呂春祥， 李利平

(1. 中國科學(xué)院 山西煤炭化學(xué)研究所，中國科學(xué)院炭材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030001； 2. 碳纖維制備技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030001; 3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049； 4. 山西醫(yī)科大學(xué)，山西 太原030001)

1 前言

碳點(diǎn)(Carbon dots, 簡稱CDs)是一種尺寸小于10 nm的碳納米粒子，因其具有良好的熒光性能，也被稱為熒光碳點(diǎn)。自2004年Xu等[1]用電泳的方法純化單層碳納米管時首次被發(fā)現(xiàn)，到2006年被Sun等[2]正式命名為碳點(diǎn)，碳點(diǎn)的發(fā)展已有十余年，其概念也發(fā)生了拓展，成為了一類熒光碳納米材料的統(tǒng)稱。與有機(jī)熒光染料相比，碳點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光譜寬且連續(xù)，呈現(xiàn)一元激發(fā)、多元發(fā)射的特性[3]；熒光穩(wěn)定性高，耐光漂白，可以實(shí)現(xiàn)活體組織內(nèi)的長期標(biāo)記；且發(fā)射波長可調(diào)。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)的生物相容性良好且毒性低，不含重金屬元素。上述特點(diǎn)使得碳點(diǎn)成為一種理想的有機(jī)熒光染料和無機(jī)量子點(diǎn)的替代品，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前報(bào)道的碳點(diǎn)種類繁多，包括碳納米點(diǎn)、石墨烯量子點(diǎn)和聚合物點(diǎn)。不同方法制備得到的碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理不盡相同，且目前對于碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理沒有統(tǒng)一的解釋?？赡艿陌l(fā)光機(jī)理主要是碳核本征態(tài)的發(fā)光(量子尺寸效應(yīng))、缺陷態(tài)的發(fā)光(表面缺陷態(tài)、邊緣態(tài)、雜原子摻雜等)和分子態(tài)發(fā)光[4-6]。

近年來，關(guān)于碳點(diǎn)的報(bào)道呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長，大致分為兩個階段，第一階段是關(guān)于碳點(diǎn)的制備方法，第二階段是關(guān)于碳點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。本文從制備工藝的角度對碳點(diǎn)的制備進(jìn)行闡述，綜述碳點(diǎn)在腫瘤診斷和治療中最新的應(yīng)用研究，同時對未來研究方向進(jìn)行展望。

2 碳點(diǎn)的制備

從材料的角度，碳點(diǎn)的制備方法主要分為自上而下法和自下而上法兩大類。自上而下法，如電弧放電法[7]、激光刻蝕法[8]、電化學(xué)氧化法[9]等，是由大尺寸的前驅(qū)體材料經(jīng)過化學(xué)或物理或兩者兼具的方法將其轉(zhuǎn)變成小尺寸的碳點(diǎn)；自下而上法，如模板法[10]、微波法[11]、溶劑熱法[12]等，則是將小分子的前驅(qū)體材料經(jīng)過聚合、炭化等過程制備碳點(diǎn)。傳統(tǒng)的分類方法為研究者提供制備碳點(diǎn)的思路，針對不同的前驅(qū)體材料，根據(jù)其尺寸大小，選擇不同的制備方法。而在本工作中，我們將從制備碳點(diǎn)的宏觀工藝路線角度進(jìn)行分類闡述。

2.1 多步法工藝路線合成碳點(diǎn)

最初制備熒光碳點(diǎn)的方法是借助于有機(jī)小分子或者聚合物分子對碳納米材料表面進(jìn)行功能化修飾[2, 8]。諸如這樣的功能化修飾的方法賦予了碳點(diǎn)更加優(yōu)異的熒光性能和更高的量子效率[13, 14]。

Wang等[13]利用低聚物氨基化的聚乙二醇(PEG1500N)修飾激光刻蝕的碳納米粒子，呈現(xiàn)出多色發(fā)射，最強(qiáng)的熒光發(fā)射波段位于綠光區(qū)域。碳納米粒子先在硝酸中氧化處理，在其表面引進(jìn)羧基官能團(tuán)，利用羧基與PEG1 500N在典型的酰胺化反應(yīng)條件下反應(yīng)，所得產(chǎn)品通過水相的凝膠柱進(jìn)行分離，得到一部分熒光量子效率高達(dá)60%的綠色熒光碳點(diǎn)。利用PEG1 500N修飾的碳點(diǎn)與商用的CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光性能相當(dāng)[15]。

2.2 一步法工藝路線合成碳點(diǎn)

多步法制備碳點(diǎn)的制備過程繁瑣復(fù)雜，嚴(yán)重限制了碳點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用。近年，通過研究者們的不懈努力，不斷地簡化制備碳點(diǎn)的制備工藝，提高碳點(diǎn)的熒光性能。多數(shù)研究者們選擇將碳點(diǎn)中碳核的形成以及碳點(diǎn)的表面修飾或者雜原子摻雜融合在一步完成[16-18]，即合成碳點(diǎn)的一步法工藝路線孕育而生。

