熒光碳量子點的制備與生物醫學應用研究進展

郭振振，唐玉國，孟凡渝，李 力，楊大威

(中國科學院 蘇州生物醫學工程技術研究所 生物醫學檢驗技術重點實驗室，江蘇 蘇州 215163)

1 引 言

近年來，碳基納米材料，如碳納米管[1-2]、石墨烯[3-5]、富勒烯[6-7]以及納米金剛石[8-9]備受人們的關注。然而，納米金剛石制備、分離方法難度大；石墨烯和碳納米管水溶性差，在可見光區域難以提供較強的熒光，這些都大大限制了它們的應用。碳基量子點是一類新型零維碳基納米材料，主要包括石墨烯量子點和碳量子點兩類。截至目前，研究人員在碳量子點的合成及應用方面做了許多工作并取得了重要進展[10]。

石墨烯量子點擁有石墨烯晶格，通常具有10層以內的石墨結構[11]，是優秀的電子供體和受體[12]，被廣泛應用于光電檢測和太陽能電池。石墨烯量子點作為一種優異的導電材料在電化學生物傳感器制造方面也有重要應用；層數較少的石墨烯量子點具有類似碳量子點的熒光特性。此外，控制石墨烯的層數有助于石墨烯量子點向碳量子點轉變[13]。碳量子點是一類直徑小于10 nm的類球形碳納米顆粒。核磁共振測試結果證實：碳量子點的內部主要由sp2雜化的碳原子組成，外部由sp3雜化的碳原子組成[14]。與宏觀黑色、難溶碳材料相比，碳量子點因表面富含豐富的親水基團而具有良好的水溶性。碳量子點最吸引人的是它的熒光特性。此外，碳量子點與電子受體或供體發生光誘導電子轉移會導致熒光猝滅[15]。與商業染料和傳統半導體量子點[16]相比，碳量子點有許多優點，例如：在可見光區域有較強的熒光，良好的水溶性，較低的毒性，耐光漂白，易于合成，表面容易修飾，等等。因此，碳量子點一經發現便成為明星納米材料，在生物傳感[17-18]、生物成像[19-21]、藥物傳遞[21-23]等領域獲得廣泛應用。

本文介紹了碳量子點的合成及性質并對其進行了深入討論，概述了一些典型的生物醫學應用案例。我們希望通過研究并了解其性能和機理，為將來潛在的生物醫學應用提供參考。

2 碳量子點的合成

目前，碳量子點的合成方法眾多。研究人員仍在尋找簡單、廉價、尺寸可控、易于大規模制備高質量碳量子點的方法。根據碳源到最終產物變化性質的不同，合成方法可分為物理方法和化學方法。根據原料和產物的關系，可概括為自上而下法和自下而上法。

2.1 自上而下法

自上而下法制備碳量子點主要是指采用物理或化學手段把大塊碳材料切割成小的納米顆粒，如切割碳納米管、石墨棒、石墨烯、碳粉等。主要包括電化學法、化學氧化法、激光銷蝕法等方法。

2.1.1 電化學法

電化學法的優點是成本低、易操作[24-27]。碳納米管和石墨是制備電極的理想材料[28-32]，因此常用作電化學法的碳源。Zhou等人[33]發明了一種將多壁碳納米管轉化為碳量子點的方法。將濃度為0.1 M的四丁基高氯酸銨的乙腈溶液經脫氣處理后作為電解液，表面沉積碳納米管的碳紙制成工作電極，Pt絲為對電極，Ag/AgClO4為參比電極，施加一個循環電壓，溶液由無色逐漸變為黃色，最終變為深褐色，紫外燈照射后發出藍色熒光，表明碳量子點的形成。為了得到不經任何分離過程而尺寸均一的碳量子點，Bao等人[34]發展了一種可調節系統用于電化學刻蝕碳纖維。通過簡單調節工作電極的電壓，便可得到無需純化，尺寸可控的碳量子點。另外，Shinde等人[35]也采用電化學方法合成了尺寸可控的碳量子點，在90 ℃、LiClO4的碳酸丙二酯溶液中，以多壁碳納米管為原料，電化學合成了尺寸為3、5、8.2 nm的碳量子點。這種方法是在無水環境中進行，并且不需要任何分子封端劑，方法簡單，易于分離。

