張路鵬，張清梅，2*，何松杰，杜秀娟，陳峰華，李 冰

（1.太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030024；2.福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州 350117；3.山西醫(yī)科大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院，山西 太原 030001）

1 引 言

碳點(diǎn)（Carbon dots，CDs）作為一種新型的零維碳基納米材料具有優(yōu)異的光學(xué)特性、良好的生物相容性以及低毒性，在傳感[1-3]、生物成像[4-7]、藥物遞送[8-11]、光熱/光動(dòng)力治療（Photodynamic therapy，PDT）[12-16]、光電器件[17-18]以及防偽加密[19-21]等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著對(duì)CDs 研究的深入，人們開始意識(shí)到，原始CDs 存在諸多缺點(diǎn)，距離實(shí)際應(yīng)用路途遙遠(yuǎn)。例如，原始CDs 表面缺乏對(duì)分析物的特定識(shí)別基團(tuán)，導(dǎo)致檢測(cè)的特異性較低，同時(shí)檢測(cè)過程中也會(huì)受到潛在干擾。大多數(shù)CDs 的激發(fā)和發(fā)射波長較短，且熒光量子產(chǎn)率（Quantum yield，QY）較低，無法實(shí)現(xiàn)深層組織成像，故不能滿足人們對(duì)高品質(zhì)生物成像的要求。為了精準(zhǔn)調(diào)控CDs 的發(fā)光特性和開發(fā)新的應(yīng)用，需要對(duì)CDs 進(jìn)行表面鈍化和功能化處理。表面鈍化方法通常分為共價(jià)修飾和非共價(jià)修飾兩大類，該方法的主要目的是提高CDs 的QY 以及對(duì)CDs表面官能團(tuán)進(jìn)行調(diào)控，關(guān)于這一點(diǎn)在Zhou 等的綜述里做了比較系統(tǒng)的闡述[22]。雜原子摻雜CDs 的綜述文獻(xiàn)較多[23-30]，除了常見的非金屬摻雜外[24,27-28]，最近又有金屬離子摻雜CDs 的綜述報(bào)道[25-26,29]，更具體的還有稀土金屬離子摻雜CDs 的綜述報(bào)道[26]。由此可以看出，雜原子摻雜也是CDs 功能化的一種很重要方法。通過雜原子摻雜CDs，一方面可以調(diào)控CDs 的熒光性質(zhì)并提高QY[31-32]，另一方面也可以拓寬CDs 在傳感[33-37]、生物 成 像[38-40]、腫 瘤 治 療[11,41-43]、促 成 骨[44-46]及 其 抗菌[47-48]等領(lǐng)域的應(yīng)用。CDs 的功能化及其應(yīng)用猶如鳥之兩翼，二者需要協(xié)同發(fā)展。同時(shí)，CDs 的功能化是CDs 應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

本綜述對(duì)近年來有關(guān)CDs 功能化的常用方法，包括表面鈍化和雜原子摻雜進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，同時(shí)對(duì)功能化CDs 在性能調(diào)控和生物醫(yī)學(xué)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了較為系統(tǒng)的梳理。最后對(duì)功能化CDs 發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并提出了目前面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展的方向。

2 表面鈍化

與其他量子點(diǎn)和熒光染料相比[49]，CDs 具有優(yōu)異的光學(xué)性能、簡單的合成策略和對(duì)環(huán)境的低毒性等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的研究。然而，早期合成的原始CDs 表面主要由羥基、羧基、醛基等相對(duì)簡單的官能團(tuán)構(gòu)成，大多數(shù)CDs 的QY 較低且在特異性識(shí)別目標(biāo)物方面顯得不盡如人意，極大地阻礙了實(shí)際應(yīng)用[50-51]。為了改善CDs 的熒光性能并拓展其應(yīng)用范圍，人們開始思考對(duì)CDs 進(jìn)行表面鈍化。

2.1 共價(jià)修飾

針對(duì)CDs 不同的表面基團(tuán)設(shè)計(jì)性地選取修飾劑是共價(jià)修飾最突出的優(yōu)點(diǎn)。CDs 與修飾劑之間通過共用外層電子形成共價(jià)鍵，將新的官能團(tuán)引入CDs 表面以構(gòu)建新的共軛體系，從而改變CDs的熒光性質(zhì)。根據(jù)CDs 和修飾劑之間不同的官能團(tuán)反應(yīng)，可將共價(jià)修飾分為：酰胺偶聯(lián)反應(yīng)、共聚合反應(yīng)、磺酸化反應(yīng)、酯化反應(yīng)和硅烷化反應(yīng)等，反應(yīng)機(jī)制示意圖如圖1 所示。

圖1 （a）酰胺化反應(yīng)；（b）共聚合反應(yīng)；（c）磺酸化反應(yīng)；（d）酯化反應(yīng)；（e）硅烷化反應(yīng)。Fig.1 （a）Amidation reaction.（b）Copolymerization.（c）Sulfonic reaction.（d）Esterification reaction.（e）Silanization reaction.