一步法工藝路線合成碳點(diǎn)的關(guān)鍵在于：前驅(qū)體的選擇、制備方法的選擇以及反應(yīng)過程的控制。

2.2.1 前驅(qū)體的選擇

前驅(qū)體的選擇，可以是一種碳源,也可以是混合碳源。前者在炭化過程中進(jìn)行部分炭化，殘留官能團(tuán)起到表面修飾的作用；而后者可以選擇前驅(qū)體中的一種或多種炭化成核，其余的成分將起到表面修飾和摻雜的作用[19, 20]。

Yang等[21]以檸檬酸為碳源，以PEG為表面鈍化劑，利用乙二胺提供氮源，以一步水熱法合成CDs@PEG，主要表現(xiàn)藍(lán)光發(fā)射，其量子效率高達(dá)75%。Lei等[22]將間苯二胺，磷酸和乙二胺混合成均勻的溶液，利用微波法一步法加熱40 s得到N,P-CDs，呈現(xiàn)出兩個熒光發(fā)射中心，分別位于450 nm和510 nm處，前者發(fā)出明亮的藍(lán)光，量子效率可達(dá)51%，后者發(fā)出明亮的綠光，量子效率可達(dá)38%。

一步法工藝路線合成碳點(diǎn)的文獻(xiàn)已報(bào)道很多，是目前主流且重要的制備工藝。適用于此類方法的碳前驅(qū)體非常廣泛，除了化學(xué)試劑外，還可以是生物質(zhì)碳源。如Shi等[23]報(bào)道的以植物花瓣為碳源，制備得綠色熒光碳點(diǎn)(如圖1 a)；Zhu等[24]以豆?jié){為碳源，制備得藍(lán)色熒光碳點(diǎn)(如圖1 b)；Sahu等[25]以橘汁為碳源，制備的熒光碳點(diǎn)的量子效率高達(dá)26%(如圖1 c)；Wang等[26]利用蛋清和蛋黃為碳源，利用等離子體發(fā)生器制備出藍(lán)光發(fā)射的碳點(diǎn)(如圖1 d)；Zhang等[27]同樣以蛋清為碳源，一步水熱法同時完成炭化、摻雜氮和表面功能化修飾的過程，制備的藍(lán)色熒光碳點(diǎn)的量子效率高達(dá)61%(如圖1e)；Wu等[12]以桑蠶絲為碳源，制備得含氮的碳點(diǎn)，其量子效率為13.9%(如圖1f)。以上以生物質(zhì)為碳源一步法制備得到量子效率較高的熒光碳點(diǎn)，是由于生物質(zhì)本身是一種富含O、N、S等元素的前驅(qū)體材料，在炭化過程中，一步法完成了碳核的形成及雜原子的摻雜。

圖 1 生物質(zhì)為碳源的合成示意圖[12,24-27]

2.2.2 制備方法及反應(yīng)過程控制

一步法工藝路線中，常用的方法主要有微波輻照法、熱處理法、水熱法等。

微波輻照法是一種相對簡單、耗時較少的制備碳點(diǎn)的方法。例如，Zhu等[11]將糖類和PEG-200溶于水形成透明均一的溶液后，置于微波爐中反應(yīng)2～10 min，通過調(diào)節(jié)微波輻照的時間，形成不同炭化度的碳點(diǎn)溶液。近日，Sun等[28]采用一步微波法制備得到主-客體碳點(diǎn)材料G@CDots，其中G代表的是客體熒光染料，如甲酚紫(CV)、尼羅藍(lán)(NB)和酞菁鋅(ZnPc)。主-客體結(jié)構(gòu)是一種新的碳點(diǎn)結(jié)構(gòu)，與內(nèi)嵌富勒烯的概念類似(如圖2)，是將具有紅外/近紅外的熒光物質(zhì)嵌在碳點(diǎn)內(nèi)部。在報(bào)道中，Sun等以合成CV@CDots為例，將CV溶于乙醇中，與低聚物PEGs混合后，除去其中的乙醇溶劑，混合物在微波爐中輻照直到預(yù)期的炭化程度?？腕w材料的引入不僅改善碳點(diǎn)的光學(xué)性能且拓展了碳點(diǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域。主-客體結(jié)構(gòu)為材料的設(shè)計(jì)和合成提供了一種全新的思路，以期得到1+1>2的效果。

圖 2 (a)主-客體碳點(diǎn)，(b)為富勒烯[11]

在熱化學(xué)反應(yīng)過程中，是利用熱能代替了微波的輻照對碳源進(jìn)行炭化，也可以說更精準(zhǔn)的控制反應(yīng)過程。Stan等[29]以N-羥基丁二酰亞胺為前驅(qū)體，在氮?dú)夥諊屑訜嶂?80 ℃，反應(yīng)30 min后即得到多色發(fā)射的熒光碳點(diǎn)。值得注意的是，在此實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)的溫度和時間均未達(dá)到可使N-羥基丁二酰亞胺完全炭化的條件。研究者進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)延長反應(yīng)時間以及增加反應(yīng)溫度后得到的碳點(diǎn)的熒光量子效率大大降低，說明在180 ℃反應(yīng)30 min后得到的碳點(diǎn)表面有部分未被完全炭化的基團(tuán)，它們在碳點(diǎn)的發(fā)光效率中起到了重要的作用。Dong等[20]將檸檬酸和支化的聚乙烯亞胺的混合前驅(qū)體材料在較低的反應(yīng)溫度下進(jìn)行炭化，前者的炭化溫度較低(<200 ℃)容易被炭化形成碳核的部分，而支化的聚乙烯亞胺中胺類部分則可以修飾碳點(diǎn)的表面，最后利用這種方法所制備得到的碳點(diǎn)(BPEI-CQDs)量子效率可高達(dá)42.5%。