2.1.2 化學氧化法

化學氧化法在大規模制備目標物中，是一種簡單、高效的方法。Sun等人[36]將干凈的頭發加入到濃H2SO4溶液中，分別在40、100、140 ℃情況下加熱24 h。溶液顏色由無色逐漸變為棕色，表明S和N共摻雜的碳量子點的形成。進一步研究發現，S和N是以不同的形式束縛在納米粒子骨架中。隨著反應時間的延長，納米粒子的平均直徑、量子產率、元素成分以及光學性質也相應地改變。Qiao等人[37]運用直接化學氧化法制備了具有生物相容性的碳量子點。他們選取了3種具有代表性的商業活性炭(分別由煤塊、木頭、椰殼活化而成)作為碳源，經過硝酸刻蝕，比較容易的得到了碳量子點。最后，氨終端的化合物被用于鈍化碳量子點。最終由3種碳源衍生的碳量子點具有相似的窄的尺寸分布，同時具有較強的熒光發射。

2.1.3 激光銷蝕法

激光銷蝕法合成碳量子點主要是利用激光的高溫高壓對碳靶進行刻蝕。Sun等人[38]通過熱處理石墨粉和水泥的混合物制備了碳靶，然后在氬氣水蒸氣氣氛、900 ℃和75 kPa條件下，通過激光刻蝕碳靶制備了沒有熒光的碳納米粒子。隨后在硝酸溶液中回流，再用聚乙二醇(PEG1500N)或者聚丙乙烯亞胺-聚乙烯亞胺(PPEI-EI)進行鈍化，得到了尺寸約5 nm的具有強熒光性能的碳量子點。此外，Hu等人[39]創造性的開發了一種一步法激光銷蝕合成碳量子點的方法。他們運用激光照射懸浮在有機溶劑中的石墨粉，碳量子點的形成與表面修飾過程同時完成，通過選擇合適的溶劑，合成了具有不同熒光特性的碳量子點，測試結果表明熒光來源于碳量子點表面的羧基配體。

2.2 自下而上法

自下而上法是把有機前驅體作為種子在一定條件下生長形成碳量子點。微波、直接加熱及超聲波是常見的能使分子能量聚集和結構轉變的能量來源方式。碳源的選擇多種多樣，葡萄糖、蔗糖、檸檬酸、氨基酸甚至食物殘渣均可作為碳源制備碳量子點。

2.2.1 微波輔助合成法

微波是一種具有較寬波長范圍的電磁波，從1 mm到1 m，被廣泛應用到日常生活和科學研究中。與激光類似，微波可以提供較高的能量來破壞物質的化學鍵。微波反應是一種高效合成碳量子點的方法，可以大大縮短反應時間。一般微波輔助合成包括碳源的熱解和表面功能化過程[40-41]。

Wang等人[42]以雞蛋殼薄膜灰為原料，首次通過微波輔助法合成了碳量子點(圖1)。雞蛋殼薄膜是一種富含蛋白質的生活廢棄物，廉價易得。微波反應時，雞蛋殼薄膜灰中的電子在切換電場下劇烈旋轉、振動，許多微小的碎片脫落、聚集、生長成一定尺寸的顆粒。之后，在堿性高溫條件下，顆粒進一步氧化、鈍化，最終得到性能優異的碳量子點。這種方法成本低廉、資源節約、環境友好、利于推廣。

圖1 微波輔助合成CDs的示意圖[42] Fig.1 Schematic way of a microwave-assisted process to form carbon nanodots[42]

2.2.2 熱解法

熱解法常用于合成不同的半導體和磁性納米材料。研究表明，在高溫條件下通過熱解或者碳化含碳的前驅體同樣可以制備碳量子點。這種方法通常需要高濃度的堿或酸將含碳的前驅體裂解成納米級粒子。所用的碳源來源廣泛，西瓜皮、柚子皮、橘子汁、抗壞血酸和殼聚糖都可作為碳源。通過改變反應參數，比如，反應溫度、回流時間以及混合物的pH就可以達到優化碳量子點光學性能的目的。

