)的多樣性主要?dú)w因于碳源與合成方法的不同，目前碳點(diǎn)的合成策略主要有“自上而下”和“自下而上”兩種.“自上而下”的合成策略是通過(guò)直接剝離石墨、石墨烯、碳纖維等較大的碳源產(chǎn)生納米級(jí)碳點(diǎn)，并進(jìn)行一定的表面處理；“自下而上”的合成過(guò)程是小分子或聚合物前驅(qū)體經(jīng)過(guò)脫水或自組裝再經(jīng)過(guò)碳化形成碳點(diǎn)[17-18].需要說(shuō)明的是，“自上而下”的合成策略有利于合成結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)完整的石墨烯點(diǎn)或碳納米點(diǎn)[21-22]，而“自下而上”的合成策略通常會(huì)產(chǎn)生具有非晶態(tài)碳核、摻雜位點(diǎn)豐富和表面官能團(tuán)多的碳點(diǎn)[23-24].碳點(diǎn)材料的形貌特征、性能及應(yīng)用與其合成方法密切相關(guān).發(fā)展高效的合成方法，有利于解決碳點(diǎn)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的難題，如碳點(diǎn)的精確控制、大規(guī)模制備和發(fā)光機(jī)理與發(fā)光基團(tuán)精細(xì)結(jié)構(gòu)等.

圖1 a）碳點(diǎn)的分類；b）碳點(diǎn)的主要制備方法

碳點(diǎn)通常被定義為尺寸小于10 nm、表面經(jīng)過(guò)鈍化并擁有明亮熒光的碳納米粒子[25].其獨(dú)特的光物理和化學(xué)性質(zhì)促進(jìn)了成像探針、高性能納米傳感器和多重納米復(fù)合材料的發(fā)展.優(yōu)異的生物相容性和體內(nèi)清除性理想地滿足了體內(nèi)應(yīng)用的要求，成為了生物應(yīng)用研究的理想材料[26].表面鈍化是它們熒光性質(zhì)的關(guān)鍵[19]，所制備的碳點(diǎn)具有許多反應(yīng)基團(tuán)，可以被其他化學(xué)基團(tuán)修飾，而表面功能化或鈍化的碳點(diǎn)可以提高其量子產(chǎn)率和熒光發(fā)射[27]（圖2），進(jìn)而滿足生物應(yīng)用的要求.Xie 等[28]通過(guò)激光燒蝕合成碳點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，得到的樣品及其懸浮液并沒(méi)有光致發(fā)光行為，但是進(jìn)行表面鈍化即將有機(jī)物種附著在酸處理后的碳顆粒上之后，就會(huì)展現(xiàn)出明亮的熒光.Liu 等[29]發(fā)現(xiàn)原始碳點(diǎn)會(huì)引起細(xì)胞氧化應(yīng)激，降低細(xì)胞活力，但用聚合物修飾后便沒(méi)有顯示任何異常的細(xì)胞周期. 這些結(jié)果表明，碳點(diǎn)的表面化學(xué)對(duì)其熒光性質(zhì)及生物相容性起著至關(guān)重要的作用.另外，豐富和可調(diào)諧的官能團(tuán)，如氨基、羧基或羥基等，賦予了碳點(diǎn)攜帶治療劑和靶向劑的能力，與適當(dāng)?shù)姆肿雍椭委熕幬镦溄幽軌虍a(chǎn)生熱敏納米醫(yī)學(xué)效應(yīng).同時(shí)，碳點(diǎn)的熒光性能提供了動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物分布和反應(yīng)的機(jī)會(huì)[30].因此，使用“量身定制”的分子對(duì)所合成碳點(diǎn)進(jìn)行合適的表面修飾過(guò)程是實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)生物應(yīng)用的關(guān)鍵[31].本文將在第三節(jié)對(duì)近幾年來(lái)通過(guò)碳點(diǎn)表面功能化以促進(jìn)生物應(yīng)用方面的研究進(jìn)行綜述，并總結(jié)研究人員通過(guò)碳點(diǎn)表面工程提高其量子產(chǎn)率和穩(wěn)定性同時(shí)降低細(xì)胞毒性以拓展碳點(diǎn)在生物應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)展.

圖2 不同的表面修飾過(guò)程導(dǎo)致的不同熒光發(fā)射

此外，發(fā)光機(jī)理一直是碳點(diǎn)領(lǐng)域的研究前沿，碳點(diǎn)的多樣性以及表征方法的缺失，揭示碳點(diǎn)發(fā)光基團(tuán)精細(xì)結(jié)構(gòu)還存在較大的挑戰(zhàn).盡管近年來(lái)取得了一些進(jìn)展，但碳點(diǎn)的實(shí)際發(fā)光機(jī)制仍存在爭(zhēng)議，發(fā)光基團(tuán)的精細(xì)結(jié)構(gòu)依然不甚清晰.本文第二節(jié)將系統(tǒng)總結(jié)現(xiàn)有的碳點(diǎn)發(fā)光機(jī)理.

1 合成策略及方法

1.1 “自上而下”合成策略

“自上而下”的合成策略是通過(guò)剝離或刻蝕較大的碳材料（石墨、石墨烯、碳納米管、炭黑、煤等），形成較小尺寸的納米粒子.該合成策略簡(jiǎn)單高效，但在具體合成過(guò)程中，難以對(duì)實(shí)驗(yàn)條件精準(zhǔn)控制，從而導(dǎo)致得到的碳點(diǎn)往往具有較寬的尺寸分布.雖然透析等方法可以對(duì)得到的碳點(diǎn)產(chǎn)物進(jìn)行分級(jí)，但分級(jí)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在一定程度上限制了該合成策略的廣泛應(yīng)用.目前，用于“自上而下”合成策略的方法主要有電弧放電、激光刻蝕、電化學(xué)和化學(xué)剝落等方法.

1.1.1 電弧放電法

碳點(diǎn)最早發(fā)現(xiàn)于電弧放電法.Xu 在利用電泳法分離由電弧放電法制備的單壁碳納米管過(guò)程中首次發(fā)現(xiàn)了碳點(diǎn)[1].作者發(fā)現(xiàn)在365 nm 光激發(fā)下其發(fā)出明亮的熒光，進(jìn)一步的洗脫將混合熒光帶分離為藍(lán)綠、黃、橙亞發(fā)射帶（圖3a 和圖3b）.元素分析表明，這些納米點(diǎn)僅含有C（55.93%）、H（2.65%）、N（1.2%）和O（40.33%）.Zhang 等[32]以電弧放電法制備碳納米管得到副產(chǎn)物石墨雜質(zhì)，離心分級(jí)后得到了粒徑分布較窄的石墨碳點(diǎn).經(jīng)混酸氧化后，產(chǎn)物的熒光性能得到顯著提高，發(fā)射強(qiáng)綠色熒光.有趣的是，熒光表征結(jié)果表明，所制備的碳量子點(diǎn)最大發(fā)射波長(zhǎng)約為502 nm，與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，且顯示出熒光雙轉(zhuǎn)換的特性（圖3c 和3d），作者將其上轉(zhuǎn)換熒光歸因于碳點(diǎn)的多光子活性過(guò)程.