水熱法被認(rèn)為是熱處理方法的一種非常重要的變體形式，區(qū)別只在于前驅(qū)體的炭化過程是在溶液中完成[30, 31]。關(guān)于水熱法制備碳點(diǎn)的報(bào)道較多，例如，Yang等[32]以殼聚糖為碳源，在180 ℃下水熱反應(yīng)同時實(shí)現(xiàn)了炭化和對碳點(diǎn)的表面修飾，制備出了氨基功能化的碳點(diǎn)，量子效率可高達(dá)43%。Yang等[33]以葡萄糖和磷酸二氫鉀為前驅(qū)體，利用水熱法一步實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)的形成及表面鈍化的過程，利用磷酸二氫鉀的含量調(diào)節(jié)碳點(diǎn)的發(fā)光狀態(tài)。當(dāng)葡萄糖和磷酸二氫鉀的摩爾比為1∶36時，所制備碳點(diǎn)主要表現(xiàn)為藍(lán)光發(fā)射；當(dāng)兩者的摩爾比為1∶26時，所制備碳點(diǎn)表現(xiàn)為綠光發(fā)射，表明磷酸二氫鉀在碳點(diǎn)的發(fā)光過程中起到了很重要的作用。

2.3 宏量工藝路線合成碳點(diǎn)

碳點(diǎn)的量產(chǎn)是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的必備條件。目前已報(bào)道的很多方法是可以實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)的量產(chǎn)的，但事實(shí)上關(guān)于宏量制備碳點(diǎn)的工作卻很少。本小節(jié)是從碳點(diǎn)的產(chǎn)率以及量產(chǎn)角度進(jìn)行闡述。

Hsu等[34]報(bào)道的利用咖啡渣作為碳源，制備得藍(lán)光碳點(diǎn)(制備過程如圖3a)，其量子效率為3.8%，產(chǎn)率為9%～15%，大約1 g的咖啡渣可以制備得到120 mg的碳點(diǎn)粉末；Chen等[35]利用一步法在油酸中炭化蔗糖得到量子效率較高(QY = 21.6%)的熒光碳點(diǎn)，產(chǎn)率高達(dá)41.8%，實(shí)現(xiàn)了碳點(diǎn)的克級制備(如圖3b)；Yang等[36]是將中國墨水溶解在HCl中，回流6 h后得到30～50 nm的納米粒子(CNP)，再將CNP加入混酸(HNO3和H2SO4)和強(qiáng)氧化劑(NaClO3)中,保持低溫反應(yīng)5 h，用冰氨水中和多余的酸，通過過濾和透析得到氧化的碳點(diǎn)，再用維生素C還原，轉(zhuǎn)移至水熱反應(yīng)釜中在240 ℃條件下反應(yīng)12 h，從氧化碳點(diǎn)到碳點(diǎn)的過程中，產(chǎn)率可達(dá)78%，N-doped CQDs的合成過程示意圖如圖3c；Zhang等[37]選擇了價格低廉(1 g蜂花粉0.07元人民幣)且可再生的蜂花粉為碳源(如圖3d)，提出了一種綠色環(huán)保、簡單易行的制備方法，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)率、可量產(chǎn)的碳點(diǎn)的制備，產(chǎn)率可達(dá)30%，10 g的蜂花粉可制備出至少3 g的碳點(diǎn)，且隨著反應(yīng)時間的不同和蜂花粉的種類的不同，其量子產(chǎn)率可達(dá)6.1%～12.8%。

最近，筆者課題組[38]利用熔鹽法選用不同的碳源宏量制備出一系列高產(chǎn)率、尺寸分布較窄的熒光碳點(diǎn)。與已報(bào)道的方法相比，熔鹽法是一種條件溫和易行、可實(shí)現(xiàn)大批量制備的、具有普適性的一種方法；在熔融狀態(tài)下有著良好的熱傳遞能力；熔鹽在碳點(diǎn)形成過程中起到了“陷域”作用，熔鹽包覆在碳點(diǎn)表面起到物理阻隔作用，避免了碳點(diǎn)的團(tuán)聚，得到的碳點(diǎn)的尺寸分布較窄；所選混合鹽在水中有良好的水溶性，碳點(diǎn)的后處理可通過一步透析將鹽介質(zhì)以及低分子量的產(chǎn)物透析除去，完成碳點(diǎn)的純化過程。