Wang等人[43]將碳的前驅體(如檸檬酸)注入熱的非配位溶劑十八烯中，合成了油溶性的碳量子點，量子產率高達53%，可以保持至少2個月穩定不變。Liu等人[14]報道了一種利用蠟燭燃燒產生的煙灰制備碳量子點的方法。將燃燒得到的煙灰與氧化性酸(硝酸)反應，使碳量子點表面引入-OH和-COOH基團，顆粒分散性及水溶性得到改善，再經離心、透析處理，得到了具有多色熒光發射的碳量子點。Zhu等人[44]以檸檬酸和乙二胺為原料，兩者先形成聚合物狀碳量子點，再經碳化形成碳量子點。反應包括離子化、脫水、聚合、碳化等過程。

2.2.3 超聲合成法

超聲可以使液體的內部產生交替的高壓、低壓環境，這種空化作用具有較高的能量，既可以粉碎較大顆粒的碳源，又可以促進化學反應的進行。在一定頻率的超聲輻射下，有機分子經過脫水、聚合、碳化，最終可得到碳量子點。2011年，Li等人[45]以葡萄糖為原料，超聲法一步合成碳量子點。Park等人[46]報道一種綠色大規模制備碳量子點的方法，以廢棄食物為原料、在室溫和40 kHz超聲。經過脫水、聚合、碳化成核、核表面生長等過程，最終從100 kg廢棄食物中得到了120 g碳量子點。

2.2.4 其它方法

最近，Deng等人[47]用乙醇為原料，采用電化學法合成了碳量子點。與傳統的電化學法切割機理不同，這種方法得到的碳量子點更加無序，形狀更不規則，表明這完全是一種新的路線，其中的機理尚不清楚，仍需要進一步探究。在堿性條件下，小分子醇類電化學法碳化合成的碳量子點具有較好的激發波長以及尺寸依賴性。Miao等人[48]在堿性環境下，以乙醇為碳源，采用電化學氧化法一步合成了性能優異的碳量子點并成功用于Fe3+的檢測，實驗原理如圖2所示。

圖2 電化學法合成碳量子點示意圖，灰星代表生成的碳量子點[48] Fig.2 Scheme of the electrochemical synthesis of carbon nanodots. Gray stars stand for the generated carbon nanodots[48]

2.3 表面修飾

熱解法、化學氧化法等方法制備的量子點一般沒有熒光或熒光量子產率很低，這就限制了碳量子點的進一步應用。為了獲得熒光穩定及量子產率高的碳量子點，對其表面進行修飾是非常必要的。表面修飾對碳量子點的熒光性質影響很大，是碳量子點實現功能化常用的手段。在修飾過程中，一些官能團(氨基、羥基和羧基)被引入到碳量子點的表面，使其具有更好的水溶性以及化學活性。Sun等人[38]首次采用PEG1500N對無熒光的碳量子點進行了修飾，修飾后熒光發射明顯，這主要是因為表面鈍化彌補了表面缺陷，使碳量子點表面能量陷阱的熒光發射趨于穩定。之后，各種生物大分子或功能小分子被連接到碳量子點表面，以此提高分析檢測或生物成像的特異性。

3 物理化學性質

碳量子點通常由C、H、N、O等元素組成。其中C、O因碳量子點含有豐富的羥基、羧基基團而含量較高。這些基團不僅使其具有良好的水溶性，而且為進一步功能化提供了可能。表征碳量子點的手段很多，可以提供碳量子點的詳細信息。圖3是一步微波法合成的碳量子點的TEM、XRD、Raman光譜以及FTIR光譜數據[49]。從TEM圖可得到碳量子點的粒徑信息，尺寸約3 nm。XRD數據顯示有兩個寬峰，是高度無序碳原子的特征峰，與石墨的晶格間距相近。Raman光譜中，1 575 cm-1處的G帶是sp2雜化碳的平面振動峰，1 365 cm-1處的D帶與sp3缺陷有關。ID/IG=0.86，表明碳量子點的石墨化程度很高。FTIR數據可以得到碳量子點表面官能團信息。1 350～1 460 cm-1、1 600～1 770cm-1和3 100～3 500cm-1處的寬吸收帶分別歸屬于δ(CH2)、ν(C=O)和νκ(O-H)/ν(N-H)的振動峰。

