碳量子點和石墨烯量子點在傳感領域的研究進展

李 坤，張國軍

（湖北中醫藥大學納米生物傳感中心，湖北 武漢 430065）

量子點是一種低維半導體材料，其直徑一般為2～20 nm，具有激發光譜寬、光化學穩定性高和熒光壽命長等特點[1]。碳量子點是一種熒光碳納米材料，直徑一般＜10 nm[2-5]。石墨烯量子點是由石墨烯或氧化石墨烯衍生而來的碳量子點的子集。與鍺量子點、硫化鎘量子點和硒化鎘量子點等其他量子點相比，碳量子點和石墨烯量子點表現出可調節的熒光性質、優異的光穩定性、良好的生物相容性、低毒性和導電性[6]，因此被廣泛用于藥物運輸、生物成像和生物傳感等領域[7]。碳量子點是2004年XU等[8]在加工單壁碳納米管過程中發現的，他們發現這些直徑為幾納米的碳質材料可以在365 nm的紫外光下發出不同顏色的熒光，故將其命名為熒光納米粒子。這些小的碳質材料在2006年被SUN等[9]科學地命名為碳量子點。由于碳量子點和石墨烯量子點具有無毒、產量豐富、低成本、強熒光和相對較好的溶解性等特點，所以自發現以來，學者們為了實現碳量子點和石墨烯量子點簡單、高產率的合成，提出了許多方法。本文擬介紹碳量子點和石墨烯量子點的主要合成方法及其光致發光的進展，為二者在傳感領域的應用提供參考。

1 碳量子點和石墨烯量子點的合成方法

碳量子點和石墨烯量子點自被發現以來，合成方法不斷更新，現在可大致分為“自上而下”方法和“自下而上”方法[10-11]兩類，“自上而下”方法是通過化學、電化學或物理方法將碳纖維、活性炭等大尺寸的碳材料分解成納米尺寸的碳量子點和石墨烯量子點。“自下而上”方法則是通過有機小分子的縮合、聚合、碳化和鈍化生成。

“自上而下”方法主要有電化學氧化法[12]、酸氧化法[13]和激光消蝕法[14]等。電化學氧化法是利用石墨烯、石墨、碳纖維等相對較大的碳材料制造碳量子點和石墨烯量子點的最常用的方法之一。其優點是操作簡單，原材料豐富并有利于大量生產，但合成碳量子點和石墨烯量子點的純化過程復雜。酸氧化法是用氧化性酸來碳化有機分子，通過控制氧化過程得出更小的碳量子點和石墨烯量子點，但是反應所需的條件較為苛刻，反應過程劇烈。激光消蝕法所獲得的碳量子點和石墨烯量子點顯示出可調、可見且穩定的熒光。

“自下而上”的方法一般為微波輔助合成法[15]和水熱法[16]等。微波輔助合成法的合成過程更加簡便，但對所得的碳量子點和石墨烯量子點的尺寸大小缺乏有效控制。水熱法是將有機前體溶液置于水熱反應器中，在高溫下進行反應。水熱法成本低廉、過程無毒，但碳源的來源會極大地影響量子點的性質，不同的碳前體使用相同的方法制造出的碳量子點和石墨烯量子點往往對金屬離子表現出截然不同的選擇性。微波加熱均勻、高效，反應速度快，反應時間短（通常只需幾分鐘），因此微波輔助合成法是碳量子點和石墨烯量子點合成方法中最簡便、最省時的方法，因而在傳感領域被廣泛用于碳量子點和石墨烯量子點的制備[10]。

2 碳量子點和石墨烯量子點的熒光性質

目前影響碳量子點和石墨烯量子點光致發光的原因主要包括表面邊緣態和共軛π鍵2個方面[17]。表面邊緣態對碳量子點和石墨烯量子點光致發光的影響包括其鋸齒狀的邊緣類型、含氧基團、氨基和量子點核。當碳量子點和石墨烯量子點只具有較少的表面化學基團時，共軛π鍵的帶隙被認為是光致發光的主要原因，碳量子點和石墨烯量子點的光致發光可以通過調節共軛π鍵的大小來調節。