酰胺偶聯(lián)反應(yīng)是利用CDs 表面特定的官能團(tuán)（羧基、氨基），通過酰胺反應(yīng)將功能化分子偶聯(lián)在CDs 表面。2004 年，Xu 等[52]在 純化單壁碳 納 米 管的過程中首次發(fā)現(xiàn)了一種具有熒光的碳納米顆粒。而2006 年，Sun 等[53]采用石墨粉和水泥的混合物熱壓制備碳靶，以氬氣為載氣，通過激光燒蝕碳靶制備CDs，在HNO3中回流后未發(fā)現(xiàn)熒光CDs。然而，通過將簡單的有機(jī)物（聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）或聚丙酰亞乙基亞胺-乙烯亞胺）附著在酸處理的碳顆粒上進(jìn)行表面鈍化，可以觀察到明亮的熒光，如圖2（a）所示。此后，含氨基化合物被廣泛用于常規(guī)CDs 的鈍化和功能化[54-55]，特別是針對(duì)于裸CDs 表面的少量羧基進(jìn)行酰胺偶聯(lián)反應(yīng)。

圖2 酰胺化反應(yīng)。（a）PEG 功能化CDs 熒光圖［53］；（b）PEI-CDs 的制備及其檢測(cè)凝血酶或ATP 示意圖［60］。Fig.2 Amidation reaction.（a）Fluorescence image of PEG functionalized CDs［53］.（b）Schematic diagram of PEI-CDs preparation and detection of thrombin or ATP［60］.

聚多巴胺（Poly-dopamine，PDA）中含有大量的鄰苯二酚和一、二級(jí)胺，是一種富含氨基的化合物。同時(shí)，PDA 具有制備方法簡單、良好的生物相容性以及優(yōu)異的光熱特性等諸多優(yōu)點(diǎn)[56-57]。Pappalardo 等[58]以半乳糖、檸檬酸（Citric acid，CA）為碳源，PDA 為鈍化劑，通過微波輔助熱解反應(yīng)合成PDA 鈍化熒光碳點(diǎn)（PDA-CDs）。用PDA 鈍化后，CDs 最佳發(fā)射峰的位置從420 nm 紅移到510 nm。且鈍化后PDA-CDs 表現(xiàn)出激發(fā)不依賴的熒光特性，QY 從1.3%提高到4.6%。此外，對(duì)J774 和CHO-K1 細(xì)胞系的毒性研究表明，與未鈍化的CDs 相比，PDA 鈍化后CDs 的細(xì)胞毒性明顯降低。類似地，Sun 等[32]通過一鍋微波輔助熱解甘油和PDA 的方法合成了PDA-CDs。與原始CDs相比，由于PDA 中 富 含N 原子，獲得PDA-CDs 的QY 是 原 始CDs 的3 倍，產(chǎn) 率 約 為 原 始CDs 的1.5 倍。

聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）是一種親水性聚合物，在主鏈和支鏈上都有許多活性胺基[59]。豐富的胺基可以與含羧基的原始CDs 發(fā)生酰胺反應(yīng)形成穩(wěn)定的酰胺鍵。由于大量帶正電荷的胺基存在，在CDs 表面涂覆親水PEI 后不僅可以使CDs 的熒光QY、水溶性、穩(wěn)定性和生物相容性都得到改善，往往還可以改變CDs 表面的電負(fù)性。Guo 等[60]以蘋果酸為碳源，PEI 為鈍化劑，采用水熱法制備了QY 高達(dá)41%的PEI-CDs，如圖2（b）所示。鈍化后的PEI-CDs 在生理pH 值下能靜電結(jié)合帶負(fù)電荷的適配體，從而導(dǎo)致熒光猝滅。加入凝血酶或ATP 后，其與相應(yīng)適配體之間的強(qiáng)相互作用使得適配體從PEI-CDs 中釋放出來，熒光逐漸恢復(fù)。這里，PEI 不僅改變CDs 的熒光性質(zhì)，還充當(dāng)了CDs 連接適配體的重要橋梁。

核酸適配體是一種通過指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)選擇出來的具有特定序列的DNA 或RNA寡核苷酸，并通過堿基配對(duì)與目標(biāo)分子特異性結(jié)合[61]。作為一種生物識(shí)別元件，適配體因其更高的特異性、穩(wěn)定性、易于修飾和更低的生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為抗體最優(yōu)質(zhì)的替代材料[62-65]。同時(shí)，適配體很容易與不同的功能性分子結(jié)合，且合成方法較為簡單[66]。Rezaei 等[67]以CA、乙二胺和橙汁為碳源，采用水熱法分別制備CDs1和CDs2，如圖3（a）所示。兩種CDs 分別與溶菌酶（Lysozyme，LYS）適配體和三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）適配體共價(jià)結(jié)合成CDs1-LYS 適配體和CDs2-ATP 適配體混合探針，該探針適配體中的堿基與CoOOH 納米片基面之間通過范德華力相互作用，使探針吸附在CoOOH 納米片（常用的猝滅劑）表面，導(dǎo)致混合探針的熒光信號(hào)被猝滅。加入ATP 和LYS 后，由于適配體與目標(biāo)物之間的強(qiáng)作用力使得CDs1-LYS 適配體和CDs2-ATP 適配體從CoOOH 納米片中釋放出來。因此，猝滅后的熒光信號(hào)逐漸恢復(fù)，且熒光強(qiáng)度與加入ATP 和LYS 的濃度成正比。在最佳條件下，對(duì)ATP 和LYS 的 檢 出 限（Limit of detection，LOD）分 別 為4.0 nmol·L-1和1.8 nmol·L-1。

