碳量子点荧光探针的制备与应用.pdf

2023年08月|1290 引言相比较金属纳米团簇探针、有机小分子基荧光探针、稀土掺杂上转换荧光纳米颗粒和基于有序介孔材料的荧光探针，量子点荧光材料具有更加优越的性能，如发射波长更容易调谐、光稳定性更好、斯托克斯位移更大。目前报道的碳量子点有半导体量子点、石墨烯量子点、碳量子点和硅量子点等。自 2004 年，Xu 等1首次通过电弧放电法成功制备碳量子点以来，碳量子点的制备与应用一直备受关注。CQDs 在制备过程中不涉及重金属的使用，生物毒性较低；以生物质为原料制备 CQDs(如：柠檬、稻壳等)更是降低成本。同时，碳量子点表面存在大量的亲水基团(如羟基、羧基等)具有优越的水溶性、生物相容性、荧光特性，大大拓宽了 CQDs 的应用范围。本文综述了近年来国内外关于碳量子点合成方法及其在生物传感、生物成像、药物负载、光催化等方面的应用，并对其发展前景和所面临挑战作分析。1 CQDs 的制备1.1“自上而下”方法该法是指将大尺寸的碳基结构(如活性碳、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等)通过物理或化学方法制备小尺寸的碳量子点，包括电化学氧化法、激光烧蚀法、等离子体法和超声合成法等。1.1.1 电化学法目前，碳纳米管、石墨烯、碳纤维等均可作为工作电极来合成碳量子点，且该技术具有较高的利润空间，在工业上应用广泛。2007 年，Zhou 等2首次以多壁碳纳米管(MWCNTs)为工作电极，通过电化学法合成了在发射蓝色荧光的 CQDs，形貌呈均匀球状，荧光量子产率可达 6.4%。2012 年，邓建辉等3利用电化学一锅法合成了尺寸均一、荧光性能良好的荧光碳量子点，其荧光猝灭强度与 H2O2浓度呈较好的线性关系。2014 年，李月等4通过电化学氧化法制备了尺寸均一，电化学发光稳定，荧光量子产率达 11%的碳量子点。碳量子点荧光探针的制备与应用车秋燕，周云雷*(山东农业大学化学与材料科学学院，山东 泰安 271000)摘要：与金属纳米团簇探针、荧光蛋白(GFP、DsRed 等)、有机小分子基荧光探针等相比，量子点作为荧光材料时具有发射波长更容易调谐，光稳定性优异，Stokes 位移更大等优点。其中碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)作为一种新型的纳米材料，因其不涉及重金属的使用，且具有低细胞毒性、强荧光性、良生物相容性以及制备工艺简便等优势，备受人们的关注。文章综述了近年来国内外关于碳量子点荧光探针的制备方法及其应用，并对其发展前景和面临的相关挑战作分析。关键词：碳量子点；制备；荧光探针中图分类号：TQ127.11;TB383.1 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)24-0129-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.24.036Preparation and Application of Carbon Quantum Dots Fluorescence ProbeCHE Qiu-yan,ZHOU Yun-lei*(College of Chemistry and Materials Science,Shandong Agricultural University,Taian 271000,China)Abstract:In comparison with the metal nanocluster probes,fluorescent proteins(GFP,DsRed,etc.),and organic small molecule-based fluorescent probes,quantum dots have the advantages of easier tuning of emission wavelengths,excellent photostability,and larger Stokes shifts when used as fluorescent materials.Among them,Carbon Quantum Dots(CQDs)is an intriguing and novel material for fluorescent carbon nanomaterial which seizing the worldwide attentions due to its non-heavy metals and low cytotoxicity characteristics,strong tunable fluorescence performance,preeminent biocompatibility and simplicity to prepare.This review focuses on the domestic and international progresses of synthesis strategies as well as the recent developments in the applications of CQDs.Moreover,the future perspectives and challenges of the preparation and application were expounded in order to give a guidance for the potential development of CQDs.Keywords:carbon quantum dots;synthesis strategies;fluorescent probe二校-2023-8-下期.indd 1292023/8/17 14:51:33设备运维130|2023年08月电化学氧化法依靠调整电极电势和电流密度来控制碳量子点的粒径分布，使其拥有较高的结晶度。