綜上所述，多步法制備碳點(diǎn)是最早制備熒光碳點(diǎn)的方法，而一步法制備碳點(diǎn)是目前碳點(diǎn)最主流且最重要的制備方法，其將碳核的形成及表面修飾或與雜原子摻雜融合在一步中實(shí)現(xiàn)，簡化了制備工藝，且有效提高碳點(diǎn)的熒光性能；實(shí)現(xiàn)碳點(diǎn)的宏量制備是碳點(diǎn)走向?qū)嶋H應(yīng)用的必備條件，開發(fā)綠色、可行、可實(shí)現(xiàn)宏量制備高性能熒光碳點(diǎn)的方法是目前碳點(diǎn)重要的研究方向之一。

圖 3 (a)以咖啡渣為碳源合成碳點(diǎn)的示意圖； (b)油浴法以蔗糖為碳源合成碳點(diǎn)示意圖； (c)以墨水為碳源制備N-doped CQDs的過程； (d)以蜂花粉為碳源制備碳點(diǎn)的示意圖[34-37]Fig. 3 Diagram for the synthesis of CDs using (a) Coffee ground; (b) Sucrose; (c) Chinese ink; (d) Bee pollens as precursors[34-37].

3 紅光/近紅外熒光碳點(diǎn)的制備

在紅光區(qū)及近紅外區(qū)域(近紅外Ⅰ區(qū)，650～950 nm；近紅外Ⅱ區(qū)，1 000～1 700 nm)，生物樣品對光的吸收、散射和自發(fā)熒光背景都比較低，近紅外光源能在生物組織內(nèi)達(dá)到最大穿透深度，并能進(jìn)行深層組織成像，因而稱此波段范圍為“近紅外組織透明窗口”[39]。而目前報(bào)道的碳點(diǎn)的發(fā)光主要集中在藍(lán)光和綠光段發(fā)射，對組織和細(xì)胞存在損傷，在組織內(nèi)的穿透力差且會產(chǎn)生背景熒光干擾(如圖4)[40]。因此考慮到碳點(diǎn)未來的實(shí)際應(yīng)用，制備近紅外發(fā)射的碳點(diǎn)已經(jīng)是大勢所趨。

傳統(tǒng)制備得到的碳點(diǎn)普遍存在熒光發(fā)射依賴于激發(fā)波長的現(xiàn)象，往往會隨著激發(fā)波長向長波長方向移動熒光強(qiáng)度明顯減弱，雖熒光發(fā)射光譜可以覆蓋到近紅外區(qū)域，但其量子效率很低，很難被實(shí)際應(yīng)用。

近年，Lin課題組[40]研發(fā)出一種具有依賴性行為的碳點(diǎn)，但隨著激發(fā)波長的改變，發(fā)射強(qiáng)度并未明顯降低。此類碳點(diǎn)的報(bào)道較少。研究者通過在甲酰胺溶劑中微波加熱檸檬酸，得到“真正”的全波譜發(fā)光的碳點(diǎn)，命名為F-CDs。F-CDs的吸收光譜覆蓋整個可見光區(qū)域，但是主要存在三個主要的最佳發(fā)射峰，分別位于466，555和637 nm，且在360, 450和540 nm的激發(fā)波長下，得到對應(yīng)的量子效率分別為11.9%、16.7%和26.2%。

圖 4 不同波長的組織穿透力的示意圖[40]Fig. 4 The visualization of light penetration through the tissues according to its wavelength[40].

另一種類型的近紅外熒光碳點(diǎn)的發(fā)射行為不依賴于激發(fā)波長，其量子效率一般較高，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α＠?，Xiong等[41]以尿素和對苯二胺為碳源，采用水熱法制備出全波譜發(fā)光的碳點(diǎn)。通過硅膠柱層析利用不同極性的溶劑得到不同熒光發(fā)射的碳點(diǎn)，每一種被分離出來的熒光碳點(diǎn)的熒光發(fā)射行為均不依賴于激發(fā)波長。其中近紅外發(fā)射的碳點(diǎn)的量子效率高達(dá)24%，成功將其應(yīng)用在體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)活體實(shí)驗(yàn)中，可明顯觀察到近紅外發(fā)射的碳點(diǎn)在活體組織內(nèi)有很強(qiáng)的穿透力，且沒有表現(xiàn)出明顯的生理毒性。

Jiang等[42]以對苯二胺為碳源，在乙醇溶劑中溶劑熱加熱到180 ℃反應(yīng)12 h，將反應(yīng)的產(chǎn)物在硅膠柱中分離后得到可溶于大多數(shù)溶劑的碳點(diǎn)，命名為p-CDs。p-CDs的最佳發(fā)射峰位在604 nm，且在365 nm的激發(fā)波長下的量子效率為20.6%，在510 nm的激發(fā)波長下的量子效率高達(dá)26.1%。成功應(yīng)用于體外細(xì)胞的單光子和雙光子的熒光成像。Tan等[43]采用電化學(xué)的方法，在K2S2O8的電解液中刻蝕石墨得到紅光發(fā)射的石墨烯量子點(diǎn)(RF-GQDs)。當(dāng)激發(fā)波長在500 nm時，其位于610 nm的熒光發(fā)射峰強(qiáng)度達(dá)到最大。RF-GQDs在近紅外有熒光發(fā)射，可能是由于碳點(diǎn)中存在大的sp2結(jié)構(gòu)降低了禁帶寬度，使其熒光發(fā)射波長發(fā)生紅移。