圖3 a）在365 nm 紫外光下1%瓊脂糖凝膠中的電泳圖譜；b）在365 nm 紫外燈下不同組分圖片；c）不同激發(fā)波長(zhǎng)的熒光光譜；d）不同激發(fā)波長(zhǎng)的上轉(zhuǎn)換熒光光譜

1.1.2 激光刻蝕法

2006 年，Xie 等[28]以石墨和水泥熱壓制備的碳靶為碳源，利用激光燒蝕制備得到碳納米顆粒，并利用硝酸對(duì)其進(jìn)行表面鈍化.結(jié)果表明，在簡(jiǎn)單有機(jī)物附著碳點(diǎn)表面后，原不發(fā)光的樣品經(jīng)光激發(fā)后發(fā)射出明亮的熒光，并將這種熒光納米粒子命名為碳量子點(diǎn).作者發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)的光致發(fā)光光譜通常較寬，其最大發(fā)射波長(zhǎng)取決于激發(fā)波長(zhǎng)，并將這種激發(fā)波長(zhǎng)依賴性的熒光行為歸因?yàn)闃悠烦叽绲膶挿植己吞键c(diǎn)內(nèi)熒光基團(tuán)的分布不同.隨后，研究人員對(duì)上面的方法進(jìn)行了改進(jìn)，將激光燒蝕和表面改性在一步反應(yīng)中完成[33]，改進(jìn)了合成碳點(diǎn)的方法.

1.1.3 電化學(xué)方法

2007 年Ding 等[34]首次提出了從多壁碳納米管中合成藍(lán)光碳點(diǎn)的電化學(xué)方法. 作者以四丁基高氯酸銨為電解質(zhì)，在脫氣乙腈溶液中對(duì)多壁碳納米管進(jìn)行電化學(xué)處理后得到碳點(diǎn)材料.Zhang 等[35]在采用電化學(xué)方法合成碳點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)環(huán)境對(duì)碳點(diǎn)的形成起著重要的作用，當(dāng)采用堿性電解質(zhì)時(shí)（NaOH/EtOH），可以成功合成碳點(diǎn)，而酸性電解質(zhì)（例如H2SO4/EtOH）則無(wú)法生成碳點(diǎn).Liu 等[36]采用電化學(xué)氧化方法以石墨電極為碳源在堿性醇溶液中制備得到較高量子產(chǎn)率（QY＝11.2%）且結(jié)晶度高的碳點(diǎn).電化學(xué)方法為熒光碳點(diǎn)制備提供快捷、溫和的途徑[37]，通過(guò)調(diào)整外加電位和電流密度，可以控制碳點(diǎn)的尺寸、組成和熒光性能[38].

1.1.4 化學(xué)剝落法

2007 年，Mao 等[39]首次發(fā)展了化學(xué)剝落法，以酸性氧化物處理蠟燭燃燒的煙塵合成了碳點(diǎn).隨后，人們以碳水化合物[40]，炭黑[41]，活性炭[42]等材料為碳源，通過(guò)化學(xué)剝落法成功制備了相應(yīng)碳點(diǎn)材料.Ajayan 和Zhu 等[43]報(bào)道了從化學(xué)剝落碳纖維中成功合成碳點(diǎn)的研究方法，將碳纖維加入濃酸中進(jìn)行2 h 超聲處理，然后劇烈攪拌并將混合物加熱24 h 后，得到了尺寸分布較窄（直徑在1-4 nm 之間）的碳點(diǎn).結(jié)果表明，通過(guò)控制反應(yīng)溫度，可以制備不同尺寸的碳點(diǎn)，并可以調(diào)節(jié)碳點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì).Huo 等[42]利用化學(xué)剝落法合成碳點(diǎn)（QY＝1.5%）后，使用胺端化合物作為表面鈍化劑對(duì)碳點(diǎn)表面進(jìn)行改性，有效提高了其熒光量子產(chǎn)率，量子產(chǎn)率達(dá)到12.6%.需要說(shuō)明的是，現(xiàn)有化學(xué)剝落法合成效率往往較低，并且通常需要通過(guò)表面鈍化過(guò)程提高碳點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率.

1.2 “自下而上”策略

1.2.1 熱解法

一些熱力學(xué)不穩(wěn)定的小分子可以在高溫下直接碳化形成碳點(diǎn)，因此被成功發(fā)展成為一種快速有效合成熒光碳點(diǎn)的方法.2008 年，Giannelis 等[44]首次通過(guò)熱解法合成得到碳點(diǎn)，通過(guò)不同檸檬酸銨鹽或4-氨基安替比林在溶液中的熱分解，一步合成得到功能化的碳點(diǎn)材料. 制備的碳點(diǎn)平均尺寸小于10 nm，具有明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性. 之后，作者較為系統(tǒng)地探索了碳點(diǎn)的熱解過(guò)程[45]，發(fā)現(xiàn)隨著溫度從180°C 升高至400 °C，碳點(diǎn)的碳化程度升高，但熒光亮度和熒光量子產(chǎn)率明顯下降.近年來(lái)，含雜原子碳點(diǎn)的制備得到較多關(guān)注. Huang 等[46]采用兩步碳化法制備了L-半氨酸修飾的手性碳點(diǎn)LC-CQDs，首先在200°C 下熱解檸檬酸20 min，制備得到具有羧基的碳點(diǎn)之后，利用L-半氨酸的氨基在200 °C 下對(duì)碳點(diǎn)表面進(jìn)行化學(xué)修飾，得到了具有手性和高熒光性能的碳點(diǎn)（QY＝68%）.

1.2.2 微波輔助法

微波具有加熱效率高、消耗時(shí)間少和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在碳點(diǎn)合成中得到越來(lái)越多的應(yīng)用.2009 年，Yang 等[46]利用微波輔助加熱合成了碳點(diǎn).作者將聚乙二醇（PEG-200）和糖類（葡萄糖、果糖等）溶于去離子水中形成透明混合物，經(jīng)微波爐加熱后，透明溶液被碳化生成碳點(diǎn)產(chǎn)物，并且加熱時(shí)間被成功用于調(diào)控碳點(diǎn)的尺寸.X 射線光電子能譜表明，碳點(diǎn)的主要成分是碳和氧，豐富的親水官能團(tuán)賦予了該類碳點(diǎn)良好的水溶性.Cui 等[47]報(bào)道了量子產(chǎn)率為44.9%的藍(lán)光發(fā)射碳點(diǎn).Guo 等[48]利用微波輔助法制備出固態(tài)的Si-CDs，量子產(chǎn)率達(dá)到65.8%.Lau 等[49]和Lin 等[50]通過(guò)微波方法分別實(shí)現(xiàn)了碳點(diǎn)的深紫外和近紅外發(fā)射.