3.1 吸收及熒光性質

碳量子點的發射峰窄而對稱，連續分布，重疊小，在可檢測到的光譜范圍內同時使用多個探針，發射光譜也不會出現交疊，使生物分子的多組分分析檢測變得容易。而傳統的有機熒光染料的發射峰不僅寬，而且不對稱，拖尾嚴重，互相重疊嚴重，容易互相干擾，給分析檢測帶來困難。

碳量子點通常在紫外區域中有明顯的吸收峰，吸收帶260～320 nm。經過表面鈍化后，吸收峰可能會紅移。激發波長依賴性或獨立性是碳量子點熒光發射最具吸引力的特性之一，這與核和表面態相關的發射有關[50]。到目前為止，碳量子點的熒光機理尚未完全清楚。Zhao等人[51]的研究表明碳量子點對激發波長依賴性的特點是由碳量子點尺寸不同造成的。在不同激發波長下，不同發射位點獲激而發射熒光，這也是碳量子點熒光發射具有波長依賴性的原因[52]。

圖3 碳量子點的(a)TEM圖，(b)XRD圖，(c)拉曼光譜，(d)紅外光譜圖[49] Fig.3 (a)TEM image, (b)XRD patterns, (c)Raman spectrum, and (d)FTIR spectrum of the carbon nanodots[49]

量子產率(QY)是表征物質熒光性質的重要參數[53]。據報道，裸的碳量子點顯示出多色熒光發射的特點。然而，這種碳量子點的QY通常非常低。為了提高QY，研究人員已嘗試了多種方法，例如：鈍化[54]，摻雜其它元素[55]等。Sun等人[38]利用氨封端的低聚物PEG(PEG1500N)或(聚丙酰亞乙基亞胺-共-乙烯亞胺)(PPEI-EI)對碳量子點進行功能化。結果碳量子點發出明亮的熒光(QY：4%～10%)。一些小組[56-57]提出了用NaBH4處理碳量子點來提高QY的方法。另外，通過調整合成路線，發射光范圍可以實現從可見到近紅外(NIR)光譜范圍。NIR具有較強的組織穿透能力，因此，碳量子點的NIR熒光發射特別適合于生物樣品的成像。此外，碳量子點的熒光可以被電子受體或供體淬滅。光誘導電子轉移特性使碳量子點在能量轉換中有了新的應用。

3.2 化學發光和電化學發光

電化學發光(ECL)技術由于靈敏度高，設備簡單，線性范圍寬，廣泛用于量子點的研究。由于碳量子點的ECL行為與量子點的ECL類似，碳量子點的ECL發射應用不斷增多。Ding小組[60]在堿性條件下，碳量子點表面上還原硝酸銀制備了銀-碳量子點復合材料。該復合材料可利用ECL發射作為輸出信號用于生物傳感。納米復合材料表面上的銀元素可以選擇性地與目標S2-離子相互作用，從而極大地影響碳量子點的ECL性能。

3.3 上轉換光致發光(UCPL)

短波長光激發，發射出長波長的熒光，這種現象符合斯托克斯定律。而UCPL是指用長波長光激發，發射出的熒光波長較短，這種現象違反了斯托克斯定律，稱為反斯托克斯位移。這主要歸因于多光子激發過程，在這個過程中，兩個或多個光子被同時吸收，導致發射出比激發波長更短的熒光。Li等人[24]以石墨棒為工作電極，電化學法制備出了碳量子點，當激發波長為500～1 000 nm時，發射峰為325～425 nm，表現出明顯的上轉換熒光特性。Sun課題組[61]在制備碳量子點的過程中摻雜了氧化鋅和硫化鋅，獲得的碳量子點具有上轉換熒光特性，800 nm激發下，發射出綠色熒光。