筆者課題組[44]以生物質(zhì)菠菜為前驅(qū)體材料，采用一步溶劑熱法控制反應(yīng)過程，制備得到最佳發(fā)射波長位于680 nm的近紅外熒光碳點(diǎn)，并成功將其應(yīng)用在細(xì)胞成像和活體成像中。

近紅外發(fā)射的熒光碳點(diǎn)是目前的研究熱點(diǎn)也是難點(diǎn)，報(bào)道的相關(guān)工作仍然較少，且在碳點(diǎn)的前驅(qū)體的選擇上仍然偏重于化工原料，有待于開發(fā)綠色環(huán)保的前驅(qū)體材料，以及新的制備方法。

4 碳點(diǎn)在腫瘤診斷和治療中的應(yīng)用

碳點(diǎn)因其優(yōu)異的熒光性能、可調(diào)的發(fā)射波長、良好的生物相容性、低毒性以及表面易修飾的特征，使其在診斷和治療方面的應(yīng)用備受關(guān)注。

診斷是決定臨床治療效果的關(guān)鍵所在，目前碳點(diǎn)有望實(shí)現(xiàn)臨床診斷腫瘤的成像技術(shù)主要有熒光成像、核磁共振成像(MRI)和光聲成像等。

與傳統(tǒng)的熒光染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)在熒光成像中有望替代兩者而成為新一代的熒光探針。Jiang等[42]利用三種不同結(jié)構(gòu)的苯二胺為前驅(qū)體制備得到紅、綠、藍(lán)三色熒光碳點(diǎn)，表現(xiàn)出優(yōu)異的轉(zhuǎn)換性能，并在人乳腺癌細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)多色成像。Tao等[45]對裸鼠皮下注射熒光碳點(diǎn)后明顯的觀察到活體近紅外熒光成像，且與背景熒光有很明顯的襯度，有效避免自熒光干擾。碳點(diǎn)在細(xì)胞成像和活體成像中均表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。

MRI成像的圖像的分辨率較高，可對人體組織做出形態(tài)和功能兩方面的診斷評價。碳點(diǎn)因其表面富含含氧官能團(tuán)，有很強(qiáng)的螯合力，通過負(fù)載順磁性的金屬離子(如Gd3+，F(xiàn)e3+，Mn2+等)，制備出新型的核磁造影劑，利用碳點(diǎn)在腫瘤血管的高通透性和高滯留效應(yīng)(EPR效應(yīng))，被動向腫瘤位置富集，提高了核磁造影劑的靶向效應(yīng)。Xu等[31]水熱處理混合物檸檬酸、乙二胺和氯化釓，得到Gd-CQDs，在其表面修飾RGD肽作為靶向分子，成功實(shí)現(xiàn)對腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的靶向核磁成像和熒光成像。本課題組[38]利用檸檬酸為碳源，采用熔鹽法宏量制備出的熒光碳點(diǎn)作為載體，在其表面負(fù)載Gd3+后，成功制備得到的核磁造影劑的馳豫效率高達(dá)22.45 mM-1·s-1，高于目前報(bào)道的大部分的碳點(diǎn)基的核磁造影劑。值得注意的是，負(fù)載Gd3+后的碳點(diǎn)仍呈現(xiàn)出優(yōu)異的熒光性能，因此Gd-CQDs通?？梢詫?shí)現(xiàn)核磁共振成像和熒光成像的雙模態(tài)成像，為臨床提供更精準(zhǔn)的診斷手段。

光聲成像是一種非入侵式和非電離式的新型醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，結(jié)合了光學(xué)成像的高選擇性和超聲成像中的深穿透性的優(yōu)點(diǎn)，可得到高分辨率和高對比度的組織成像[46]。對于腫瘤治療，除了傳統(tǒng)的化學(xué)療法、手術(shù)療法、放射療法以外，光熱治療和光動力治療是近年新出現(xiàn)的治療癌癥的方法。與傳統(tǒng)的治療方法相比，光熱治療和光動力治療均為低創(chuàng)傷性治療，具有靶向性，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位癌細(xì)胞，而對正常細(xì)胞沒有損傷，使得這些新型的治療癌癥的方法具有很大的臨床應(yīng)用潛力。

在傳統(tǒng)的臨床中，對于腫瘤的診斷和治療往往是兩個獨(dú)立的過程，診斷不能為治療提供實(shí)時的影像信息，增加治療難度。2002年P(guān)harma Netics公司首次提出診療一體化的概念，開辟新的理念，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，使得癌癥的診療一體化成為可能[47]。