碳量子點和石墨烯量子點低量子產率限制了其在熒光傳感中的應用，因此研究者通過表面功能化和摻雜其他雜原子來改善碳量子點和石墨烯量子點的熒光性質。QU等[18]通過水熱法，以檸檬酸為碳源，再通過含氮的堿，如尿素對石墨烯量子點進行氮摻雜，與無氮摻雜的石墨烯量子點相比，摻氮石墨烯量子點的光致發光量子產率值提高到58%。VENKATESWARA RAJU等[19]將磷摻雜到碳量子點中，合成了磷摻雜的碳量子點，其電化學發光強度比未摻雜的碳量子點高4倍，計算出的電化學發光量子產率為58.8%，是未摻雜碳量子點（29.52%）的2倍。因此，碳量子點和石墨烯量子點的光致發光特性被廣泛應用于傳感領域。

3 碳量子點和石墨烯量子點在傳感領域的應用

碳量子點和石墨烯量子點具有良好的導電性和固有的熒光性質，可以用作傳感器檢測各種分析靶標的探針。目前使用碳量子點和石墨烯量子點制造的傳感器可大致分為光學傳感器、光學生物傳感器、電化學生物傳感器、場效應晶體管生物傳感器和光電化學生物傳感器。

3.1 光學傳感器

依據碳量子點和石墨烯量子點固有的熒光性質，目前這2種量子點已被廣泛用于檢測金屬離子，如Fe3+[20]、Cu2+[21]、Hg2+[22]、Pd2+[23]等，其檢測原理較為相似，利用碳量子點和石墨烯量子點與目標金屬離子的結合引起熒光信號改變，來實現對目標金屬離子的檢測。

有研究發現，對碳量子點和石墨烯量子點進行元素摻雜可使其具有更強的熒光性質，將這種摻雜的碳量子點和石墨烯量子點應用到傳感器的檢測往往可以得到更低的檢測限。DAS等[24]以氧化石墨烯為碳源，以二甲基甲酰胺為溶劑，用溶劑熱法合成了氮摻雜的石墨烯量子點，將其修飾在金顆粒上來檢測Fe3+，線性范圍為1～10 000 nmol/L，檢出限為1 nmol/L。金-氮摻雜的石墨烯量子點能高靈敏地檢測Fe3+，主要是因為金-氮摻雜的石墨烯量子點表面官能團具有較好的分散性，且表面官能團中有羥基，可以與Fe3+形成配位，富電子金納米量子點將電子轉移到Fe3+離子的半填充3D軌道上進行中和。

使用碳量子點和石墨烯量子點先與目標金屬離子結合導致熒光淬滅，加入與目標金屬離子親和性更強的物質使熒光恢復的雙發射熒光傳感器也相繼出現。FU等[25]以海藻酸鈉為碳源，組氨酸為氮源和功能單體，通過一鍋水熱合成法制備高光致發光的碳量子點，通過使用碳量子點和羅丹明B，構造了一種用于檢測Hg2+和生物硫醇的傳感器。檢測原理為碳量子點的表面官能團與Hg2+之間存在強靜電相互作用，比率傳感器中碳量子點的光致發光可以被Hg2+選擇性地強烈抑制；當谷胱甘肽（glutathione，GSH）被引入到傳感系統中時，由于生物硫醇和Hg2+之間更強的親和力，碳量子點的熒光可以被快速恢復，而羅丹明B的熒光在該傳感過程中保持恒定。Hg2+和GSH的檢測限分別為30和20 nmol/L。

MA等[26]將CdTe量子點、CdS量子點、ZnS量子點和碳量子點封裝到咪唑酸沸石骨架中，通過一鍋法制作了一種熒光傳感器。他們發現該傳感器對Cu2+具有良好的靈敏度和選擇性，線性范圍為5～100 nmol/L，檢測限為1.53 nmol/L；該傳感器可用于自來水中Cu2+的監測。XUE等[20]將碳量子點與氧化纖維素納米纖維（oxidized cellulose nanofibril，OCNF）結合制作了碳量子點-OCNF納米紙，用于特異性檢測Fe3+，該方法簡單快速，但靈敏度和特異性需要進一步提高。光學傳感器主要利用碳量子點和石墨烯量子點對特定金屬離子的選擇性來實現目標離子的檢測。該類傳感器制作簡單，成本低廉，可以用來檢測人體內的各種微量元素。同時，也可以制造小型的即時檢驗（pointof-care testing，POCT）儀器。但該類傳感器的靈敏度稍差。