血管內(nèi)皮生長因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）可以誘導(dǎo)產(chǎn)生血管生成性眼病，開發(fā)一種對(duì)眼內(nèi)VEGF 具有抑制作用且可以無創(chuàng)監(jiān)測(cè)其濃度的復(fù)合材料是一項(xiàng)科學(xué)挑戰(zhàn)。基于此，Willner 等[68]開發(fā)了一種VEGF 適配體功能化的CDs，以CDs 為載體通過其攜帶的抗VEGF 適配體來抑制VEGF 的產(chǎn)生，如圖3（b）所示。首先將羧酸功能化的CDs 以共價(jià)連接的方式與氨基酸修飾核酸適配體1 連接，而適配體1 與抗VEGF 適配體部分互補(bǔ)，形成CDs@適配體1@抗VEGF 適配體2。在VEGF 存在時(shí)，抗VEGF 適配體從CDs表面脫離，形成VEGF/適配體復(fù)合物。通過以上雜交系統(tǒng)成功將抗VEGF 適配體輸送至眼腔，并在VEGF 存在時(shí)刺激抗VEGF 適配體的釋放，從而抑制VEGF 在眼腔中的生成。

圖3 （a）CDs1、CDs2分別共價(jià)結(jié)合LYS 適配體和ATP 適配體檢測(cè)LYS 和ATP 示意圖［67］；（b）抗VEGF 適配體負(fù)載及釋放過程［68］。Fig.3 （a）Schematic diagram of detecting LYS and ATP by covalently binding LYS aptamer and ATP aptamer with CDs1 and CDs2 respectively［67］.（b）Loading and release process of anti-VEGF aptamer［68］.

共價(jià)修飾的CDs 在腫瘤治療方面也展現(xiàn)出巨大的潛力。Xie 等[69]以CA 為碳源、多烯聚胺為鈍化劑，采用熱解法制備表面富含氨基官能團(tuán)的CDs，與鉑（Ⅳ）復(fù)合物（Oxa（Ⅳ）COOH）中羧基之間的縮合反應(yīng)合成一種新型的納米治療藥物（CD-Oxa）。這里，CDs 不僅可以作為藥物遞送的載體，同時(shí)可利用CDs 的熒光性質(zhì)對(duì)藥物進(jìn)行追蹤和檢測(cè)。Zheng 等[15]將含醛基的CDs 與帶有兩個(gè)氨基的硼二吡咯光敏劑偶聯(lián)，構(gòu)建了納米級(jí)共價(jià)有機(jī)框架（Covalentorganicframework，COFs）復(fù)合物。經(jīng)PEG 改性后的CCOFs@PEG 較CCOFs 具有更高的穩(wěn)定性、良好的分散性且易被癌細(xì)胞吸收，在光照條件下可產(chǎn)生大量活性氧來殺傷癌細(xì)胞，用于腫瘤治療。

共聚合反應(yīng)通常是將兩種或兩種以上的單體通過聚合反應(yīng)生成同時(shí)含有多種單體的聚合物。Ren 等[70]提出一種原位自由基聚合方法，該方法是一種不依賴于官能團(tuán)的鈍化方法。作者采用典型的化學(xué)氧化法合成裸碳點(diǎn)（CDs），將丙烯酸、甲基磺酸鈉和丙烯酸磷酸酯作為單體與過硫酸銨一起加入裸CDs 溶液中，單體聚合形成三元共聚物鈍化碳點(diǎn)（T-CDs），使其QY 顯著提高。在該工作的另一項(xiàng)研究中，以CA 和聚N-乙烯基咔唑（Poly（N-vinylcarbazole），PVK）為原料，在300 ℃下熱處理2 h，合成PVK-CDs。原位自由基聚合使PVK在CDs 周圍形成鈍化層，該鈍化層不僅使熒光QY顯著提高到40%，而且還改變了溶劑的親和力，提高了CDs 的光電子轉(zhuǎn)換能力等。與其他嚴(yán)重依賴于特定基團(tuán)的偶聯(lián)反應(yīng)不同，原位自由基聚合可以靈活選擇或設(shè)計(jì)單體來對(duì)CDs 進(jìn)行鈍化，從而使其具有不同的性質(zhì)和功能。