此外，电化学氧化法操作简单，碳源丰富，利润高，可大量制备，具有良好的应用前景，但原料的前期处理与后期纯化工作较为复杂。1.1.2 激光烧蚀法此法是指在高温高压下，利用高功率激光束对碳靶进行照射刻蚀，使碳纳米颗粒从碳靶上剥落，经过表面修饰、基团官能化等处理，合成碳量子点的方法。2006 年，Sun 等5在水蒸气和氩气氛围下，使用激光器(1 064 nm，10 Hz)照射大尺寸碳原料后，用酸对其进行处理，得到碳量子点。2020 年，Cui 等6采用超快、高效的双束脉冲激光烧蚀技术对碳布进行烧蚀，制备了比单束脉冲激光烧蚀更加均匀的 CQDs，其量子产率高达 35.4%。该方法制备的 CQDs 具有水溶性好的优势。但通常产物尺寸较大，荧光效应弱，合成工艺复杂，对激光设备要求高，不利于大面积工业化生产。1.1.3 等离子体法Janith Weerasinghe 等7以 1，3，6，8-吡喃四磺酸四钠水合物(PTSA)为原料，利用冷大气等离子体快速、有效合成了对 Cu2+离子具有强烈的选择性，蓝/绿可转换发射 CQDs。此外，Qin 等8以邻苯二胺为原料，通过等离子体法合成了具有良好溶解性、无毒性和良好的生物相容性的 CQDs。通过该技术制备的 CQDs无毒且含氧丰富，具有良好的水溶性。但制备过程复杂而且成本较高。1.1.4 超声合成法超声合成法利用高能超声在高压、高压环境下制备 CQDs。王月等9以石油焦为碳源，在 120 反应 5 h 条件下制备的 CQDs 具有一定的上转化发光特性，具有良好的分散性和水溶性。2022 年，胡云等10以木质素磺酸钙为碳源，通过超声波辅助处理及大分子自组装得到粒径均匀，无明显聚集且具有光学性能的CQDs。此方法制备的 CQDs 物理、化学性质稳定，生物相容性和荧光特性优越，可广泛应用于生物成像、药物递送、水处理等。1.2“自下而上”方法“自下而上”方法是小分子或低分子量聚合物的碳化方法，包括微波合成法、水热法(溶剂热法)、模板法等。1.2.1 微波合成法微波法是一种新型、环保和高效的碳量子点合成方法，利用微波加热在较短的时间内使有机小分子(多为醇类和羧酸类)碳化合成 CQDs。2018 年，蒋雪薇等11 以柠檬酸为碳源、聚乙二醇为分散剂，使用微波法得到光学性能优越、生物相容性佳的掺氮碳量子点。2022 年，Cen 等12以共价有机骨架(COFs)为前驱体，使用微波辅助合成法制备的 COFQDs 量子产量高达26%。微波法操作简单、设备要求低、荧光量子点产率较高，制备的 CQDs 具有高度的生物相容性且荧光特性强。但 CQDs 粒径分布不均匀，分离纯化比较困难。1.2.2 水热法(溶剂热法)水热(溶剂热)法是以小分子有机物为前驱体，通过相关化学反应制备碳量子点。Li 等13以柠檬酸为碳源，采用一步水热法得到了粒径小且均匀的水溶性多色碳点，荧光量子产率高达 83%。Wu 等14以 3-羧基苯硼酸和邻苯二胺为原料，采用水热法制备的硼氮共掺杂碳量子点，具有良好的水溶性、强荧光和良好的稳定性，绝对荧光量子产率为 86.58%。水热法合成步骤简单、绿色环保，且制备的碳量子点产量高。1.2.3 模板法以支撑材料为模板合成碳量子点，再使用刻蚀等手段去除模板的方法被称为模板法。2012 年，Woosung Kwon 等15通过乳化模板炭化法制备了具有高荧光性能的碳量子点，量子产率高达 53%。通过模板的引入，不仅能作为合成过程中的“核”，还可以避免碳点在反应过程中发生聚沉现象，使碳量子点粒径均匀、水溶性良好。但该方法后处理繁琐，需要刻蚀分离去除模板，会导致碳量子点产率下降，影响其的粒径分布和荧光性能。1.3 废物衍生近年来以可再生的生物质为碳源制备 CQDs 的报道日益增多，如果汁、茶叶、卷心菜、莲藕、芦苇、鸡毛、玉米、竹叶、芦荟等具有经济价值的农产品。鉴于食品废弃物中包含上述农副产物的有效成分，且含 N、P等元素，可制备出各种基团修饰的 CQDs，该制备路线更具经济和环境效益。Quang Ngo Khoa 等16以 软 木 为 原 料，采 用 经济、简单的水热法成功合成了能发射多种彩色荧光的CQDs，但量子产率较低，仅为 1.54%。Lovepreet Singh等17以花生壳为原料，通过热解法成功合成了量子产率高达 19.7%的 EDTA-CQDs。Raji Atchudan 等18以香蕉皮为碳源，通过水热合成法制备的 CQDs 粒径均一、生物相容性良好，且量子产率可高达 20%。2 碳量子点荧光探针的应用CQDs 因其具有良好的生物相容性、光稳定性、成二校-2023-8-下期.indd 1302023/8/17 14:51:332023年08月|131本低廉等优势而备受关注，已广泛应用于生物医学、超级电容器、化学生物传感、光催化等。2.1 传感器不同方式合成的碳点有不同的性质，某些碳量子点对特定离子较为敏感，具有高的选择性可以构建化学传感器。刘华东等19以柠檬酸和硫脲为前驱体，采用一步水热法合成粒径分布均匀、良好水溶性的碳量子点荧光探针。该荧光探针可快速简捷有效检测自来水和湖水中 Fe3+和 Hg2+，CQDs 荧光探针还实现了对Cu2+20、Cr3+21、Cr6+12、IO4-14，H2O23、Ag+10、抗 坏血酸12等物质的检测。不仅如此，碳量子点也常被用于抗体与 DNA 片段的生物传感器中。Deng 等22开发的碳量子点(CQDs)功能化溶液门控石墨烯晶体管被应用于 DNA 检测，实现了对超低浓度 DNA 分子的快速检测。该传感器的检测极限可达 1 aM，使测极限降低 25 个数量级。2.2 生物成像与传统半导体量子点相比，CQDs 优越生物相容性，使其在成像领域有广阔应用。