3.2 光學生物傳感器

光學生物傳感器與光學傳感器類似，通過對碳量子點和石墨烯量子點固有的熒光信號的淬滅或恢復來實現目標物質的檢測。不同的是，光學生物傳感器通過在碳量子點和石墨烯量子點表面修飾生物探針，例如DNA、抗體、酶等，來提高碳量子點和石墨烯量子點檢測的選擇性。

ZHANG等[27]在石墨烯量子點上修飾芘功能化分子信標探針（pyrene-functionalized molecular beacon probe，py-MB），并用熒光基團標記py-MB。通過py-MB自身的堿基配對特異性以及石墨烯量子點向py-MB標記的熒光染料的熒光共振能量轉移（fluorescence resonance energy transfer，FRET），實現了對微小RNA（microRNA，miRNA）的定性和定量檢測。因為引入了芘，保證了石墨烯量子點和標記在分子信標上的熒光染料之間產生FRET，使熒光染料的熒光信號增強。目標miRNA和py-MB環結構之間的雜交導致發夾結構開放，形成更剛性的雙鏈結構，阻礙了FRET，從而降低了熒光染料的熒光信號。通過熒光信號的變化實現對miR-155的檢測，線性范圍為0.1～200 nmol/L。

WEI等[28]開發了一種基于單鏈DNA（singlestranded DNA，ssDNA）和碳量子點的熒光生物傳感器。當ssDNA附著在碳量子點上時可降低碳量子點的熒光強度。在丙烯酰胺存在的情況下，ssDNA優先與丙烯酰胺結合，使碳量子點的熒光強度恢復。該傳感器檢測ssDNA的線性范圍為0.1～5 000 μmol/L，檢測限可低至0.024 1 μmol/L。LV等[29]將DNA與碳量子點結合制備了熒光生物量子點探針，通過堿基配對檢測三聚氰胺，線性范圍為5～600 μmol/L，檢測限為1.4 μmol/L。SHI等[30]分別在石墨烯量子點和金納米粒子（gold nanoparticle，AuNP）上修飾金黃色葡萄球菌mecA基因的捕獲探針和報告探針，通過堿基互補配對使石墨烯量子點和AuNP之間發生FRET，導致石墨烯量子點熒光淬滅，該石墨烯量子點-AuNP生物傳感器對金黃色葡萄球菌mecA基因序列的檢測限為1 nmol/L。光學生物傳感器通過在碳量子點和石墨烯量子點上修飾生物探針，可以應用于各種生物標志物的檢測，但其靈敏度還不夠高。

3.3 電化學生物傳感器

碳量子點和石墨烯量子點表面有活潑的官能團，且本身具有較好的導電性，因此可被固定在電化學生物傳感器上連接生物探針或直接捕獲金屬離子。ZHAO等[31]基于ssDNA與石墨烯材料之間的強相互作用，利用石墨烯量子點修飾的熱解石墨電極與特定序列的ssDNA分子作為探針，制備電化學生物傳感器。ssDNA探針分子通過與石墨烯的相互作用結合在修飾電極表面，抑制電化學活性物質鐵氰化鉀｛[Fe（CN）6]3-/4-｝與電極之間的電子轉移。當存在靶標時，ssDNA會與靶標結合，所獲得的[Fe（CN）6]3-/4-的峰值電流將隨著目標分子的增加而增加。但在復雜的介質中或有多種其他DNA存在時，該電化學生物傳感器的檢測特異性和靈敏度會受影響。

LI等[32]報道了一種新型功能肽分子的設計，該分子具有形成肽納米纖維的能力，并能特異性識別石墨烯量子點和氧化石墨烯納米片。他們在肽序列設計的基礎上，成功合成了石墨烯量子點-納米纖維-氧化石墨烯三元納米雜化物，將該三元納米雜化物修飾在玻碳電極上構成電化學生物傳感器，并使用該傳感器檢測H2O2，其線性范圍為10～7 200 μmol/L，檢測限為0.055 μmol/L。

