石墨烯量子點的制備及其在生物醫學領域的應用

萬志鵬

(江西師范大學 化學化工學院，江西 南昌 330022)

近年來，隨著研究的不斷深入，量子點在納米材料領域占據著特殊的地位，并取得了長足的進步。新型的零維碳納米材料石墨烯量子點(Graphene quantum dots，GQDs)，由于兼具石墨烯的獨特結構和碳量子點的邊界效應及量子限域效應更是備受關注[1-3]。GQDs具有優良的物理和化學性質，如無毒、可溶性、生物相容性、惰性及優異的光學、電學性質，使其在能量轉換、生物醫藥、傳感和催化等領域具有光泛的應用前景[4]。本文在基于GQDs最新研究進展的基礎上，綜述了GQDs的制備方法及其在生物醫學領域的應用。

1 石墨烯量子點的合成

石墨烯量子點的合成大體上可以分為自上而下和自下而上的方法，前者將大尺寸的石墨烯片、碳納米管、碳纖維或石墨切割形成納米級的GQDs，后者以有機小分子作為前驅體通過物理化學方法制備出GQDs。

1.1 水熱法

水熱法是制備GQDs的一種常用的方法，屬于自上而下的方法合成GQDs。Jindal等[5]采用水熱法合成了4～5納米、帶隙為3.2eV的GQDs，他們將石墨烯薄片粉末加入到30mL的濃硫酸和10mL的濃硝酸中氧化，然后將反應混合物在超聲波下處理12 h后用蒸餾水稀釋，之后進一步超聲處理后用NaOH中和，最后將混合物轉移到水熱高壓釜中在220℃下過夜反應，之后經冷卻、洗滌、干燥便得到GQDs。水熱法合成GQDs，量子產率高，但同時存在試劑消耗量大的問題。

1.2 微波輻射法

目前，微波輔助合成量子點因其反應時間短、環境友好、節能以及良好的控制等優點在納米材料領域應用較為廣泛。Zhuang等[6]報道了一種快速、干燥條件下的微波輔助路線合成GQDs的方法。他們將檸檬酸研磨獲得非常細的粉末后置于微波爐中，幾分鐘后取出用1.0mol/L的NaOH溶液溶解后放入透析袋中透析3天，便可得到GQDs。制備出的GQDs具有良好的溶解性、生物相容性、優異的光穩定性及可調的光致發光和較低的細胞毒性，能成功地用于細胞成像。

1.3 弧光放電法

弧光放電法是制備碳量子點(CDs)最早的方法[7]。Dey等[8]通過弧光放電法首次合成了硼摻雜的石墨烯量子點(B-GQDs)。石墨在H2He+B2H6氛圍下或者使用硼粉填充石墨電極通過電弧放電合成硼摻雜石墨烯。

1.4 電化學法

電化學法是以其他碳源作為工作電極來制備石墨烯量子點。Shinde等[9]以多壁碳納米管為原料通過電化學法制備出石墨烯量子點，以多壁碳納米管為工作電極，Pt箔和Pt線分別為對電極和參比電極，LiClO4作為電解質溶液，在不同時刻將正電位施加到工作電極上并在相應時間間隔內施加負電位后，將工作電極放入水中進行超聲處理，之后透析數天收集GQDs，除去Li離子及其他雜質。該方法可以通過簡單地使用大面積工作電極來擴大制備石墨烯量子點的規模。

1.5 其他方法

除了以上幾種方法之外，還有激光消蝕法[10-11]、化學氧化法等。雖然合成石墨烯量子點的方法較多，但各自具有不同的優缺點，如電弧放電法合成過程較為復雜，對產物的收集不利；激光消蝕法所用儀器昂貴[12]。所以，應當投入更多的努力以期開發出簡單、經濟環保、高量子產率的石墨烯量子點合成方法，為石墨烯量子點的廣泛應用打下基礎。

2 石墨烯量子點的應用

2.1 生物成像

傳統半導體量子點和有機熒光染料可以用于生物標記、生物成像[13-14]。但是它們都具有毒性，容易導致細胞死亡，因此限制了其在生物細胞成像等方面的應用。石墨烯量子點因其優異的光學特性和對細胞的低毒性，使其在生物成像領域具有廣泛的應用[15]。謝文菁等[16]通過在堿性條件下電解石墨棒得到氧化石墨烯(GO)，常溫下用水合肼還原GO并經過透析得到5～10 nm的GQDs。由于GQDs表面存在類似鄰苯二甲酰肼的基團和酰肼基團，使其能夠發出黃色熒光，量子產率達到14%，對細胞毒性低。將人體肺癌細胞和乳腺癌細胞進行人工培養后加入到制備得到的GQDs水溶液中孵育24 h后，經細胞活性比色檢測法(MTT檢測)測定發現GQDs具有良好的生物相容性，并表現出較低的細胞毒性，能有效用于細胞成像。Qu等[17]通過采取水熱路線改變溶劑(水、DMF、無溶劑)的方法合成了能夠發射多種顏色(藍色、綠色、黃色)的氮摻雜的石墨烯量子點，具有獨特的光學性質、低細胞毒性和良好的生物相容性，有望作為體外成像的潛在生物成像劑。