除此之外，其他共價(jià)修飾方法還包括：在原始CDs 表面引入磺酸基的磺化反應(yīng)，改變CDs 親水/疏水性質(zhì)的酯化反應(yīng)，以及通過硅烷與CDs 表面活性氫反應(yīng)形成硅殼來增加CDs 分散性的硅烷化反應(yīng)。Qin 等[71]以CA 和尿素為原料，微波法制備了氮摻雜碳點(diǎn)（NCDs），以1H-咪唑-4-甲酸和亞硫酰氯為前體制備含磺酸基的化合物1。通過磺酸化反應(yīng)，NCDs 表面的氫被化合物1 中的磺酸基取代，并將其共價(jià)結(jié)合到NCDs 表面，從而制備了一種對(duì)水高度敏感的CDs-咪唑熒光納米探針。該探針可通過熒光強(qiáng)度的變化測(cè)定不同有機(jī)溶劑中的水含量。引起CDs-咪唑熒光探針熒光強(qiáng)度變化的原因可能是隨著有機(jī)溶劑中水含量的增加，質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)形成的自由離子對(duì)抑制了光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移過程。同時(shí)，CDs-咪唑還可以探測(cè)活細(xì)胞中的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。Chen 等[72]以檸檬酸銨為碳源制備了熒光碳量子點(diǎn)（CQDs），并通過脫水反應(yīng)將甘露糖（Mannose，Man）和葉酸（Folic acid，F(xiàn)A）分子修飾到CQDs 表面，分別制備了甘露糖和葉酸功能化CQDs（Man-CQDs 和FA-CQDs）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Man-CQDs 可選擇性標(biāo)記大腸桿菌，而FACQDs 可選擇性標(biāo)記葉酸受體過表達(dá)的腫瘤細(xì)胞。Rao 等[73]首先以CA 為碳源，水熱法制備藍(lán)色熒光CDs；其次通過硅烷化反應(yīng)對(duì)CDs 進(jìn)行包覆得到CDs@SiO2復(fù)合物，并在其表面修飾氨基官能團(tuán)；最后將羧基修飾的紅色熒光量子點(diǎn)通過酰胺化反應(yīng)共價(jià)結(jié)合到CDs@SiO2上，構(gòu)建了比率型熒光探針用于測(cè)定蔬菜和水果樣品中Cu2+的含量。

綜上所述，CDs 與修飾劑、功能化小分子、適配體之間通過特定反應(yīng)來構(gòu)建新的共軛體系，可提升CDs 的熒光性能、提高傳感的特異性識(shí)別能力、增強(qiáng)藥物遞送過程的靶向性。因此，對(duì)CDs 進(jìn)行有設(shè)計(jì)性和針對(duì)性的共價(jià)修飾是提升其熒光性能和拓寬應(yīng)用范圍的重要方法。

2.2 非共價(jià)修飾

基于CDs 與功能化分子之間的非共價(jià)修飾是CDs 應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要方法，主要包括：π-π 堆積、靜電相互作用、氫鍵作用等。與共價(jià)修飾相比，非共價(jià)修飾可在對(duì)CDs 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較小影響基礎(chǔ)上引入新的官能團(tuán)、靶向分子，進(jìn)而可以改善CDs 的熒光性能以及特異性識(shí)別能力。

2.2.1 π-π 鍵堆積

CDs 與適配體之間通過π-π 相互作用結(jié)合，這種結(jié)合力通常是可逆的且比較弱。在目標(biāo)物出現(xiàn)時(shí)適配體從CDs 表面脫離，導(dǎo)致CDs 熒光強(qiáng)度發(fā)生變化，從而達(dá)到熒光檢測(cè)或可視化追蹤的目的。Yang 等[74]以番茄汁為碳源制備CDs，通過ππ 相互疊加作用將癌胚抗原（Carcinoembryonic antigen，CEA）適配體吸附到CDs 表面，形成CDs-CEA-Apt 復(fù)合物，導(dǎo)致熒光猝滅。加入CEA 后，CDs 的熒光立即恢復(fù)，在0.5～1 ng·mL-1范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 了 對(duì)CEA 的 定 量 檢 測(cè)，LOD 為0.3 ng·mL-1。Wang 等[75]設(shè)計(jì)了一種基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移的傳感器，用于檢測(cè)貝類過敏原精氨酸激酶（Arginine kinase，AK），其中CDs 可以作為熒光供體，通過π-π 相互疊加作用吸附適配體（Aptamer，Apt）來構(gòu)建Apt-CDs 熒光探針，如圖4（a）所示。以Apt-CDs 為能量供體，氧化石墨烯為能量受體，由于共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)導(dǎo)致CDs 熒光猝滅。添加貝類過敏原AK 后，CDs-Apt 從氧化石墨烯表面釋放，形成CDs-Apt-AK 復(fù)合物，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度恢復(fù)。熒光探針檢測(cè)AK 的線性范圍為0.001～10 μg·mL-1，LOD 為0.14 ng·mL-1。

Zheng 等[76]以3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-十三氟-1-辛醇和PEI為原料，制備了氟摻雜碳點(diǎn)（FCDs），如圖4（b）所示。基于FCDs的核靶向能力，將抗腫瘤藥物阿霉素（Doxorubicin，DOX）通過π-π 鍵堆疊的方式負(fù)載到FCDs表面，以此來構(gòu)建一種納米復(fù)合材料（FCDs-DOX）用于藥物遞送。此外，F(xiàn)CDs還可以通過非共價(jià)結(jié)合的方式負(fù)載染料（BODIPY），用于提高BODIPY的細(xì)胞攝取和傳遞。

圖4 （a）CDs 與適配體π-π 堆疊用于檢測(cè)AK［75］；（b）CDs 與DOX π-π 堆疊用于藥物遞送［76］；（c）CDs-GOx 制備及其應(yīng)用于腫瘤治療［81］；（d）CBNPs 制備以及應(yīng)用于PDT［82］。Fig.4 （a）CDs is stacked with aptamer π-π to detect AK［75］.（b）CDs stacks with DOX π-π for drug delivery［76］.（c）Preparation of CDS-GOx and its application in tumor therapy［81］.（d）Preparation of CBNPs and its application in PDT［82］.