1.2.3 溶劑熱合成法

小分子可以在水或有機(jī)溶劑中通過(guò)縮合、聚合、碳化和鈍化過(guò)程形成碳點(diǎn)，特別是水熱法已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的碳點(diǎn)合成方法.2011 年，Wang 和Li 等[51]報(bào)道了通過(guò)水熱法合成碳點(diǎn)的方法.在磷酸單鉀存在下，作者對(duì)葡萄糖進(jìn)行水熱處理合成得到熒光碳點(diǎn)，并且可以通過(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)節(jié)磷酸單鉀的濃度來(lái)調(diào)節(jié)碳點(diǎn)產(chǎn)物的熒光行為.Chang 等[52]發(fā)現(xiàn)含有氨基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)分子有利于碳點(diǎn)的形成，并且氫鍵在分子組裝過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，他們將碳點(diǎn)的形成過(guò)程歸為脫水、聚合、碳化和鈍化四個(gè)步驟.Sun 等[53]以檸檬酸和乙二胺為碳源和氮源，利用溶劑熱合成法成功制備出高亮熒光碳點(diǎn)，其在水中的熒光量子產(chǎn)率高達(dá)94%.Qu 等[54]以葉酸為前驅(qū)體，制備了高熒光葉酸改性的碳點(diǎn)，其在水中的量子產(chǎn)率高達(dá)94.5%，更重要的是，碳點(diǎn)表面殘留的葉酸對(duì)癌細(xì)胞有良好的靶向能力，為腫瘤的診療提供了可能性.溶劑熱法中溶劑的性質(zhì)、反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)碳點(diǎn)的形成及碳化程度有顯著影響，直接決定了碳點(diǎn)的發(fā)光效率和光學(xué)性能.

1.2.4 模板法

雖然多種方法已經(jīng)被發(fā)展出來(lái)，但碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)控制，特別是碳點(diǎn)的“按需合成”仍存在較大挑戰(zhàn).近年來(lái)，模板法被成功應(yīng)用于納米材料的精確合成.硬模板或軟模板都可以作為具有受限空間的納米反應(yīng)器，用于“自下而上”合成所需尺寸的納米結(jié)構(gòu).相應(yīng)地，選擇合適的模板可以有效地抑制聚集問(wèn)題，形成具有較窄尺寸分布的碳點(diǎn)，使用模板法可以實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)尺寸和形貌的可控性.Li 等[55]以介孔二氧化硅球?yàn)橛材０澹瑱幟仕釣樘荚?，高溫碳化后，?jīng)過(guò)刻蝕二氧化硅，得到尺寸為1.5～2.5 nm 的親水性碳點(diǎn). 隨后，Liu 等[56]首次提出了一種軟硬模板方法，即以共聚物Pluronic P123 為軟模板，有序介孔二氧化硅SBA-15 為硬模板，制備了多種結(jié)構(gòu)規(guī)整且具有上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光行為的碳點(diǎn)，其中尺寸較窄的分布為CDDAB：（3.0±0.4）nm，CD PHA：（4.4±0.4）nm.Zhang 等[57]利用不同孔徑的金屬- 有機(jī)骨架材料（MOFs）作為模板，經(jīng)過(guò)葡萄糖碳化和MOFs 刻蝕，合成一系列具有高度規(guī)整結(jié)構(gòu)的碳點(diǎn)（圖4）.

圖4 碳點(diǎn)尺寸與相應(yīng)的MOFs 模板孔徑對(duì)比

2 光學(xué)性能

雖然碳點(diǎn)具有較好的光穩(wěn)定性和激發(fā)波長(zhǎng)依賴性等特殊的熒光行為，但現(xiàn)有碳點(diǎn)發(fā)光亮度和熒光效率仍普遍較低，且熒光多為藍(lán)綠光.另外，碳點(diǎn)材料的微觀結(jié)構(gòu)仍不清晰，發(fā)光機(jī)理還存在一定爭(zhēng)議.由于碳點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)理的復(fù)雜性，系統(tǒng)整理總結(jié)現(xiàn)有碳點(diǎn)的光學(xué)性能和可能的發(fā)光機(jī)理將有力推動(dòng)高熒光性能碳點(diǎn)的制備和應(yīng)用的進(jìn)展.

碳點(diǎn)的光致發(fā)光通常呈現(xiàn)寬峰發(fā)射，并且最大發(fā)射波長(zhǎng)取決于采用的激發(fā)波長(zhǎng)，具有明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性.Xie 等[28]利用激光燒蝕法制備碳點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)了碳點(diǎn)這種與其硅對(duì)應(yīng)物[58]相似的熒光行為，即同一樣品在不同的激發(fā)波長(zhǎng)下會(huì)發(fā)出不同顏色的熒光，他們將其歸為樣品中不同粒子尺寸的影響和每個(gè)鈍化碳點(diǎn)上發(fā)射位點(diǎn)的分布不同的影響.目前，對(duì)于碳點(diǎn)熒光行為的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性形成了多種解釋：表面缺陷機(jī)制[59-61]，尺寸效應(yīng)[62]，碳核的形成[63]及溶劑馳豫[64].一般認(rèn)為，碳點(diǎn)的激發(fā)波長(zhǎng)依賴性行為是由以上一種或幾種因素作用導(dǎo)致的.碳點(diǎn)的這種激發(fā)波長(zhǎng)依賴性行為使碳點(diǎn)可以在不同的激發(fā)波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和組織的多色成像，且在長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)下使其發(fā)射波長(zhǎng)能夠位于近紅外區(qū)域，為體內(nèi)較深層組織成像及腫瘤診療提供了可能性[65-66].