RAN等[33]將氮摻雜的碳量子點與氧化鈷結合形成復合物，再與金納米顆粒修飾的抗體結合，構建電化學生物傳感器，可用于檢測人附睪蛋白4，其線性范圍為0.002～20 ng/mL，檢測限為1.5 pg/mL。GHANBARI等[34]依次在玻碳電極上修飾石墨烯量子點和丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）核心抗原的適配體，用于特異性檢測HCV核心抗原，其線性范圍為10～400 pg/mL，檢測限為3.3 pg/mL。基于碳量子點和石墨烯量子點功能化的電化學生物傳感器的靈敏度有了進一步的提高，但電化學生物傳感器還存在修飾過程復雜、操作繁瑣等不足。

3.4 場效應晶體管生物傳感器

場效應晶體管生物傳感器利用碳量子點和石墨烯量子點體積小、導電性優越等性質，通過碳量子點和石墨烯量子點直接捕獲金屬離子或交聯適配體、DNA等生物探針，捕獲特定靶標，進而利用靶標本身的帶電性，引起場效應晶體管生物傳感器的電流發生變化，從而實現目標物質的檢測。FAN等[35]通過在場效應晶體管的柵極上修飾碳量子點配位捕獲Cu2+，其源極和漏極用石墨烯連接，傳感器的感測機制是碳量子點和Cu2+的配位引起柵電極附近雙電層的電容發生變化，導致溝道電流發生變化。該傳感器對Cu2+的檢測限為10 fmol/L。

通過碳量子點和石墨烯量子點與金屬離子的配位連接雖然方法簡單，但卻缺乏特異性，因此，MANSOURI MAJD等[36]通過順序溶劑交換法和水熱法制備二硫化鉬和碳量子點傳感層，在場效應晶體管上用二維材料MoS2連接源板和漏極，然后將碳量子點固定在MoS2上，通過在碳量子點上修飾適配體作為Hg2+的探針，設計了一種基于DNA-碳量子點雜化物的二硫化鉬場效應晶體管生物傳感器，用于水環境中Hg2+的超靈敏檢測，其線性范圍為1 amol/L～10 pmol/L，檢測限為0.65 amol/L。

另外，將碳量子點和石墨烯量子點與DNA探針連接起來，檢測其他靶標的方法也相繼出現。DONG等[37]直接在石墨烯上修飾碳量子點，連接DNA探針，構建了碳量子點修飾的液體剝離石墨烯場效應晶體管作為DNA甲基化傳感器，采用特異性探針捕獲SEPT9基因，選擇相應的抗體錨定序列上的5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）位置，對SEPT9基因的檢測限為2 ng/μL。

RAMADAN等[38]在石墨烯場效應晶體管表面依次修飾碳量子點和抗體，特異性檢測外泌體，使用該傳感器檢測外泌體的檢出限為100 個/μL。

場效應晶體管生物傳感器是近年來發展較快的一種新型傳感器，已被用于檢測金屬離子、核酸和抗體等物質，可實現免標記檢測且靈敏度較高。

3.5 光電化學生物傳感器

碳量子點和石墨烯量子點獨特的光學性質也為其在光電化學生物傳感器中的應用提供了可能。WANG等[39]以石墨烯量子點-類石墨氮化碳連接適配體構建了一種光電化學生物傳感器，其中石墨烯量子點作為光活性增強劑，金納米粒子和DNA生物素標記的適配體作為玉米素識別和鏈霉親和素捕獲元件，該生物傳感器檢測玉米素的線性范圍為0.1～100 nmol/L，檢測限為0.031 nmol/L。CHENG等[40]以氧化銦錫為基底，二氧化鈦納米粒子為光活性基底材料，氮摻雜碳量子點為光敏劑，乙酰膽堿酯酶為生物識別分子，制備了可見光驅動的光電化學生物傳感器。氮摻雜碳量子點的加入顯著提高傳感器的光電流信號強度。該光電化學生物傳感器對農藥氯吡硫磷的檢測范圍為0.001～1.5 μg/mL，檢出限為0.07 ng/mL。