2.2.2 靜電相互作用

CDs 表面存在著大量的羥基、羧基、氨基等帶負(fù)電荷（正電荷）的官能團(tuán)，可以與帶正電荷（負(fù)電荷）的適配體通過靜電相互作用形成復(fù)合物。經(jīng)適配體修飾的CDs 具有優(yōu)異的靶向性，在靶向生物成像、藥物監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Zhu 等[77]以CA 和乙二胺為碳源，水熱法合成CDs 并與帶正電荷的PEI 組裝，然后通過靜電作用與AS1411 偶聯(lián)，形成CDs-PEIAS1411 復(fù)合物。在這個(gè)體系中，PEI 不僅改變了CDs 表面的負(fù)電性，還充當(dāng)連接CDs 與AS1411 適配體的橋梁。該體系已成功應(yīng)用于癌癥細(xì)胞的靶向熒光成像。Guo 等[60]以蘋果酸和PEI 為前驅(qū)體，水熱法制備的PEI-CDs 表面帶有正電荷，并可以靜電結(jié)合帶有負(fù)電荷的凝血酶適配體和ATP 適配體。在PEI-CDs 與適配體靜電相互作用下導(dǎo)致CDs 熒光猝滅，加入凝血酶或ATP 后熒光逐漸恢復(fù)。PEI-CDs 熒光強(qiáng)度與加入凝血酶或ATP 濃度呈良好的線性關(guān)系，LOD 分別為1.2 nmol·L-1和13 nmol·L-1。

2.2.3 多種作用力協(xié)同作用

除通過單一作用力實(shí)現(xiàn)CDs 與功能化小分子結(jié)合外，還存在多種作用力共同作用的情況[6,78-80]。葡萄糖氧化酶（Glucose oxidase，GOx）是一種需氧脫氫酶，在耗氧條件下可以氧化葡萄糖生成葡萄糖酸和過氧化氫，導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境中營養(yǎng)缺乏、缺氧及酸性增強(qiáng)，是癌癥治療的理想選擇。然而，GOx 具有穩(wěn)定性和膜穿透性差等缺點(diǎn)，阻礙了其在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。Xie 等[81]以CA 和谷氨酰胺的兩種異構(gòu)體（L-谷氨酰胺和D-谷氨酰胺）為原料，分別制備了L-CDs 和D-CDs，如圖4（c）所示。并通過靜電相互作用和氫鍵作用在L/D-CDs 表面負(fù)載GOx，構(gòu)建了一種手性CDs-GOx 共組裝納米反應(yīng)器（L/DGOx）。該L/DGOx可增強(qiáng)GOx 的活性并改善其膜穿透性，提高GOx 進(jìn)入癌細(xì)胞的遞送效率。L/DGOx 還可以通過GOx 產(chǎn)生過氧化氫來殺傷細(xì)胞，抑制腫瘤生長。Zheng 等[82]以多巴胺和鄰苯二胺為原料制備CDs，將其與光敏劑（BODIPY）通過分子間相互作用非共價(jià)結(jié)合制備了多功能納米復(fù)合材料（CBNPs），如圖4（d）所示。由于CDs 的存在，不僅使BODIPY 的溶解度得到改善，而且CDs 還可以作為能量供體通過熒光共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)制增強(qiáng)BODIPY 的PDT 效應(yīng)。

與共價(jià)修飾不同，非共價(jià)修飾在不改變CDs碳核結(jié)構(gòu)的情況下，CDs 表面的官能團(tuán)通過π-π堆疊、靜電相互作用、氫鍵作用以及多種作用力協(xié)同作用的方式結(jié)合功能化小分子，使得CDs 在傳感、靶向藥物遞送、腫瘤治療等方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，這種功能化方法也有其固有的局限性，諸如作為熒光探針的穩(wěn)定性、靶向藥物遞送的載藥效率以及腫瘤治療的痊愈率及愈后評(píng)估等都將是將其推向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)面臨的重要挑戰(zhàn)。

3 雜原子摻雜

雜原子摻雜也是對(duì)CDs 進(jìn)行功能化的一種常用方法[27]。根據(jù)摻雜元素的不同，可以分為非金屬摻雜和金屬摻雜兩種類型。具體來說，非金屬摻雜可以通過調(diào)節(jié)CDs的電子特性（電子供體或受體）、表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分來改善CDs的熒光性能；金屬摻雜不僅可以調(diào)控CDs的發(fā)光性質(zhì)，而且極大地豐富了CDs在光熱和光動(dòng)力學(xué)治療癌癥及其他生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。此外，按照摻雜原子數(shù)量的不同，又可以將摻雜分為單原子摻雜和多原子摻雜。