除了具有激發(fā)波長(zhǎng)依賴性，現(xiàn)有報(bào)道中少量碳點(diǎn)還表現(xiàn)出與激發(fā)波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的熒光發(fā)射行為.Veca 等[67]通過(guò)向碳點(diǎn)中引入氧化鋅和硫化鋅，得到了具有上轉(zhuǎn)換熒光特性的產(chǎn)物，即在波長(zhǎng)為800 nm 的激發(fā)光下，碳量子點(diǎn)發(fā)出綠色熒光.Zhang 等[32]以電弧放電法制備碳點(diǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，其制備的碳點(diǎn)具有熒光雙轉(zhuǎn)換特性（圖3c 和3d），即當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從300 nm 變化到380 nm 時(shí)，相應(yīng)的熒光光譜幾乎保持不變，在502 nm 處呈現(xiàn)出較強(qiáng)的發(fā)射峰，作者將其解釋為碳點(diǎn)表面相對(duì)均勻且官能團(tuán)種類較少；當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)從550 nm變化到900 nm 時(shí)，展現(xiàn)出上轉(zhuǎn)換熒光，熒光圖譜與其下轉(zhuǎn)換熒光圖譜類似.作者將上轉(zhuǎn)換熒光歸因于碳點(diǎn)的多光子活性過(guò)程，即兩個(gè)或多個(gè)光子的同時(shí)吸收導(dǎo)致的反斯托克斯型發(fā)射.Callan 等[68]設(shè)計(jì)了一種與敏化劑原卟啉IX 相連的碳點(diǎn)，通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）介導(dǎo)的方式，在800 nm 激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)出上轉(zhuǎn)換熒光，使敏化劑敏化，進(jìn)而產(chǎn)生大量的單線態(tài)氧以殺死較深層組織的腫瘤細(xì)胞.

另外，光穩(wěn)定性是指在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)激發(fā)時(shí)熒光發(fā)射強(qiáng)度維持穩(wěn)定的能力.與有機(jī)熒光染料相比，碳點(diǎn)具有較高的光穩(wěn)定性，即使在激發(fā)光源或者氖燈的持續(xù)照射下，也無(wú)光漂白現(xiàn)象，依舊能保持原有的熒光強(qiáng)度.

2.1 發(fā)光機(jī)理

碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理是碳點(diǎn)領(lǐng)域的核心科學(xué)問(wèn)題，清晰的機(jī)理對(duì)調(diào)節(jié)其光學(xué)性能以及高性能碳點(diǎn)的合成具有重大的意義.雖然碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理長(zhǎng)期以來(lái)一直是人們探索的重點(diǎn)，然而，由于碳源的多樣性和碳化方法的不同，眾多因素在不同類型的碳點(diǎn)熒光發(fā)射過(guò)程中起著不同的作用，導(dǎo)致碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)多樣，且對(duì)碳點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的探索手段還不完善.迄今為止，碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理仍存在較大挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)為熒光來(lái)源及精細(xì)結(jié)構(gòu)依然不甚清晰和發(fā)光機(jī)制仍存在爭(zhēng)議.目前，得到較為普遍認(rèn)可的機(jī)理主要有：量子尺寸效應(yīng)，表面態(tài)效應(yīng)，分子態(tài)和碳核態(tài)，交聯(lián)引起的熒光增強(qiáng)效應(yīng)（CEE 效應(yīng)），多種熒光機(jī)理同時(shí)存在，又相互影響.

2.1.1 量子尺寸效應(yīng)

目前，多種由不同碳源和碳化方法制備的碳點(diǎn)均表現(xiàn)出與尺寸相關(guān)的熒光行為，即量子尺寸效應(yīng).Lee 等[69]利用電化學(xué)方法結(jié)合分級(jí)純化，制備了尺寸為1.2～3.8 nm 的碳點(diǎn).熒光結(jié)果表明，碳點(diǎn)熒光性質(zhì)隨碳點(diǎn)尺寸的變化而不同.如圖5a 所示，隨著碳點(diǎn)尺寸從1.2 nm 增加至1.5-3 nm 和3.8 nm，其熒光最大發(fā)射波長(zhǎng)從紫外光區(qū)紅移至可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū).另外，如圖5b 所示，Yang 等[70]通過(guò)采用不同的前驅(qū)體和碳化時(shí)間，合成出了尺寸分別為1.95 nm，2.41 nm，3.78 nm，4.90 nm 和6.68 nm 的碳點(diǎn)，其發(fā)射峰分別是430 nm，513 nm，535 nm，565 nm 和604 nm.然而，Rhee 等[71]通過(guò)模板法合成碳點(diǎn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著尺寸從1.5 nm 增大到2.5 nm 后，碳點(diǎn)的熒光發(fā)射波長(zhǎng)不增反降.因此，合理控制碳點(diǎn)尺寸和優(yōu)化其化學(xué)結(jié)構(gòu)可以使其熒光發(fā)射發(fā)生紅移，有利于制備長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射碳點(diǎn).

圖5 a）不同尺寸碳點(diǎn)的熒光行為；b）適當(dāng)調(diào)控反應(yīng)前驅(qū)體和碳化時(shí)間以合成不同尺寸和熒光發(fā)射的碳點(diǎn)

此外，碳點(diǎn)的尺寸也會(huì)影響其熒光壽命. Lau 等[72]制備了水溶性單分散晶體（GQD），直徑在（1.5±0.55）～（3.9±0.55）nm 之間，其中GQD 的直徑越大，平均熒光壽命越短.

2.1.2 表面態(tài)效應(yīng)

碳點(diǎn)具有豐富的表面官能團(tuán)，不僅可以有效增加其能級(jí)分布，同時(shí)也可以導(dǎo)致一定程度的表面缺陷，經(jīng)光激發(fā)后，表面態(tài)的發(fā)射阱將主導(dǎo)發(fā)射.較高程度的表面氧化或其他有效的表面修飾可以產(chǎn)生更多的表面缺陷，從而為調(diào)控碳點(diǎn)的熒光行為提供可能.如圖6a 所示，表面態(tài)的熒光基團(tuán)由化學(xué)基團(tuán)和碳核間的相互作用形成.雖然碳點(diǎn)中熒光的來(lái)源尚不清楚，但越來(lái)越多的證據(jù)表明，熒光發(fā)射既來(lái)自碳核內(nèi)部受限的sp2共軛產(chǎn)生的能隙變化，也來(lái)自表面狀態(tài)產(chǎn)生的外部熒光，這種表面狀態(tài)既可以由碳核能隙的能量轉(zhuǎn)移直接激發(fā)，也可以由能量轉(zhuǎn)移激發(fā). Tang 等[73]探索了碳點(diǎn)在不同溫度下的熒光行為，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)表現(xiàn)出雙發(fā)射帶且具有相似的溫度依賴性，作者將雙熒光帶歸因于碳核和表面狀態(tài)發(fā)射（圖6b）. 隨后，Tang 等[74]提出，碳點(diǎn)的雙發(fā)射帶是由本征態(tài)和表面態(tài)所致，其中帶I 起源于碳核內(nèi)部受限的sp2共軛產(chǎn)生的能隙，能隙由sp2共軛結(jié)構(gòu)的大小和形狀決定，而帶II 起源于表面態(tài)，表現(xiàn)出較寬的熒光發(fā)射范圍.在此基礎(chǔ)上，通過(guò)控制sp2共軛結(jié)構(gòu)的尺寸或?qū)μ键c(diǎn)表面進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)了碳點(diǎn)的可調(diào)諧熒光發(fā)射.