2.2 生物傳感

GQDs能夠通過能量共振轉移等形式與有機或無機物發生相互作用，使得GQDs熒光猝滅，根據這一原理可以制作生物傳感器。Shi等[18]報道了一種基于石墨烯量子點和金納米粒子(Gold nanoparticles ,AuNPs)對的新型熒光共振能量轉移(Fluorescence resonance energy transfer，FRET)生物傳感器，能夠用于金黃色葡萄球菌特異性基因序列的檢測。其機理是將捕獲探針固定在GQDs上，在AuNPs上結合報告探針，然后目標分子寡核苷酸與捕獲探針和報告探針共雜交形成一種夾心結構，使GQDs和AuNPs緊密接觸以觸發FRET效應，熒光能量從GQDs轉移至AuNPs，通過測定熒光猝滅效率可以定量檢測出金黃色葡萄球菌的靶寡核苷酸。Shi等[19]報道了以GQDs為供體，MoS2為受體的熒光生物傳感器，用于快速、靈敏地檢測上皮細胞粘附分子(Epithelial cell adhesion molecule，EpCAM)。其機理是通過范德華力將PEG化GQDs標記的EpCAM適體吸附到MoS2上，在熒光共振能量轉移機制下，MoS2 納米片可以猝滅GQDs的熒光信號。在EpCAM蛋白存在下，由于適體和EpCAM蛋白之間存在強大的特異性親和相互作用，能夠從MoS2納米片中分離出GQDs標記的EpCAM適體，從而導致熒光的恢復。通過檢測熒光信號的變化，在3 nM至54 nM范圍內可以靈敏地檢測目標EpCAM蛋白，其檢測限制( Limit of detection，LOD)為450 pM。

2.3 藥物傳遞

石墨烯量子點是運輸藥物的優良載體，這是由于其具有較大的比表面積、兩親性及豐富的π電子，能夠通過π-π堆疊、非共價鍵結合、疏水性及靜電相互作用而與藥物結合，起到藥物傳遞的作用[20]。Iannazzo等[21]報道了一種基于石墨烯量子點的生物相容性和藥物可追蹤的藥物傳輸系統，能夠用于將DNA嵌入藥物多柔比星(doxorubicin)靶向傳遞至癌細胞。通過酸性氧化和多壁碳納米管的剝離合成的水溶性GQDs能夠與腫瘤靶向模塊生物素共價連接，能夠有效識別癌細胞上過量表達的生物素受體，進而將藥物靶向釋放到癌細胞。Khodadadei等[22]報道了甲氨蝶呤(Methotrexate ，MTX)負載的氮摻雜石墨烯量子點納米載體能夠作為有效的抗癌藥物傳遞系統。以檸檬酸為碳源，尿素為氮源通過水熱法合成了發藍色熒光的氮摻雜石墨烯量子點，MTX通過強烈的π-π堆疊作用負載到N-GQDs上。通過體外MTT測定研究MTX-(N-GQDs)對人體乳腺癌細胞的毒性表明，無MTX的N-GQDs納米載體具有高度的生物相容性，而負載有MTX的N-GQDs納米載體表現出更高的細胞毒性。將抗癌藥物負載在石墨烯量子點上，能夠有效傳遞抗癌藥物至靶細胞，并減少對正常細胞的傷害，這對癌細胞的靶向治療具有深遠的意義。

3 結語與展望

石墨烯量子點應用于生物細胞成像、生物傳感、藥物傳遞等生物醫學領域面臨的主要困難之一在于獲得高質量的GQDs，但是現有的合成方法大多是小規模且合成的GQDs具有寬尺寸分布，因此有必要找到更高效、更高量子產率、并能對GQDs的形狀和尺寸進行可控的合成方法。就目前來看，對石墨烯量子點的光致發光(Photoluminescence，PL)特性的理解仍不不夠深入，這限制了其在生物醫學領域的應用，應當投入更多的努力改善GQDs，提高其量子產率。相信，隨著研究的不斷深入，石墨烯量子點在生物醫學領域的應用將得到更大的突破，為人類的疾病治療帶來福音。