3.1 非金屬摻雜

常見的非金屬摻雜原子包括N、S、P、B、Si 等，這些原子摻雜可以通過調(diào)節(jié)CDs 的電子特性（電子供體或受體）、表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分來改善CDs的熒光性能[23,83-84]。例如，氮（N）摻雜可以在不顯著增大CDs 尺寸的情況下，有效地加快分子中的電子轉(zhuǎn)移速率。因此，N 摻雜CDs 表現(xiàn)出更明亮的熒光[85]。硫（S）摻雜可以為光激發(fā)電子捕獲提供能量或發(fā)射陷阱態(tài)，從而改變CDs 的電子結(jié)構(gòu)[86]。磷（P）也是一種具有高供電子能力的非金屬原子，通過為CDs 提供新的活性位點(diǎn)來提高電子轉(zhuǎn)移能力[87]。與未摻雜的CDs 相比，摻雜CDs往往表現(xiàn)出激發(fā)不依賴現(xiàn)象并且有更高的QY[58]。表1 對(duì)雜原子摻雜前后CDs 性能作了比較。除此之外，還可以通過同時(shí)摻雜兩個(gè)或多個(gè)不同的原子協(xié)同改善CDs 的熒光性能，稱為多原子摻雜[88]。近年來已有大量關(guān)于非金屬原子摻雜的綜述報(bào)道[24,27-28]，在此不再贅述。

表1 雜原子摻雜前后CDs 性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of CDs before and after heteroatomic doping

3.2 金屬摻雜

目前，對(duì)于非金屬摻雜研究較多，而金屬摻雜研究相對(duì)較少。研究表明，金屬離子摻雜不僅可以改善CDs 的光學(xué)性能，而且還可以賦予CDs 一些新功能。根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的不同，金屬元素?fù)诫s可分為過渡金屬摻雜和稀土金屬摻雜。例如，釓摻雜CDs 用于增強(qiáng)磁共振成像[96]、釕摻雜CDs 用于光動(dòng)力學(xué)癌癥治療和熒光成像[97]、鑭系（Yb，Nd）摻雜的CDs 使它們具有近紅外發(fā)射[98]。在CDs 中摻雜過渡金屬（Mn，Cu，F(xiàn)e）可以極大地增強(qiáng)CDs 的近紅外吸收，使其在光動(dòng)力學(xué)和光熱治療癌癥方面具有潛在的應(yīng)用前景[99-101]。

錳（Mn）是人體必需的微量元素之一，對(duì)人體健康十分重要。同時(shí)Mn 具有多價(jià)態(tài)，多價(jià)態(tài)之間的電子傳導(dǎo)過程有利于改善Mn 摻雜CDs 的熒光性能。Wang 等[102]首先以酞菁錳（Mn-Pc）為原料、無水乙醇為溶劑，溶劑熱制備了具有磁性的熒光碳點(diǎn)（Mn-CDs），如圖5 所示。然后通過與磷脂-PEG 自組裝來構(gòu)建Mn-CDs 復(fù)合體系，以此來改變Mn-CDs 的水溶性。與Mn-Pc（Mn-CDs 的前體）相比，Mn-CDs 的熒光吸收峰表現(xiàn)出明顯的紅移，可能原因?yàn)镸n-CDs 中的Pc 發(fā)生了芳香結(jié)構(gòu)的J-聚集。由于Mn-CDs 具有近紅外區(qū)域的發(fā)射波長以及Mn（Ⅱ）的高順磁性，使得Mn-CDs 復(fù)合體系可作為造影劑用于近紅外熒光成像（Fluorescence imaging，F(xiàn)L）和磁共振 成 像（Magnetic resonance imaging，MRI）。更為重要的是，Mn-CD 復(fù)合體系不僅可以有效地生成單線氧（1O2）應(yīng)用于PDT，還可以催化H2O2生成氧氣，通過提高腫瘤微環(huán)境中的氧含量來提高PDT 效率。

圖5 Mn-CDs 組裝體的制備及其應(yīng)用于FL/MRI 成像和PDT［102］Fig.5 Preparation of Mn-CDS assemblers and their applications in FL/MRI imaging and PDT［102］

氧化鐵納米顆粒很早就應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，具有增強(qiáng)MRI 效果、磁靶向和協(xié)同磁熱療等功能[103-105]。Jin 等[106]以鐵（Ⅱ）酞菁（FePc）為前驅(qū)體，通過水熱法一步制備了Fe 摻雜碳點(diǎn)（Fe@CDs）。通過兩親性聚合物培化磷脂酰乙醇胺（DSPEMPEG2000）的自組裝和含有樹枝狀精氨酸與二硫鍵的陽離子脂肽（RLS）的修飾，得到具有良好水溶性和生物相容性的Fe@CDs 納米雜化物（PEG-RLS/Fe@CDs）。 在 波 長 為660 nm 激 光（0.5 W·cm-2）照 射10 min 后，PEG-RLS/Fe@CDs水分散體呈現(xiàn)出具有濃度依賴性的光熱效應(yīng)。當(dāng)Fe@CDs 濃 度 為400 lg·mL-1時(shí)，水 分 散 體 的 溫 度可迅速從24.3 ℃上升到52.3 ℃，而對(duì)照組水溶液中的溫度僅升高了1.4 ℃。進(jìn)一步采用密度泛函理論計(jì)算方法探究Fe@CDs 的光熱轉(zhuǎn)化機(jī)理，結(jié)果表明，LUMO 分布的變化導(dǎo)致酞菁（Pc）和FePc的禁帶能相應(yīng)地發(fā)生改變（Eg（Pc）為2.14 eV，Eg（FePc）為1.60 eV）。如圖6 所示，較低的禁帶能隙可以使FePc 基CDs 在660 nm 的輻照下成功進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，然后通過無輻射過程誘導(dǎo)復(fù)合并產(chǎn)生熱量。