圖6 碳點(diǎn)表面態(tài)發(fā)光機(jī)理圖

2.1.3 分子態(tài)和碳核態(tài)效應(yīng)

分子態(tài)效應(yīng)與表面態(tài)不同，如上所述，表面態(tài)的熒光中心由化學(xué)基團(tuán)和碳核的相互作用形成，而分子態(tài)完全由有機(jī)熒光團(tuán)形成熒光中心，其熒光團(tuán)連接在碳骨架的表面或內(nèi)部，可以直接實(shí)現(xiàn)熒光發(fā)射.如圖7 所示，通過(guò)小分子碳化（“自下而上”路線）制備碳點(diǎn)過(guò)程中，低溫下形成小的熒光團(tuán)分子（分子態(tài)）隨著碳化溫度的升高，初始分子脫水或由所形成的熒光團(tuán)進(jìn)一步碳化形成碳核，熒光團(tuán)具有較強(qiáng)的熒光發(fā)射和較高的量子產(chǎn)率，而碳核態(tài)具有較弱的熒光行為和較高的光穩(wěn)定性.Giannelis 小組[75]以檸檬酸（CA）和乙醇胺（EA）為模型對(duì)碳化過(guò)程進(jìn)行了較為系統(tǒng)地探索，首次從分子態(tài)和碳核態(tài)兩個(gè)方面探索了碳點(diǎn)的形成機(jī)理.作者發(fā)現(xiàn)，在180°C 下熱解得到一種分子前驅(qū)體，熒光量子產(chǎn)率達(dá)50%.在較高的溫度（230°C）下，碳核開(kāi)始形成，熒光發(fā)射來(lái)源于分子熒光團(tuán)和碳核.然而，這些CNDs 的量子產(chǎn)率只有15%，顯著低于上述50%，表明大量的熒光團(tuán)被用作碳核的構(gòu)建.特別是在更高的溫度（300 °C 和400°C）下，得到了主要或僅由碳核組成的碳點(diǎn)，量子產(chǎn)率進(jìn)一步明顯下降.碳核結(jié)構(gòu)的熒光淬滅促進(jìn)了相鄰分子態(tài)的發(fā)射，這也在一定程度上解釋了在高溫下制備的碳點(diǎn)具有較低的熒光性能.類似的，Yang 等[76]以CA 和乙二胺（EDA）為模型分子研究了分子和碳核態(tài).他們發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)溫度小于150°C時(shí)，形成了一種高QY 的熒光團(tuán)；在150～250 °C 的反應(yīng)溫度下，CA 和EDA 既形成了熒光分子，又形成了交聯(lián)聚合物骨架，熒光主要是由CNDS上連接的形成的熒光團(tuán)引起的；在高溫下（超過(guò)300°C），由于進(jìn)一步碳化，部分熒光團(tuán)被消耗以進(jìn)一步形成碳核，熒光性能降低.

圖7 碳點(diǎn)碳核態(tài)發(fā)光機(jī)理過(guò)程

2.1.4 聚合物碳點(diǎn)中交聯(lián)結(jié)構(gòu)促進(jìn)熒光發(fā)射效應(yīng)（CEE）及藍(lán)光起源

由熱力學(xué)不穩(wěn)定的碳源通過(guò)脫水、縮合、碳化或組裝路線制備的非共軛聚合物點(diǎn)，具有高度交聯(lián)的化學(xué)結(jié)構(gòu).高度交聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng)烈限制了碳點(diǎn)內(nèi)各基團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，也就抑制了各種非輻射躍遷，從而實(shí)現(xiàn)熒光增強(qiáng)，這種現(xiàn)象即交聯(lián)導(dǎo)致的熒光增強(qiáng)效應(yīng)（CEE）.目前，CEE 效應(yīng)得到了較為廣泛的認(rèn)可.與熒光共軛聚合物通過(guò)組裝形成的共軛聚合物點(diǎn)和具有大共軛結(jié)構(gòu)的石墨烯點(diǎn)不同，非共軛聚合物點(diǎn)是具有高度交聯(lián)和致密結(jié)構(gòu)的聚合物，其熒光中心來(lái)源于其重復(fù)單元熒光團(tuán)，并且熒光團(tuán)的熒光性能被CEE效應(yīng)有效放大.Liang 等[77]通過(guò)分段共聚物的自組裝制備了兩親性的PDs，PDs 的剛性和致密結(jié)構(gòu)在激發(fā)波長(zhǎng)依賴性和增強(qiáng)的熒光行為中起著至關(guān)重要的作用.PDs 的pH 依賴性熒光進(jìn)一步證實(shí)，酸性環(huán)境導(dǎo)致更剛性和致密的構(gòu)象，并誘導(dǎo)獨(dú)特的熒光效應(yīng).Yang等[78]以支化聚乙烯亞胺（PEI）為非共軛聚合物模型，研究了一系列聚合物點(diǎn)（PD 1-4）的發(fā)光機(jī)理.PEI 基聚合物點(diǎn)潛在的熒光團(tuán)是仲胺和叔胺，交聯(lián)PEI 基聚合物點(diǎn)振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的減少導(dǎo)致了其熒光增強(qiáng).從PEI 及PDs 的電子能級(jí)（圖8a）可得，對(duì)于PEI，激發(fā)電子主要通過(guò)非輻射振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)過(guò)程下降到基態(tài)；而對(duì)于PD 1 和PD 2，由于交聯(lián)骨架，氨基熒光團(tuán)的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)受到限制，輻射過(guò)程的百分比增加（CEE 效應(yīng)）；對(duì)于PD 3，PEI 鏈固定在非晶態(tài)碳核上，PEI 鏈的固定和碳核的天線效應(yīng)（Antenna effect）都增強(qiáng)了熒光性能；對(duì)于PD 4，雖然PEI 鏈?zhǔn)枪潭ǖ?，胺基中心被CEE 效應(yīng)增強(qiáng)，但具有多層晶格的碳核具有非輻射結(jié)構(gòu)和陷阱（如層間猝滅），CEE 效應(yīng)被非輻射過(guò)程抵消，輻射過(guò)程受到影響和限制.

明亮藍(lán)色熒光發(fā)射是由羧酸和胺前驅(qū)體制備的各種聚合物碳點(diǎn)的一個(gè)顯著特征，然而，這類聚合物點(diǎn)難以確定其精確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，極大地阻礙了對(duì)其發(fā)光機(jī)制的理解.Maser等[79]通過(guò)低溫合成途徑，從檸檬酸和乙二胺中制備出具有明亮藍(lán)色熒光行為的聚合物點(diǎn).密度泛函理論計(jì)算結(jié)果表明，PDs 的最高占據(jù)（HOMO）和最低未占據(jù)（LUMO）分子軌道分別位于酰胺和羧基上，基團(tuán)之間的光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了強(qiáng)發(fā)光行為（圖8b）.此外，由氫鍵介導(dǎo)的鏈間超分子相互作用有利于形成剛性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)輻射過(guò)程.