3.4 類過氧化物酶活性

研究發現，碳量子點與鉑納米顆粒和Fe3O4納米顆粒類似，也具有類過氧化物酶活性[62]，在H2O2存在下可以用于催化氧化3,3′,5,5′-四甲基聯苯胺(TMB)。Shi等人[63]在比色傳感器中利用該特性產生的顏色變化檢測葡萄糖。

3.5 毒性

長期以來，許多研究小組對碳量子點的毒性進行了大量實驗。Ray等人[64]使用MTT和臺盼藍測定法評估碳量子點處理后的細胞活性。當碳量子點濃度高達0.5 mg/mL時，細胞存活率仍可達到75%，這表明毒性作用有限。Song等人[65]比較了未改性的CdTe量子點、金納米粒子以及碳量子點對生物系統(如細胞和綠色豆芽)的毒性效應，結果表明，碳量子點是三者中毒性最小最具生物相容性的材料。

4 生物醫學應用

4.1 生物傳感

碳量子點優異的熒光性質被廣泛用于各種目標物的熒光分析檢測，如各種金屬離子、陰離子、葡萄糖、H2O2和生物大分子(如蛋白質)。

汞離子(Hg2+)是一種重金屬離子，會造成嚴重的環境污染[66]。離子積聚在器官和組織中會導致多種疾病。Hou等人[67]以檸檬酸鈉和尿素為原料制備的碳量子點，可以對Hg2+選擇性淬滅，檢測限可達3.3 nM。錫離子(Sn2+)是另一種重金屬離子，也會對環境和人體造成危害。Yazid等人[68]報道了通過淬滅從西米淀粉脫水得到的碳量子點來檢測Sn2+的生物傳感器。Fe3+和碳量子點形成的復合物會導致較強的熒光猝滅，可以以此檢測Fe3+。Zhao等人[69]開發了另一種以碳量子點作為化學發光探針用于Fe3+檢測的生物傳感器。Fe3+作為氧化劑會使多胺功能化的碳量子點空穴增多，導致碳量子點產生的化學發光信號顯著增強。

過氧化氫(H2O2)是參與細胞增殖，信號傳導，衰老和死亡的最穩定的活性氧(ROS)之一[70-71]。然而，過量的H2O2會對中樞神經系統造成傷害，導致多種疾病的發生。Liu等人[72]通過使用碳量子點催化的銀納米顆粒(AgNPs)實現了非酶檢測H2O2。研究發現，氮摻雜的碳量子點具有還原性，可催化還原Ag+形成復合材料，與普通AgNPs相比，其還原H2O2的催化活性更好。制備的納米復合材料可用于靈敏地檢測H2O2，檢測限達到了0.5 μM。

水溶性脂族伯胺主要由氨基酸和蛋白質降解而來，廣泛存在于環境中。由于它們是辛辣的刺激性氣體，可能會對人體皮膚、眼睛等造成傷害。Lin小組[73]發現，碳量子點能夠極大提高過氧硫酸氫鉀-亞硫酸鈉-鹽酸(PSHA)反應的化學發光強度。這種現象源于該系統的能量轉移和電子傳遞湮滅效應，可用作脂族伯胺的檢測器(圖4)。

圖4 基于碳量子點增強的化學發光反應機理圖[73] Fig.4 Possible CL reaction mechanisms enhanced by carbon nanodots[73]

圖5 碳量子點用于夾心式凝血酶檢測[77] Fig.5 Schematic representation of the sandwich-based thrombin detection using carbon nanodots[77]

適配體是一種以強親和力靶向不同分析物的單鏈DNA或RNA[74-76]。Xu等人[77]開發了一種用于凝血酶檢測的適體傳感器(圖5)。凝血酶是特異性絲氨酸內切蛋白酶，是病理過程中的關鍵酶。它含有多個適配體結合位點。文中設計了兩種氨基修飾的凝血酶適體，分別在二氧化硅納米顆粒和碳量子點上進行了改性。兩者都可以通過形成分子內G-四鏈體來識別凝血酶。在0至100 nM有較好的線性關系，檢測限為1 nM。