WANG等[41]基于碳量子點和金納米顆粒之間的能量轉移，開發了一種光電化學生物傳感器，通過在AuNP上修飾的2個發夾探針（H1和H2），同時檢測2種miRNA（miR-159b和miR-166a）；該生物傳感器檢測miR-159b和miR-166a的線性范圍為0.5～5 000 fmol/L，檢測限分別為0.15和0.21 fmol/L。QIN等[42]以聚乙烯亞胺功能化的氧化石墨烯-碳量子點-金納米顆粒復合物為探針，通過在復合物表面修飾抗體，構建了一種三明治式電化學發光免疫傳感器，用于檢測糖類抗原15-3（carbohydrate antigen 15-3，CA15-3），其線性范圍為0.005～500 U/mL，檢測限為0.001 7 U/mL。這類傳感器同時利用了碳量子點和石墨烯量子點的導電性和光致發光的特性，靈敏度較高。

4 碳量子點和石墨烯量子點在醫學檢驗中的應用前景

基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器越來越多樣化，其在醫學檢驗中的應用同樣值得期待。目前疾病生物標志物檢測方法主要有放射免疫分析法、酶聯免疫吸附試驗（enzymelinked immunosorbent assay，ELISA）和化學發光法。放射免疫分析法存在放射性元素的污染問題，且靈敏度不高。ELISA簡單、快速，但需要用酶進行標記，酶的活性對ELISA的檢測性能影響較大。化學發光法易受環境因素的影響，且需要大型儀器，檢測成本較高。基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器通過在碳量子點和石墨烯量子點上標記抗原或抗體，特異性檢測疾病標志物。該類方法靈敏度高，且通過改變功能化的抗原或抗體，可以實現對多個生物標志物的檢測。同時，該方法不需要大型儀器，成本較低，可實現POCT檢測。

另外，基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器可用于檢測各種病毒的核酸。目前，用于病毒核酸檢測的方法為聚合酶鏈反應（polymerase chain reaction，PCR），其靈敏度高，準確性好，但是需要特殊儀器，且檢測時間較長。基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器可以在碳量子點和石墨烯量子點表面修飾特異性的DNA或RNA探針，高特異性地檢測病毒核酸。電化學生物傳感器和場效應晶體管生物傳感器不需要特殊儀器，檢測時間短，可滿足目前病毒核酸檢測的需求。

基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器還可用于細菌的檢測。基于碳量子點和石墨烯量子點的傳感器可以通過修飾特異性抗體，檢測細菌表面的蛋白質來鑒別細菌，或通過檢測細菌核酸的特異性序列來實現細菌的鑒定。

5 總結與展望

碳量子點和石墨烯量子點已被大量用于各種傳感器。但目前碳量子點和石墨烯量子點仍存在2個問題：一是制備的碳量子點和石墨烯量子點大小不均一，制備方法還有待進一步改進；二是碳量子點和石墨烯量子點的發光量子產率還有待進一步提高。碳量子點和石墨烯量子點在臨床檢驗中也有其優勢。利用碳量子點和石墨烯量子點與金屬離子結合導致其本身的熒光發生變化，根據熒光的變化可以測定相應金屬離子的濃度。因此，碳量子點和石墨烯量子點可用于檢測血清中的各種微量金屬元素，使檢測成本進一步降低，即使在基層醫院也能實現微量金屬元素的檢測。將碳量子點和石墨烯量子點與DNA或RNA結合構成信號探針，并在信號探針上修飾熒光基團，可對血清中的目標miRNA進行定性、定量檢測，相對于目前臨床常用的PCR方法，其檢測成本更低，檢測時間更短。將碳量子點和石墨烯量子點與DNA或抗體等生物探針結合，固定到電化學生物傳感器和場效應晶體管生物傳感器上，可以實現對目標物質的超靈敏檢測。

總之，應充分發揮碳量子點和石墨烯量子點在檢驗醫學中的優勢，將傳感與檢驗醫學聯系起來，實現碳量子點和石墨烯量子點由基礎研究到臨床檢驗的跨越。