圖8 a）PEI 及PDs 的電子能級(jí)；b）光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程

3 生物應(yīng)用

3.1 毒性評(píng)估

與熒光有機(jī)染料和熒光蛋白相比，碳點(diǎn)本身具有較高的光穩(wěn)定性、生物相容性和抗代謝降解等顯著優(yōu)勢(shì)，在生物成像和光治療中具有光明的應(yīng)用前景.碳點(diǎn)的毒性評(píng)估是碳點(diǎn)實(shí)現(xiàn)生物應(yīng)用的前提.Sun 等[80]利用激光燒蝕石墨粉和水泥合成碳點(diǎn)，以PEG1500N為表面鈍化劑，對(duì)人乳腺癌MCF-7 細(xì)胞和人結(jié)直腸腺癌HT-29 細(xì)胞的生物相容性進(jìn)行了探索.對(duì)兩種細(xì)胞的增殖、死亡率和活力等觀察表明，即使碳點(diǎn)的質(zhì)量濃度達(dá)到50 μg/ml，也表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性（圖9），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際應(yīng)用需求.最近，一些研究[81-82]通過(guò)體外（正常和各種癌細(xì)胞）和體內(nèi)（大鼠、斑馬魚(yú)、小鼠）研究來(lái)評(píng)價(jià)各種納米尺寸（零維CDS、GQDs、炭黑、一維碳納米管、二維石墨烯和氧化石墨烯）的細(xì)胞毒性.碳納米材料的體內(nèi)毒性研究表明，碳納米材料的細(xì)胞毒性取決于其濃度、表面電荷和時(shí)間.另外，對(duì)包括浮游動(dòng)物、斑馬魚(yú)和浮游植物在內(nèi)的各種物種進(jìn)行的碳點(diǎn)體外毒性研究表明，經(jīng)表面功能化的碳點(diǎn)對(duì)上述物種并沒(méi)有明顯的損傷或毒性.總的來(lái)說(shuō)，碳點(diǎn)對(duì)許多細(xì)胞和物種表現(xiàn)出無(wú)毒的性質(zhì)，不僅如此，通過(guò)利用生物相容性分子（聚合物、蛋白質(zhì)和氨基酸）修飾碳點(diǎn)表面，可以進(jìn)一步降低其可忽略的毒性.

圖9 a）小鼠靜脈注射不同當(dāng)量（黑：對(duì)照組；灰：8 mg/kg；白：40 mg/kg）碳點(diǎn)一段時(shí)間（上：1 d；中：7 d；下：28 d）后血清生化結(jié)果；b）毒性評(píng)估結(jié)果（黑：碳點(diǎn)；白：PEG1500N）

3.2 表面功能化設(shè)計(jì)以便生物應(yīng)用

現(xiàn)有部分碳點(diǎn)中，“原始碳點(diǎn)”一般不發(fā)或只發(fā)射很弱的熒光，而表面經(jīng)過(guò)功能化或鈍化的碳點(diǎn)往往可以提高其量子產(chǎn)率，改變熒光發(fā)射行為[28].此外，原始碳點(diǎn)與生物系統(tǒng)的相互作用較差，會(huì)阻礙其在生物方面的應(yīng)用，但是碳點(diǎn)表面豐富的反應(yīng)基團(tuán)，可以被其他化學(xué)基團(tuán)修飾，進(jìn)而滿足生物應(yīng)用的要求.

生物相容性及毒性在一定程度上決定了碳點(diǎn)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用，而碳點(diǎn)表面工程為提高其穩(wěn)定性提供了有效途徑.Liu 等[83]對(duì)人支氣管上皮細(xì)胞進(jìn)行了原始熒光碳點(diǎn)的細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)原始碳點(diǎn)位于細(xì)胞表面，會(huì)引起氧化應(yīng)激，從而降低細(xì)胞活力.之后，他們用聚乙二醇和聚乙烯亞胺等聚合物對(duì)原始碳點(diǎn)的表面進(jìn)行了修飾.體外研究表明，經(jīng)過(guò)表面功能化之后的碳點(diǎn)沒(méi)有顯示任何異常的細(xì)胞周期.因此，一般需要對(duì)原始碳點(diǎn)進(jìn)行表面修飾以將能夠增加其生物相容性的分子或者聚合物鏈接或鈍化到碳點(diǎn)表面.研究人員于此做出了巨大的努力，目前，聚乙二醇[84]、聚乙烯亞胺[85]、聚丙烯酸[86]、丙基乙烯胺- 乙烯胺共聚物[87]等多種聚合物被成功用于改善碳點(diǎn)的生物相容性.

3.3 生物成像

由于碳點(diǎn)優(yōu)異的光學(xué)性能、低毒性及生物相容性，其在體內(nèi)外成像領(lǐng)域有著清晰的應(yīng)用前景.2009 年，Sun 等首次報(bào)道了碳點(diǎn)在體內(nèi)的光學(xué)成像[10]，結(jié)果表明，多種方式注入小鼠的碳點(diǎn)在體內(nèi)仍保持強(qiáng)烈的熒光（圖10）.如圖11a，作者在使用碳點(diǎn)標(biāo)記體外人類乳腺癌MCF-7 細(xì)胞時(shí)[87]發(fā)現(xiàn)，MCF-7 細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜發(fā)出熒光，而細(xì)胞核未發(fā)熒光，以此推測(cè)出碳點(diǎn)難以進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，在其他報(bào)道中也得出了類似的結(jié)論[88-90].然而，Yin 等[91]研究發(fā)現(xiàn)，以多巴胺和乙二胺為氮源所合成的氮摻雜碳點(diǎn)可以進(jìn)入細(xì)胞核，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞核染色，并且使用多種細(xì)胞如PC12、A549、HepG 2 和MD-MBA-231 為模型驗(yàn)證了該碳點(diǎn)染核的通用性（如圖11b）.作者認(rèn)為大量氨基的存在導(dǎo)致碳點(diǎn)表面帶正電荷、較小的尺寸（平均粒徑：2.34 nm）以及模擬多巴胺分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是該碳點(diǎn)不同于其他碳點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞核的原因.此外，Qu 等[92]以檸檬酸和間氨基酚為前體分子設(shè)計(jì)合成了含羅丹明類親脂陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)的碳點(diǎn)，所得到的碳點(diǎn)產(chǎn)物不僅具有羅丹明類親脂陽(yáng)離子的線粒體靶向性（圖11c），而且呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗光漂白性能，使其具有長(zhǎng)期線粒體成像和監(jiān)測(cè)線粒體變化的潛力，這為探索線粒體和診斷線粒體相關(guān)疾病方面提供了強(qiáng)力的手段.