研究表明，CQDs 不仅易被细胞捕获，可通过光子激发实现细胞成像，还可以在不干扰强的组织自发荧光情况下，深入细胞和各种生物屏障，在医学细胞成像领域展现出非凡的潜力。Xu 等23以柠檬酸、乙二胺和 GdCl3为原料，通过一锅水热合成法制备了具有生物相容性和 MR 双响应的杂化纳米材料(Gd-CQDs)。Gd-CQDs 不仅保留了CQDs 的荧光，而且用精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)三肽修饰的 Gd-CQDs 可穿过血脑屏障，对 U87 癌细胞具有较高的靶向成像亲和力，为癌症的研究与治疗提供了指导。2.3 药物载体与游离药物相比，CQDs 的具有比表面积较大、生物相容性良好等优点。基于 CQDs 的药物递送体系，不仅具有卓越的荧光性能，还具备抗菌、抗炎、抗氧化性能，在药物运输的实时监测、特异性靶向成像和放疗增敏方面具有优异的潜力。Raziyeh Fattahi Nafchi 等24合 成 了 Fe3O4/CQDs纳米复合材料，其负载阿霉素(DOX)药物的负载效率为 93.90%，容量为 37.2 mg DOX/g MNP。复合材料与 HFF 细胞接触时具有高度的生物相容性(存活率为 95%)，可杀死 MCF-7 癌细胞。因此，合成的 Fe3O4/CQDs 纳米复合材料作为药物载体系统具有超顺磁性和荧光特性。2.4 光催化由于碳量子点，独特的光致电子转移能力，可实现高效的无金属光催化，也可作为复合光催化剂的优良单子陷阱，从而提高电子-空穴分离率，显著提高其量子效率，进而增加复合材料的光催化性能。Donglin Han 等25的采用 N 掺杂碳量子点对具有光催化和光热性能的二硫化钼(MoS2)纳米片进行修饰，加入的 CQDs 作为电子转运体，防止光致电子与空穴的复合，最终提高了 MoS2的光催化性能。此外，复合材料的光催化性能增强，对金黄色葡萄球菌的抑菌率达 99.38%，对大肠杆菌的抑菌率达 99.99%。3 总结与展望本文主要介绍了 CQDs 的主要合成方法以及其在化学生物传感、生物成像、药物负载、光催化等方面的应用。目前，基于 CQDs 材料的研究均取得了大量成果。但仍需攻克制备技术和发光机理中的诸多难题：(1)CQDs 的制备需要进一步优化，以促进 CQDs 大规模商业化生产。在制备过程中碳量子点表面官能团反应的机理尚不明确。(2)CQDs 在物质检测中的应用都是基于荧光猝灭、荧光共振能量转移的原理。因此，为了增强 CQDs 在生物成像和光催化领域的应用，有必要进一步阐明 CQDs 发光的机理。(3)目前对碳量子点的研究仅局限于绿光、蓝光等短波长区域，在红光、黄光等长波长区域的研究仍然有所空缺。因绿光、蓝光的穿透能力较弱，而红光、黄光较强，可以拓宽 CQDs 在化学生物传感、生物成像领域的应用。参考文献：1 Xu X,Ray R,Gu Y,et al.Electrophoretic Analysis and Purification of Fluorescent Single-Walled Carbon Nanotube FragmentsJ.Journal of the American Chemical Society,2004,126(40):12736-12737.2 Zhou J,Booker C,Li R,et al.An electrochemical avenue to blue luminescent nanocrystals from multiwalled carbon nanotubes(MWCNTs)J.Journal of the American Chemical Society,2007,129(4):744-745.3 邓建辉,林凡波,张友玉,等.电化学一锅法合成荧光碳纳米点用于检测过氧化氢(英文)J.湖南师范大学自然科学学报,2012,35(01):43-47.4 李月,代宁宁,杨尚文,等.电化学法合成荧光碳纳米粒子及性能表征J.分子科学学报,2014,30(04):314-317.5 Sun Y P,Zhou B,Lin Y,et al.Quantum-Sized Carbon Dots for Bright and Colorful Photoluminescence 二校-2023-8-下期.indd 1312023/8/17 14:51:33设备运维132|2023年08月J.Journal of the American Chemical Society,2006，128(24)：7756-7757.6 Cui L,Ren X,Wang J,et al.Synthesis of homogeneous carbon quantum dots by ultrafast dual-beam pulsed laser ablation for bioimagingJ.Mater Today Nano,2020,12:100091.7 Weerasinghe J,Scott J,Deshan A D K,et al.Monochromatic Blue and Switchable Blue-Green Carbon Quantum Dots by Room-Temperature Air Plasma ProcessingJ.Adv Mater Technol,2022,7(4):2100586.8 Qin X,Liu J L,Zhang Q,et al.Synthesis of Yellow-Fluorescent Carbon Nano-dots by Microplasma for Imaging and Photocatalytic Inactivation of Cancer CellsJ.Nanoscale Res Lett,2021,16(1):14.9 王月,吴文婷,谢辉,等.