近期Ge課題組[48]以聚噻吩苯丙酸為前驅(qū)體，水熱制備得到的碳點(diǎn)在350～600 nm的激發(fā)光下實(shí)現(xiàn)了近紅外熒光成像，在671 nm的激發(fā)光源下，實(shí)現(xiàn)了光聲成像和光熱治療。碳點(diǎn)在671 nm的激發(fā)光下的光熱轉(zhuǎn)換效率為38.5%。研究者在小鼠體內(nèi)建立HeLa腫瘤模型，待腫瘤長至25 mm3，靜脈注射碳點(diǎn)，通過活體熒光成像發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)通過實(shí)體瘤的高通透性和滯留效應(yīng)靶向到腫瘤位置，然后利用671 nm的激光器(功率2 W cm-2)照射腫瘤位置10 min，利用紅外熱成像儀觀察到腫瘤位置的溫度達(dá)到58.4 ℃，而對照組中未加入碳點(diǎn)的腫瘤位置的溫度為39.5 ℃，說明碳點(diǎn)在熱形成過程中起到很關(guān)鍵的作用，而在腫瘤位置當(dāng)溫度高于50℃時，腫瘤細(xì)胞將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損害[49]。為了進(jìn)一步確定光熱治療的效果，研究者監(jiān)測了小鼠的存活率以及腫瘤的生長率，發(fā)現(xiàn)只注射了碳點(diǎn)或者只利用激光器照射的對照組的小鼠的腫瘤組織繼續(xù)生長，而實(shí)驗(yàn)組在腫瘤位置中顯示燒傷，腫瘤的生長受到嚴(yán)重的阻礙，燒傷部分的皮膚在16天以后完全恢復(fù)。而組織切片后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在心臟、肝臟、脾臟、肺和腎臟處，沒有出現(xiàn)明顯的炎性反應(yīng)，說明碳點(diǎn)的光熱治療沒有明顯的副作用。

隨后，Ge等[50]又以聚噻吩苯甲酸為前驅(qū)體，通過水熱法合成紅光發(fā)射的碳點(diǎn)(PBA-C-dots)，不僅具有良好的水溶性、耐光漂白且具有光熱和光動力的治療效果。在635 nm的激發(fā)光源下，光熱轉(zhuǎn)換效率為36.2%，單線態(tài)氧的產(chǎn)率為27%，PBA-C-dots實(shí)現(xiàn)了熒光成像引導(dǎo)下的光熱和光動力的雙模態(tài)治療，在腫瘤的診療一體化中表現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。

5 總結(jié)和展望

碳點(diǎn)作為一種新型的熒光碳納米材料，因其具有優(yōu)異的熒光性質(zhì)、良好的生物相容性、較低的毒性以及易于功能化的特征，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用嶄露頭角。經(jīng)過十余年的發(fā)展，碳點(diǎn)在簡化制備工藝的同時，優(yōu)化熒光性能，且拓展了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。紅光和近紅外熒光碳點(diǎn)是碳點(diǎn)中最具潛力實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化的材料，然而仍存在一些限制因素，比如紅光和近紅外熒光的碳點(diǎn)目前處于探索初期，相關(guān)報(bào)道較少，前驅(qū)體的選擇多為化學(xué)試劑，碳點(diǎn)制備工藝和后處理工藝較為繁瑣；其發(fā)射波長仍然較短；與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，熒光量子效率偏低。因此，在未來的工作中應(yīng)加大紅光和近紅外熒光碳點(diǎn)的研發(fā)力度，分析其發(fā)光機(jī)理，為制備近紅外一區(qū)、二區(qū)的高量子效率的熒光碳點(diǎn)起理論指導(dǎo)的作用，與此同時改進(jìn)制備工藝。碳點(diǎn)在腫瘤診療一體化中的應(yīng)用也處于起步階段，其光熱轉(zhuǎn)化效率、單線態(tài)氧的產(chǎn)率仍需進(jìn)一步提高。另外，碳點(diǎn)因其表面富含官能團(tuán)，還可起到載體作用，如碳點(diǎn)負(fù)載金屬離子，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像；碳點(diǎn)載藥，實(shí)現(xiàn)靶向治療腫瘤；也可實(shí)現(xiàn)多模態(tài)成像引導(dǎo)下的多模態(tài)治療。碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展示出良好的發(fā)展前景。

[1] Xu X, Ray R, Gu Y, et al. Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments[J]. J Am Chem Soc, 2004, 126(40): 12736-12737.

[2] Sun Y P, Zhou B, Lin Y, et al. Quantum-sized carbon dots for bright and colorful photoluminescence[J]. J Am Chem Soc, 2006, 128(24): 7756-7757.

[3] Wu X, Liu H, Liu J, et al. Immunofluorescent labeling of cancer marker Her2 and other cellular targets with semiconductor quantum dots[J]. Nat Biotechnol, 2003, 21(1): 41-46.

[4] Zhu S, Wang L, Zhou N, et al. The crosslink enhanced emission (CEE) in non-conjugated polymer dots: From the photoluminescence mechanism to the cellular uptake mechanism and internalization[J]. Chem Commun, 2014, 50(89): 13845-13848.

[5] Dong Y, Pang H, Yang H B, et al. Carbon-based dots co-doped with nitrogen and sulfur for high quantum yield and excitation-independent emission[J]. Angew Chem Int Edit, 2013, 52(30): 7800-7804.