圖6 Fe@CDs 應(yīng)用于光熱治療及其光熱轉(zhuǎn)化機(jī)理示意圖［106］Fig.6 Schematic diagram of Fe@CDs applying in photothermal therapy and photothermal transformation mechanism[106]

銪（Eu）作為稀土元素中最活潑的金屬，其化合物常用作熒光粉，以此來增強(qiáng)發(fā)光材料的發(fā)光效率。因此，摻雜稀土元素也是改善CDs 熒光性質(zhì)的一種有效途徑。Wang 等[107]首先以CA 和乙二胺為原料制備表面富含氨基的碳點(diǎn)（CDs-NH2），通過在緩沖液中加入二乙三胺五乙酸（DTPA）進(jìn)一步構(gòu)建了具有良好生物相容性的熒光納米探針（CDs-DTPA-Eu），如圖7（a）所示。該探針可用于檢測(cè)水和牛奶中的四環(huán)素（TC），且隨著TC 含量的增加，CDs-DTPA-Eu 的熒光強(qiáng)度不斷減弱，LOD低至32 nmol·L-1，如圖7（b）所示。這里熒光猝滅的機(jī)制可能是TC 與Eu3+重新配位，導(dǎo)致靜態(tài)猝滅。而在CDs-DTPA-Eu-TC 中加入過氧化氫，強(qiáng)烈的紅色熒光恢復(fù)且其熒光強(qiáng)度隨著H2O2含量的增加而增大，如圖7（c）所示?；贑Ds-DTPAEu 穩(wěn)定的熒光特性和良好的生物相容性，該探針還可以通過細(xì)胞膜來檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)TC 含量和H2O2水平的變化，如圖7（d）所示。更重要的是，CNDs-DTPA-Eu 熒光探針具有無毒、低檢測(cè)限和高生物相容性的優(yōu)點(diǎn)，滿足了細(xì)胞內(nèi)有效檢測(cè)的要求。以上結(jié)果驗(yàn)證了稀土摻雜CDs 基納米探針在實(shí)際診斷中的潛力。然而，它們的可辨別性和敏感性是未來需要進(jìn)一步改進(jìn)的挑戰(zhàn)。

圖7 CDs-DTPA-Eu 制備及其應(yīng)用于TC/H2O2傳感和細(xì)胞成像［107］Fig.7 Preparation of CDs-DTPA-Eu and its application in TC/H2O2 sensing and cell imaging［107］

釓（Gd）是稀土元素中擁有最多不成對(duì)電子以及最大磁力矩的元素，該特性使得釓摻雜的造影劑（Gd-DTPA、Gd-DOTA）在臨床MRI 中發(fā)揮著重要作用。然而，游離Gd3+離子在體內(nèi)具有一定的毒性，為此設(shè)計(jì)一種含釓的納米探針來抑制釓泄漏引起的副作用顯得尤為重要。Chen 等[43]以3，4-二羥基苯基丙酸和無水氯化釓作為碳源和磁共振造影劑，乙二胺作為鈍化劑，水熱法制備釓摻雜碳點(diǎn)（Gd@CDs）。Gd@CDs 作為T1造影劑，通過增強(qiáng)周圍水分子的縱向弛豫率，改善MRI 效果，如圖8 所示。相同Gd 含量下，Gd@CDs 比商用MRI造影劑Gd-DTPA 更亮更清晰，且Gd@CDs 具有較低的細(xì)胞毒性和較好的生物安全性。

圖8 Gd@CDs 與Gd-DTPA 的MRI 成像性能對(duì)比［43］Fig.8 Comparison of MRI imaging performance between Gd@CDs and GD-DTPA［43］

Zheng 等[5]以CA、硫脲（TU）和四氯化鉿（Hf-Cl4）為原料，通過熱解法制備了具有FL 成像和計(jì)算機(jī)X 射線體層成像（CT）的雙模態(tài)成像納米探針（Hf-CDs）。將該探針與HeLa 細(xì)胞共孵育6 h，利用激光共聚焦掃描顯微鏡成像，在波長為488 nm 和555 nm 的激發(fā)光下，可在HeLa 細(xì)胞中分別觀測(cè)到綠色熒光和紅色熒光。同時(shí)，與商用造影劑（碘克沙醇）作為對(duì)照，進(jìn)一步研究了Hf-CDs 的CT 成像性能。如圖9（a）所示，隨著Hf-CDs 和碘克沙醇濃度的增加，CT 值明顯增加，且具有良好的線性關(guān)系。且從圖9（b）可以看出，CT 值與不同濃度Hf-CDs 之間線性關(guān)系的斜率高于碘克沙醇，說明Hf-CDs 可作為CT 成像的有效造影劑。此外，靜脈注射實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示Hf-CDs 可以通過腎臟排出，表明Hf-CDs 具有良好的生物安全性。作者進(jìn)一步建立了原位宮頸腫瘤模型和右肢皮下腫瘤模型，結(jié)果都能夠在腫瘤中檢測(cè)到強(qiáng)的FL/CT 信號(hào)。這一工作表明Hf-CDs 對(duì)腫瘤靶向和成像的普適性，有作為CT 成像劑應(yīng)用到臨床上的潛力。