金納米顆粒(AuNPs)是一類應用廣泛的貴金屬納米材料[78-82]，碳量子點和AuNPs之間會發生熒光共振能量轉移(FRET)，導致熒光猝滅。Qaddare等人[83]利用這一原理用于超靈敏檢測HIV。如圖6所示，在實驗中，表面連有ssDNA探針的碳量子點與AuNPs發生FRET，熒光發生猝滅。當加入目標ssDNA后，AuNPs與探針ssDNA分離，AuNPs暴露出來，熒光得到恢復。

圖6 碳量子點用于DNA檢測。由組氨酸碳化得到的碳量子點被探針ssDNA包裹后加入AuNPs，發生熒光猝滅。目標ssDNA存在時，熒光恢復[83] Fig.6 DNA detection of carbon nanodots/AuNPs. The PL of carbon nanodots, prepared upon the carbonization of histidine and further coated with probe ssDNA is quenched upon addition of AuNPs. The fluorescence can be recovered in the presence of target ssDNA[83]

4.2 生物成像

熒光顯微鏡的分辨率，靈敏度和通用性主要取決于熒光探針的性質。因此，選擇合適的探針對于生物成像是十分重要的。碳量子點是理想的材料，有很多優勢。首先，碳量子點具有低毒性和低副作用，適用于生物系統。第二，高穩定性和明亮的熒光，在實驗中只需要少量的碳量子點來產生信號。第三，優良的水溶性，避免了對其復雜的表面改性。第四，具有近紅外發射特性，是深層組織樣品成像的理想材料。

Na等人[84]制備的碳量子點在450 nm處發出明亮的熒光，用于凝膠上的人血清蛋白成像。經過聚丙烯酰胺凝膠電泳(PAGE)后，用乙酸稀釋的碳量子點溶液直接孵育染色蛋白質。該方法提供了簡單的染色步驟，背景干擾小，分辨率高，是一種可靠的蛋白成像方法。

Zhu等人[85]制備了雙光子“turn-on”熒光探針，用于活細胞和組織中的硫化氫成像。由于碳量子點具有大的雙光子吸收截面，因此，碳量子點被作為熒光團。它們能夠被AE-TPEA-Cu2+復合物(AE-TPEA=N-(2-氨基乙基)-N，N，N′-三(吡啶-2-基甲基)乙烷-1,2-二胺)淬滅。然而，H2S和Cu2+之間的相互作用，從TPEA結合位點釋放出Cu2+，消除了淬滅效應。檢測限低至0.7 μM，實現了活細胞和組織中H2S的“turn-on”雙光子熒光成像。

Hsu等人[86]做了碳量子點用于LLC-PK1細胞成像的實驗，觀察到了綠色熒光，發現碳量子點可能通過內吞作用內化到細胞中。同時，高的細胞存活率也證實了材料的低毒性。

為了進一步減輕高濃度納米材料的細胞毒性，Chandra等人[87]將碳量子點嵌入在PEG基質中以降低由納米材料產生的活性氧。此外，PEG鈍化過程并不影響碳量子點的尺寸，并且碳量子點的光學性質也保持不變。孵育4 h并內吞入細胞后，可以觀察到來自細胞質的強熒光。

目前，研究人員在目標成像方面已經做了許多工作。Song等人[88]將葉酸與碳量子點結合，用于區分葉酸-受體-陽性癌細胞與正常細胞。碳量子點的受體介導內吞作用提供了更準確和更具選擇性的癌癥診斷方法。

在最近的研究中，兩親性的碳量子點被應用到多色細胞成像中[89]。長鏈烴修飾的碳量子點摻入脂質囊泡，隨后通過內吞途徑進行細胞。圖7描繪了共聚焦熒光顯微成像，證明CDs成功地內化到細胞中，它們均勻的分布在細胞質、細胞核等細胞環境中。