[6] Yuan Y H, Liu Z X, Li R S, et al. Synthesis of nitrogen-doping carbon dots with different photoluminescence properties by controlling the surface states[J]. Nanoscale, 2016, 8(1): 294-297.

[7] Xiaoyou X, Robert R, Yunlong G, et al. Electrophoretic analysis and purification of fluorescent single-walled carbon nanotube fragments[J]. J Am Chem Soc, 2004, 126(40): 12736-12737.

[8] Cao L, Wang X, Meziani M J, et al. Carbon dots for multiphoton bioimaging[J]. J Am Chem Soc, 2007, 129(37): 11318-11319.

[9] Lu J, Yang J X, Wang J, et al. One-pot synthesis of fluorescent carbon nanoribbons, nanoparticles, and graphene by the exfoliation of graphite in ionic liquids[J]. ACS Nano, 2009, 3(8): 2367-2375.

[10] Bourlinos A B, Stassinopoulos A, Anglos D, et al. Photoluminescent carbogenic dots[J]. Chem Mater, 2008, 20(14): 4539-4541.

[11] Zhu H, Wang X, Li Y, et al. Microwave synthesis of fluorescent carbon nanoparticles with electrochemiluminescence properties[J]. Chem Commun, 2009, (34): 5118-5120.

[12] Wu Z L, Zhang P, Gao M X, et al. One-pot hydrothermal synthesis of highly luminescent nitrogen-doped amphoteric carbon dots for bioimaging from Bombyx mori silk-natural proteins[J]. J Mater Chem B, 2013, 1(22): 2868-2873.

[13] Wang X, Cao L, Yang S T, et al. Bandgap-like strong fluorescence in functionalized carbon nanoparticles[J]. Angew Chem Int Edit, 2010, 122(31): 5438-5442.

[14] Anilkumar P, Wang X, Cao L, et al. Toward quantitatively fluorescent carbon-based “quantum” dots[J]. Nanoscale, 2011, 3(5): 2023-2027.

[15] Yang S T, Wang X, Wang H, et al. Carbon dots as nontoxic and high-performance fluorescence imaging agents[J]. J Phys Chem C, 2009, 113(42): 18110-18114.

[16] Zheng X T, Ananthanarayanan A, Luo K Q, et al. Glowing graphene quantum dots and carbon dots: properties, syntheses, and biological applications[J]. Small, 2015, 11(14): 1620-1636.

[17] Miao P, Han K, Tang Y, et al. Recent advances in carbon nanodots: synthesis, properties and biomedical applications[J]. Nanoscale, 2015, 7(5): 1586-1595.

[18] Zhao A, Chen Z, Zhao C, et al. Recent advances in bioapplications of C-dots[J]. Carbon, 2015, 85: 309-327.

[19] Bhunia S K, Saha A, Maity A R, et al. Carbon nanoparticle-based fluorescent bioimaging probes[J]. Sci Rep, 2013, 3(3): 1473.

[20] Dong Y, Wang R, Li H, et al. Polyamine-functionalized carbon quantum dots for chemical sensing[J]. Carbon, 2012, 50(8): 2810-2815.

[21] Lei Y, Weihua J, Lipeng Q, et al. One pot synthesis of highly luminescent polyethylene glycol anchored carbon dots functionalized with a nuclear localization signal peptide for cell nucleus imaging[J]. Nanoscale, 2015, 7(14): 6104-6113.

[22] Sun X, Brückner C, Lei Y. One-pot and ultrafast synthesis of nitrogen and phosphorus co-doped carbon dots possessing bright dual wavelength fluorescence emission[J]. Nanoscale, 2015, 7(41): 17278-17282.

[23] Lihong S, Yanyan L, Xiaofeng L, et al. Facile and eco-friendly synthesis of green fluorescent carbon nanodots for applications in bioimaging, patterning and staining[J]. Nanoscale, 2015, 7(16): 7394-7401.

[24] Zhu C, Zhai J, Dong S. Bifunctional fluorescent carbon nanodots: green synthesis via soy milk and application as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction[J]. Chem Commun, 2012, 48(75): 9367-9369.

[25] Sahu S, Behera B, Maiti T K, et al. Simple one-step synthesis of highly luminescent carbon dots from orange juice: application as excellent bio-imaging agents[J]. Chem Commun, 2012, 48(70): 8835-8837.

[26] Wang J, Wang C F, Chen S. Amphiphilic egg-derived carbon dots: rapid plasma fabrication, pyrolysis process, and multicolor printing patterns[J]. Angew Chem Int Edit, 2012, 51(37): 9297-9301.

[27] Zhang Z, Sun W, Wu P. Highly photoluminescent carbon dots derived from egg white: facile and green synthesis, photoluminescence properties, and multiple applications[J]. ACS Sustain Chem Eng, 2015, 3(7): 1412-1418.

[28] Sun Y P, Wang P, Lu Z, et al. Host-guest carbon dots for enhanced optical properties and beyond[J]. Sci Rep, 2015, 5: 12354.

[29] Stan C, Albu C, Coroaba A, et al. One step synthesis of fluorescent carbon dots through pyrolysis of N-hydroxysuccinimide[J]. J Mater Chem C, 2015, 3(4): 789-795.