圖10 a）皮間注射；b）靜脈注射；c）皮下注射

圖11 a）能檢測(cè)到熒光的細(xì)胞膜和細(xì)胞液；b）能檢測(cè)到熒光的細(xì)胞核；c）靶向線粒體的熒光碳點(diǎn)

3.4 藥物負(fù)載

碳點(diǎn)優(yōu)良的生物相容性和易降解的特點(diǎn)可以理想地滿足生物應(yīng)用的要求，另外，碳點(diǎn)表面豐富和可調(diào)諧的官能團(tuán)，如氨基、羧基或羥基等，賦予了碳點(diǎn)攜帶治療劑和靶向劑的能力，與適當(dāng)?shù)姆肿雍椭委熕幬镦溄幽軌虍a(chǎn)生熱敏納米醫(yī)學(xué)效應(yīng).同時(shí)，碳點(diǎn)的熒光性能提供了動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)藥物分布和反應(yīng)的機(jī)會(huì).Zheng 等[93]以牛血清白蛋白為原料通過(guò)溶劑熱反應(yīng)制備了空心的碳點(diǎn)（圖12），負(fù)載了具有熒光活性的阿霉素作為模型抗癌藥物，形成了雙發(fā)射給藥系統(tǒng).結(jié)果表明，該給藥系統(tǒng)能被細(xì)胞迅速吸收并通過(guò)調(diào)節(jié)pH 釋放阿霉素. Lin 等[94]以葉酸為原料采用“一鍋法”原位制備了熒光介孔硅- 碳點(diǎn)（MSNs-CDs），該策略結(jié)合葉酸基團(tuán)對(duì)癌細(xì)胞的靶向作用和介孔硅納米顆粒大的比表面積與孔體積的獨(dú)特性質(zhì)，形成了一種很有應(yīng)用潛力的給藥系統(tǒng).Sun 等[95]利用檸檬酸和聚烯多胺熱解合成的碳點(diǎn)負(fù)載奧沙利鉑（一種抗腫瘤藥物），注射到被異種移植的小鼠體內(nèi)，以藍(lán)光為激發(fā)源，利用體內(nèi)光學(xué)成像系統(tǒng)成功觀察到了藥物的動(dòng)態(tài)分布.如圖13所示，通過(guò)碳點(diǎn)的熒光成像，可以清楚地看到異種移植模型地腫瘤不斷變小.

圖12 空心碳點(diǎn)TEM 圖譜

圖13 碳點(diǎn)負(fù)載抗癌藥物及其在小鼠中治療效果

3.5 探針檢測(cè)

生物體內(nèi)某些特定物質(zhì)與生命活動(dòng)息息相關(guān)，可以作為標(biāo)志物用于評(píng)估生物體的健康水平.過(guò)氧化氫（H2O2）是活性氧家族的重要成員，在生物體中起著至關(guān)重要的作用，因此，檢測(cè)H2O2并闡明其生物學(xué)功能已成為生物和生物醫(yī)學(xué)研究的重要領(lǐng)域.Wu等[96]通過(guò)共價(jià)連接線粒體靶向配體（三苯基膦，TPP）和H2O2識(shí)別基團(tuán)（PFL）到碳點(diǎn)上，制備了基于FRET 的靶向線粒體H2O2比率的熒光納米探針，用于活細(xì)胞中線粒體的成像并檢測(cè)H2O2的含量.

細(xì)胞的氧化還原態(tài)在生命活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用，調(diào)節(jié)著細(xì)胞功能的各個(gè)方面.谷胱甘肽（GSH）是影響細(xì)胞內(nèi)氧化還原態(tài)的重要因素，細(xì)胞內(nèi)的GSH 濃度反映出細(xì)胞的氧化還原狀態(tài).Yang 等[97]設(shè)計(jì)了一種基于碳點(diǎn)的復(fù)合微球探針，基于GSH 與二硫鍵的交換反應(yīng)和碳點(diǎn)聚集淬滅效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)二硫鍵的交聯(lián)密度可改變碳點(diǎn)釋放所需的GSH 濃度，從而制備出一系列具有不同GSH 濃度響應(yīng)的復(fù)合微球探針，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)GSH 濃度的測(cè)量.

在生物系統(tǒng)中，特別是對(duì)活細(xì)胞來(lái)說(shuō)，極性是建立和維持活細(xì)胞正常生理功能的重要參數(shù).極性的異常變化通常與生物體的疾病有關(guān)，表明了細(xì)胞的生理狀態(tài).但極性的測(cè)量需要計(jì)算一系列的非共價(jià)相互作用，包括偶極/極化率和氫鍵，存在較大挑戰(zhàn).除此之外，細(xì)胞自噬是由稱為自噬體的細(xì)胞器介導(dǎo)的過(guò)程，在饑餓或應(yīng)激過(guò)程中，細(xì)胞質(zhì)中折疊不當(dāng)?shù)牡鞍踪|(zhì)和功能失調(diào)的細(xì)胞器會(huì)被分解為氨基酸和脂肪酸，進(jìn)而進(jìn)行代謝.這一過(guò)程涉及多種功能和人類疾病，迄今為止，還缺乏能夠以無(wú)毒和原位的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自噬活動(dòng)的方法.最近，Huang 等[98]開(kāi)發(fā)了一種具有高靈敏度的聚合物碳點(diǎn)，在不干擾細(xì)胞狀態(tài)的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞極性的可視化，且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)細(xì)胞自噬變化.如圖14 所示，富營(yíng)養(yǎng)素（正常）細(xì)胞紅、綠通道的熒光圖像和熒光強(qiáng)度在不同時(shí)間保持不變（圖14a-e），表明細(xì)胞極性在這種情況下保持相對(duì)穩(wěn)定.然而，細(xì)胞中的紅色熒光分布隨時(shí)間（圖14f-j）減少，伴隨著饑餓細(xì)胞綠色熒光強(qiáng)度的增加，提示自噬過(guò)程中活細(xì)胞極性的降低.在自噬抑制組中，這些細(xì)胞的熒光強(qiáng)度基本保持不變（圖14k-o）.結(jié)果表明，自噬過(guò)程中活細(xì)胞的極性會(huì)降低.