石油焦基碳量子点的制备及其荧光性能J.炭素技术,2014,33(02):16-20,29.10 胡云,陈中庸,周芯吉,等.检测环境水体中银离子含量的新型碳基光学传感器J.生物质化学工程,2022,56(03):9-15.11 蒋雪薇,叶菁,许延涛,等.掺氮碳量子点的微波法制备及其光学性能研究J.发光学报,2018,39(08):1075-1081.12 Cen M,Cao Y,Zhu Y,et al.Oxidation-Modulated CQDs Derived from Covalent Organic Frameworks as Enhanced Fluorescence Sensors for the Detection of Chromium(VI)and Ascorbic AcidJ.Industrial&Engineering Chemistry Research,2022,61(31):11484-11493.13 Li F,Liu C J,Yang J,et al.Mg/N double doping strategy to fabricate extremely high luminescent carbon dots for bioimagingJ.Rsc Advances,2014,4(7):3201-3205.14 Wu Y S,Qin D M,Luo Z,et al.High Quantum Yield Boron and Nitrogen Codoped Carbon Quantum Dots with Red/Purple Emissions for Ratiometric Fluorescent IO4-Sensing and Cell ImagingJ.ACS Sustainable Chemistry&Engineering,2022,10(16):5195-5202.15 Kwon W,Do S,Rhee S W.Formation of highly luminescent nearly monodisperse carbon quantum dots via emulsion-templated carbonization of carbohydratesJ.Rsc Advances,2012,2(30):11223-11226.16 Quang Ngo Khoa,Hieu Nguyen Ngoc,Bao Vo Van Quoc,et al.软木塞基碳量子点的水热合成及其生物相融荧光成像应用(英文)J.新型炭材料,2022,37(03):595-602.17 Singh L,Sharma T,Singh V.Study of structural and functional properties of fluorescent EDTACQDs synthesized from peanut shells via pyrolysis techniqueJ.Materials Today:Proceedings,2021,44:192-198.18 Atchudan R,Jebakumar T N,Edison I,et al.Sustainable synthesis of carbon quantum dots from banana peel waste using hydrothermal process for in vivo bioimagingJ.Physica E Low-dimensional Systems and Nanostructures,2021,126:114417.19 刘华东,徐浩轩,李合伟,等.氮硫掺杂碳量子点荧光探针检测Fe3+和Hg2+J.郑州大学学报(工学版)2022,43(06):64-69.20 Fan X A,Jiang L,Liu Y,et al.Chiral CQD-based PL and CD sensors for high sensitive and selective detection of heavy metal ionsJ.Optical Materials,2023,137:113620.21 John B K,John N,Mathew B.Green synthesis of fluorescent carbon dots from Annona Reticulata leaves as a sensor for Chromium(III)ionsJ.Materials Today:Proceedings,2023,72:169-174.22 Deng M,Li J,Xiao B,et al.Ultrasensitive Label-Free DNA Detection Based on Solution-Gated Graphene Transistors Functionalized with Carbon Quantum DotsJ.Analytical Chemistry,2022,94(7):3320-3327.23 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.Analytical Chemistry 2014,86(24):12122-12129.24 Nafchi R F,Ahmadi R,Heydari M,et al.In Vitro Study:Synthesis and Evaluation of Fe3O4/CQD Magnetic/Fluorescent 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