[30] Wang C, Xu Z, Cheng H, et al. A hydrothermal route to water-stable luminescent carbon dots as nanosensors for pH and temperature[J]. Carbon, 2015, 82: 87-95.

[31] Xu Y, Jia X-H, Yin X-B, et al. Carbon quantum dot stabilized gadolinium nanoprobe prepared via a one-pot hydrothermal approach for magnetic resonance and fluorescence dual-modality bioimaging[J]. Anal Chem, 2014, 86(24): 12122-12129.

[32] Yang Y, Cui J, Zheng M, et al. One-step synthesis of amino-functionalized fluorescent carbon nanoparticles by hydrothermal carbonization of chitosan[J]. Chem Commun, 2012, 48(3): 380-382.

[33] Yang Z-C, Wang M, Yong A M, et al. Intrinsically fluorescent carbon dots with tunable emission derived from hydrothermal treatment of glucose in the presence of monopotassium phosphate[J]. Chem Commun, 2011, 47(42): 11615-11617.

[34] Hsu P-C, Shih Z-Y, Lee C-H, et al. Synthesis and analytical applications of photoluminescent carbon nanodots[J]. Green Chem, 2012, 14(4): 917-920.

[35] Chen B, Li F, Li S, et al. Large scale synthesis of photoluminescent carbon nanodots and their application for bioimaging[J]. Nanoscale, 2013, 5(5): 1967-1971.

[36] Yang S, Sun J, Li X, et al. Large-scale fabrication of heavy doped carbon quantum dots with tunable-photoluminescence and sensitive fluorescence detection[J]. J Mater Chem A, 2014, 2(23): 8660-8667.

[37] Zhang J, Yuan Y, Liang G, et al. Scale-up synthesis of fragrant nitrogen-doped carbon dots from bee pollens for bioimaging and catalysis[J]. Adv Sci, 2015, 2(4): 1-6.

[38] Li L, Lu C, Li S, et al. A high-yield and versatile method for the synthesis of carbon dots for bioimaging applications[J]. J Mater Chem B, 2017, 5(10): 1935-1942.

[39] Jiang W, Singhal A, Kim B Y S, et al. Assessing near-infrared quantum dots for deep tissue, organ, and animal imaging applications[J]. Jala-J Lab Autom, 2008, 13(3): 6-12.

[40] Agostinis P, Berg K, Cengel K A, et al. Photodynamic therapy of cancer: an update[J]. CA-CANCER J CLIN, 2011, 61(4): 250-281.

[41] Pan L, Sun S, Zhang A, et al. Truly fluorescent excitation-dependent carbon dots and their applications in multicolor cellular imaging and multidimensional sensing[J]. Adv Mater, 2015, 27(47): 7782-7787.

[42] Ding H, Yu S-B, Wei J-S, et al. Full-color light-emitting carbon dots with a surface-state-controlled luminescence mechanism[J]. ACS Nano, 2015, 10(1): 484-491.

[43] Jiang K, Sun S, Zhang L, et al. Red, green, and blue luminescence by carbon dots: Full-color emission tuning and multicolor cellular imaging[J]. Angew Chem Int Edit, 2015, 54(18): 5360-5363.

[44] Xiaoyun T, Yunchao L, Xiaohong L, et al. Electrochemical synthesis of small-sized red fluorescent graphene quantum dots as a bioimaging platform[J]. Chem Commun, 2015, 51(13): 2544-2546.

[45] Li L, Zhang R, Lu C, et al. In situ synthesis of NIR-Light emission carbon dots derived from spinach for bio-imaging application[J]. J Mater Chem B, 2017, 5(35): 7328-7334.

[46] Tao H, Yang K, Ma Z, et al. In vivo NIR fluorescence imaging, biodistribution, and toxicology of photoluminescent carbon dots produced from carbon nanotubes and graphite[J]. Small, 2012, 8(2): 281-290.

[47] Hannah A, Luke G, Wilson K, et al. Indocyanine green-loaded photoacoustic nanodroplets: dual contrast nanoconstructs for enhanced photoacoustic and ultrasound imaging[J]. Acs Nano, 2014, 8(1): 250-259.

[48] Barreto J A, O'malley W, Kubeil M, et al. Nanomaterials: applications in cancer imaging and therapy[J]. Adv Mater, 2011, 23(12): 18-40.

[49] Ge J, Jia Q, Liu W, et al. Red-emissive carbon dots for fluorescent, photoacoustic, and thermal theranostics in living mice[J]. Adv Mater, 2015, 27(28): 4169-4177.

[50] Liu Y, Ai K, Liu J, et al. Dopamine-melanin colloidal nanospheres: an efficient near-infrared photothermal therapeutic agent for in vivo cancer therapy[J]. Adv Mater, 2013, 25(9): 1353-1359.

[51] Ge J, Jia Q, Liu W, et al. Carbon dots with intrinsic theranostic properties for bioimaging, red-light-triggered photodynamic/photothermal simultaneous therapy in vitro and in vivo[J]. Adv Healthc Mater, 2016, 5(6): 665-675.