圖9 Hf-CDs 與碘克沙醇的CT 成像性能對(duì)比［5］Fig.9 Comparison of CT imaging performance between Hf-CDs and iodixanol［5］

鋅（Zn）是一種人體所必需的微量元素，可以促進(jìn)骨代謝、促進(jìn)骨生長以及減少骨吸收[108]。Yang 等[44]以葡萄糖酸鋅為原料，一步水熱法合成了鋅摻雜碳點(diǎn)（Zn-CDs）。在小鼠胚胎成骨細(xì)胞（MC3T3-E1）中，與原料葡萄糖酸鋅（Zn-G）相比，Zn-CDs 可以有效地上調(diào)MC3T3-E1 細(xì)胞的成骨基因和成骨相關(guān)蛋白表達(dá)，達(dá)到促進(jìn)成骨的效果。此外，Zn-CDs 還具有多色生物成像功能，可以實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)測(cè)成骨細(xì)胞的分布以及生長情況，是一種具有雙功能的納米材料。

除此之外，Murugan 等[109]以檸檬提取物為碳源制備CDs 并分別摻雜Ag+和Au3+形成CDs 納米復(fù)合物，用于癌細(xì)胞成像。Huang 等[110]制備鋱（Tb）摻雜CDs，用于檢測(cè)2，4，6-三硝基酚。Ayaz等[111]成功制備了鋁（Al）摻雜CDs，其中Al 的摻雜不僅改善了CDs 的熒光性質(zhì)，還可以賦予CDs 良好的抗炎性能。

綜上所述，對(duì)CDs進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ芑粌H可以改善其本身的熒光性質(zhì)和提高QY，而且可以拓寬CDs 的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，表面鈍化可以改變CDs 表面的電負(fù)性，使其更好地與帶負(fù)電的細(xì)胞膜通過靜電作用相互吸引，從而提高細(xì)胞對(duì)CDs的攝取率；雜原子摻雜除了提高CDs的QY，還可以引入雜原子的本征特性，特別是金屬摻雜（Mn、Gd、Cu 等）極大地拓寬了CDs在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。然而，我們注意到，這兩種功能化方法在各有側(cè)重的同時(shí)，也有自身的優(yōu)點(diǎn)和不足，如表2 所示。表面鈍化側(cè)重的是對(duì)CDs進(jìn)行性能調(diào)控，而雜原子摻雜側(cè)重的是多功能寬領(lǐng)域的應(yīng)用。除了難以精確調(diào)控雜原子的摻雜量和摻雜位置以及Stokes位移不足以有效消除生物熒光背景的干擾外，表面鈍化和雜原子摻雜還存在優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，二者可以配合使用。由此可見，對(duì)原始CDs進(jìn)行設(shè)計(jì)性的功能化是將CDs通向?qū)嶋H應(yīng)用的基礎(chǔ)和橋梁。

表2 CDs 不同功能化方法對(duì)比Tab.2 Comparison of different functionalization methods of CDs

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)近年來CDs 功能化的常用方法及其應(yīng)用進(jìn)行了綜述。我們將CDs 的功能化方法分為表面鈍化和雜原子摻雜兩大類，并對(duì)其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了較為全面的闡述。對(duì)CDs 進(jìn)行功能化處理時(shí)，表面鈍化的目的是為了提高CDs的QY，調(diào)控其表面態(tài)。雜原子摻雜除了改變CDs的熒光性質(zhì)外，主要針對(duì)的是CDs 在傳感、生物成像、腫瘤治療、促成骨以及抗菌和抗病毒等方面的多功能應(yīng)用。盡管在CDs 功能化研究上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但依然有如下一些問題亟待解決：

（1）對(duì)CDs 進(jìn)行表面鈍化和雜原子摻雜雖然可以調(diào)控其熒光性質(zhì)，但調(diào)控機(jī)理仍不清楚。故需要豐富表征手段，諸如DLS、EELS、Zeta 電勢(shì)、核磁共振以及同步輻射的精細(xì)光譜等對(duì)CDs 的精確結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，以期進(jìn)一步探索CDs 的熒光機(jī)理。

（2）對(duì)于適配體修飾CDs 應(yīng)用于熒光探針時(shí)，盡管可以提高對(duì)特定物質(zhì)檢測(cè)的特異性和靈敏度，但對(duì)于熒光探針毒性和穩(wěn)定性的研究較少，需進(jìn)一步深入這一方面的研究。同時(shí)，對(duì)于適配體修飾CDs 應(yīng)用于腫瘤靶向治療的研究較少，這可能是未來發(fā)展的重要方向之一。

（3）目前，CDs 功能化的合成方法依然較少，可以嘗試結(jié)合模板法、靜電紡絲、溶膠-凝膠法、旋涂法等來制備一些功能化CDs 基復(fù)合材料。

（4）功能化CDs 應(yīng)用于傳感、生物成像和腫瘤治療的研究較多，而在抗菌、抗病毒以及骨組織工程的研究較少，因此需要進(jìn)一步拓展和豐富功能化CDs 在這些領(lǐng)域的應(yīng)用。

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