圖7 兩親性碳量子點應用于細胞成像。(a)是中國倉鼠卵巢上皮細胞明場圖，(b)、(c)、(d)分別是405、488、561 nm激發下的共聚焦熒光顯微成像圖[89] Fig.7 Amphiphilic carbon nanodots employed in cell imaging. Bright-feld image(a) and confocal fluorescence microscopy images of epithelial Chinese hamster ovary(CHO) cells incubated with amphiphilic C-dots. The confocal fluorescence microscopy images were recorded at excitation of 405 nm(b), 488 nm(c) and 561 nm(d)[89]

4.3 藥物遞送

目前，碳量子點作為裝載和釋放藥物的多功能載體的應用已有一些報道[90-91]。優點：快速的細胞攝取、優異的生物相容性、明亮的熒光、高的化學穩定性和對藥物活性的較小影響。

He等人[92]成功將碳量子點封裝在金屬-有機骨架的亞類沸石咪唑化合物框架中，通過改變碳量子點和前體的濃度來優化納米復合材料的熒光性能和尺寸，然后將其作為pH響應藥物5-氟尿嘧啶的載體，運載到癌細胞。在中性和酸性環境中可觀察到不同的釋放效率。該藥物的藥理活性也被證明是令人滿意的，同時表明了碳量子點這種納米材料在生物醫學傳遞平臺中的潛在用途。

Tang等人[93]開發了基于FRET的碳量子點藥物遞送系統。碳量子點作為FRET的供體，同時也攜帶藥物。由于供體與受體之間的距離顯著影響FRET信號，因此可以實時靈敏地監測碳量子點中阿霉素等藥物的釋放情況[94]。此外，65～300 μm深度的腫瘤組織的雙光子成像結果顯示，此藥物傳遞系統有望提高成像的靈敏度和治療效果。

最近，Gao等人[95]報道了聚乙烯亞胺修飾的碳量子點(P-CD)與透明質酸共軛的阿霉素(HA-Dox)通過靜電自組裝形成P-CDs/HA-Dox復合物用于質酸酶的檢測、自身靶向成像和藥物遞送。如圖8所示，在生理環境中表現為弱發射。通過利用透明質酸對CD44受體(一種細胞膜糖蛋白)的高親和力在許多癌細胞過表達，P-CD / HA-Dox能夠靶向滲入癌細胞，隨后被透明質酸酶激活。結果，HA-Dox被消化成許多小片段，導致Dox的釋放，從而恢復P-CD的熒光。

圖8 PEI-CDs / HA-Dox的形成和用于靶向癌細胞成像和藥物遞送的納米探針的示意圖[95] Fig.8 Schematic illustration of the formation of PEI-CDs/HA-Dox, and the nanoprobe used for targeted cancer cell imaging and drug delivery[95]

5 總結與展望

在這篇綜述中，我們回顧了碳量子點的最新研究進展，重點是其合成、功能化、光學性能和生物醫學應用。目前，研究人員已經做了很多努力，并取得了一定進展。各種溫和的合成方法廣泛應用于碳量子點的制備中。然而，合成具有精確原子結構的碳量子點仍是一個挑戰。精確的原子結構有助于明確碳量子點結構和性質之間的關系以及熒光產生的機理并對下一步的應用產生指導意義。此外，文獻報道的多是發射藍色及綠色熒光的碳量子點，對單純發射紅色熒光的報道相對較少且量子產率普遍不高。而長波長的熒光不僅具有更強的組織穿透能力，還可減少來自自體熒光的干擾，更有利于生物醫學方面的應用。因此，合成高量子產率的紅色熒光、近紅外一區甚至近紅外二區的碳量子點將是未來研究的一個方向。另外，碳量子點的低毒性得到了許多實驗的證明，但是對碳量子點的降解和累積的抗性可能導致的代謝紊亂研究不足。因此，體內應用可能需要更深入的研究。最后，合成中的形成機理和關鍵因素尚未完全了解，尺寸均一、性能可控的碳量子點的制備還需進一步探索。對碳量子點性能的研究以及對新的合成和表面改性方法的開發可以擴大碳量子點的生物醫學應用，其中在生物傳感，生物成像，藥物傳遞和治療方面的意義重大。

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