圖14 a-e）富營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞（對(duì)照組）；f-j）饑餓細(xì)胞（自噬組）；k-o）自噬抑制組

3.6 血腦屏障的穿過(guò)及腦部疾病診療

體外研究表明，某些碳點(diǎn)能有效抑制胰島素顫動(dòng)，這與神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關(guān)[99].然而，由于血腦屏障（BBB）的存在，內(nèi)皮細(xì)胞之間緊密連接會(huì)抑制治療藥物進(jìn)入大腦病理組織，因此將藥物輸送到大腦仍然是一個(gè)較大的醫(yī)學(xué)挑戰(zhàn).幸運(yùn)的是，BBB 中的緊密連接區(qū)域具有4-6 nm 的間隙.因此，尺寸為4 nm 左右的納米粒子，如碳點(diǎn)，可能通過(guò)這些間隙穿過(guò)BBB[100].另外，納米粒子進(jìn)行BBB 穿透的另一個(gè)重要因素是其靜電電荷，陽(yáng)離子分子可能占據(jù)BBB 內(nèi)皮的陰離子區(qū)域，從而增加內(nèi)皮細(xì)胞通透性[101].因此，通過(guò)設(shè)計(jì)合適尺寸且含有陽(yáng)離子的碳點(diǎn)，有望實(shí)現(xiàn)突破血腦屏障，為腦部疾病的診斷和治療提供了便利.

作為一種陽(yáng)離子大分子，聚乙烯亞胺可以使碳點(diǎn)表面在生理?xiàng)l件下具有正電荷，從而提高生物膜的滲透性.在此背景下，Lu 等[102]以聚乙烯亞胺和檸檬酸為碳源，通過(guò)水熱法合成了氮摻雜碳點(diǎn)（N-CDs，平均粒徑～2.6 nm）.在紫外光照射下，N-CDs發(fā)出強(qiáng)烈的藍(lán)色發(fā)光，量子產(chǎn)率高達(dá)51%.對(duì)BBB 穿透的模型研究結(jié)果表明，N-CDs可以成功穿透BBB，但存在一定的濃度和時(shí)間依賴性（圖15）.

圖15 N-CDs 合成路線及其形貌信息

缺血性腦卒中發(fā)作時(shí)會(huì)形成血栓，需要進(jìn)行各種治療，以解開(kāi)閉塞的血管.然而，溶栓再灌注后，由于BBB 完整性的損害，可能發(fā)生顱內(nèi)出血.通過(guò)將溶栓劑與熒光材料結(jié)合，為評(píng)估缺血性腦卒中后BBB 的早期損傷提供一種簡(jiǎn)便的方法.最近，Qu 等[103]報(bào)道了一種新型的蛋白質(zhì)- 碳點(diǎn)納米雜化物，通過(guò)共價(jià)鍵將溶栓劑摻入到碳點(diǎn)上，用于大腦中動(dòng)脈閉塞小鼠的腦成像（圖16）.結(jié)果表明，CDs 可以成功用于評(píng)估BBB 損傷和出血風(fēng)險(xiǎn)，從而指導(dǎo)進(jìn)一步的治療，并且碳點(diǎn)可作為載體提供溶栓劑實(shí)現(xiàn)對(duì)缺血性腦卒中的治療.

圖16 碳點(diǎn)在缺血性腦卒中的應(yīng)用

3.7 光診療

光診療有望成為一種新興并擁有極大應(yīng)用前景的腫瘤診療手段，可以在精準(zhǔn)靶向癌細(xì)胞的同時(shí)，完成腫瘤細(xì)胞的殺滅，光診療主要包括光動(dòng)力療法（PDT）和光熱療法（PTT）.在PDT 過(guò)程中光敏劑被特定波長(zhǎng)的激光照射并激發(fā)，激發(fā)態(tài)的光敏劑可以產(chǎn)生對(duì)癌細(xì)胞具有毒性的單線態(tài)氧，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的治療.PTT 過(guò)程中，光熱劑吸收特定波長(zhǎng)的光產(chǎn)生局部熱量，殺傷癌細(xì)胞.

在體內(nèi)光診療過(guò)程中，通過(guò)體內(nèi)組織的光的穿透能力與其波長(zhǎng)相關(guān)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光能夠穿透更深組織并能有效屏蔽生物自身熒光的干擾.Callan 等[68]設(shè)計(jì)了一種與光敏劑原卟啉IX 相連的碳點(diǎn)，通過(guò)FRET（熒光共振能量轉(zhuǎn)移）介導(dǎo)的方式，在800 nm 激發(fā)波長(zhǎng)下發(fā)出上轉(zhuǎn)換熒光，激發(fā)光敏劑，進(jìn)而產(chǎn)生大量單線態(tài)氧，從而殺死較深層組織的腫瘤細(xì)胞（圖17a）.Zhang 等[104]合成出一種新的近紅外熒光劑，同時(shí)摻雜氮和硼的石墨烯量子點(diǎn)（N-B-GQDs）. 該碳點(diǎn)具有較小的尺寸（～5 nm），在血清中高度穩(wěn)定，并且在1 000 nm 處有峰值熒光發(fā)射和高的光穩(wěn)定性.除了近紅外區(qū)成像能力之外，N-B-GQDs在外部NIR 光源照射下能夠有效吸收NIR 光并將其轉(zhuǎn)化為熱能，這表明其擁有光熱治療的潛力.結(jié)果表明，N-B-GQDs 能夠在體外殺死癌細(xì)胞并完全抑制異種移植小鼠模型中的腫瘤生長(zhǎng)（圖17c），同時(shí)該碳點(diǎn)在小鼠體內(nèi)具有安全性、延長(zhǎng)血液半衰期和快速排泄等特點(diǎn)，有利于在體內(nèi)生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用.

圖17 a）攜帶光敏化劑的碳點(diǎn)；b）熒光圖譜；c）腫瘤移植小鼠光熱治療效果

4 結(jié) 論

作為一種新型的碳納米材料，碳點(diǎn)具有優(yōu)良的光學(xué)特性、良好的生物相容性和低毒性等優(yōu)點(diǎn)，在生物領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的研究，是一類極具發(fā)展?jié)摿Φ奶蓟|(zhì)材料.未來(lái)工作中，碳點(diǎn)領(lǐng)域仍存在以下幾個(gè)方面需深入探索：1）分門(mén)別類探索不同碳源和合成方法得到碳點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)和發(fā)光機(jī)制；2）不同結(jié)構(gòu)碳點(diǎn)熒光行為的共性研究及其光物理學(xué)探索；3）發(fā)展高亮度和高熒光效率的碳點(diǎn)材料；4）發(fā)展具有紅色和紅外光發(fā)射的熒光碳點(diǎn)；5）碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)的精確控制；6）碳點(diǎn)材料的大規(guī)模合成及其在聚合物加工等領(lǐng)域的應(yīng)用探索；7）碳點(diǎn)材料在生物成像和腫瘤診療中的應(yīng)用及其生物毒性等性質(zhì)的深入探索.