碳点的制备及在医药学领域的应用

丁倩倩，杨欣茹，昌 盛，刘 哲，郝乘仪

(吉林医药学院药学院，吉林 吉林 132013)

碳点(carbon dots，CDs)，一种粒径不超过10 nm的类球形碳质纳米颗粒。因具有可调粒径大小、耐光、易于功能化、低毒、优异的生物相容性和高水溶性等优点，被广泛应用于活细胞成像、癌症治疗、分析检测、靶向药物传递和光电器件等领域。本文综述了碳点的制备方法以及碳点在医药领域的应用。

1 碳点的制备

1.1 自上而下法

1.1.1电弧放电法

2004年，Xu[1]等通过电弧放电法制备单壁碳纳米管的过程中，得到了两种前所未有的纳米材料，一是由单壁碳纳米管衍生的荧光纳米颗粒的混合物，二是短管状碳。实验将电弧放电产生的烟尘先用3.3 mol/L HNO3氧化，再通过pH值为8.4的NaOH溶液萃取，得到了含30%烟尘的悬浮液，随后再次进行纯化分离后，得到了在365 nm紫外光下发三种不同荧光颜色的碳纳米颗粒。元素分析显示该碳点颗粒主要由质量分数分别为53.93%碳、2.56%氢、1.20%氧、40.33%氮四种元素组成。电弧放电法制备的碳点材料具有粒径较小、更易悬浮且稳定、含氧量大及荧光性能较好等优点，但由电弧放电提取而成的碳点通常掺杂较多可溶性杂质且不易纯化，故该法制备的碳点产率较低。

1.1.2电化学氧化法

电化学氧化法是指采用电化学方法氧化碳材料工作电极制备碳点的方法，其中碳材料工作电极多采用多壁碳纳米管、石墨棒、碳糊电极碳纤维等。2007年，Zhou[2]等首次报道运用电化学氧化法制备碳点，成功地制备出了发强烈蓝色荧光的碳纳米晶。他们将多壁碳纳米管作为工作电极，金属铂网作为电极，0.1 mol /L的四丁基高氯酸铵的乙腈溶液作为电解质，通过高分辨率电子透射光镜观察到直径为(2.8±0.5)nm、在340 nm激光下量子产率为0.064的呈均匀球形的碳点。2019年，Wang[3]等在碱性溶液中通过电化学方法将氧和硫掺杂在OS-g-C3N4-dots粉末中成功合成碳点，将碳点与Cu2+和Ag+结合会发生荧光猝灭现象，而生物硫醇又能使其恢复荧光性能，故该碳点可以用于某些重金属物质的检测。该方法操作过程简单、条件温和、成本低廉且高效，制备得到的碳点水溶性和荧光性能均较好，且可以灵活控制碳点的尺寸，但荧光产率较低。

1.1.3化学氧化法

化学氧化法是指通过硝酸等强氧化剂氧化切割大分子碳材料来制备碳点的方法。蜡烛灰、天然气灰、活性炭等均可作为化学氧化法的碳源。2009年，Ray[4]等以碳烟灰为碳源与硝酸混合，利用化学氧化法得到粒径为2～6 nm在紫外光下发出绿色荧光的碳点，量子产率约为50%。通过这种方法合成的碳点粒径大小不一，粒径小的碳点荧光性能优于粒径大的碳点。优点在于设备要求不高、所需碳源材料价格低廉；但由于氮和氧的结合效率是决定碳点量子产率的因素，而在硝酸氧化过程中会造成氮和氧的缺陷导致产率低，通常需要经过钝化后才能应用。2015年，Hong等[5]以葡萄糖为原料，在NaOH溶液中进行化学氧化，制备了碳纳米点。制备的碳纳米点具有很强的蓝色发光。

1.1.4激光消融法

2006年，Sun等[6]通过激光消融法制备碳点，他们将石墨粉经过一系列处理得到碳靶，再将碳靶在900 ℃、75 kPa的氩气中采用Nd：YAG激光器进行烧蚀，经硝酸水溶液回流处理12 h后，将处理后的样品用氨基化的PEG1500进行钝化得到了粒径5 nm碳点，量子产率为4%～10%。2011年，Li等[7]对激光消融法进行了简化，以纳米碳材料为起始材料，以简单的有机溶剂为液体介质，经处理所得悬浮液采用Nd:YAG脉冲激光无聚焦照射后碳原子转变为外层为无定形、内层中空的呈洋葱状的核-壳结构的碳点。2020年，Cui等[8]研发了一种超快双光束脉冲激光烧蚀制备均匀碳量子点的方法，与以往方法不同的是，实验中将单束激光分为双光束分束器缩短了激光烧蚀时间，提高了激光烧蚀效率。使用激光刻蚀法时通常包括激光照射、氧化和钝化，实验仪器要求较高，且通过激光刻蚀法制得的碳点量子产率较低，尺寸不一，不利于大规模生产。

1.2 自下而上法

1.2.1微波法

2017年，Guo等[9]报道了通过微波辐射制备碳点的方法，他们以苯二胺和葡萄糖为主要原料在乙二醇溶液中溶解后用微波仪器在120 ℃、240 W条件下加热5 min即可得到平均粒径为22.33 nm的类球形碳点颗粒。2019年，Zhu等[10]也采用微波法制备碳点，用丙三醇为碳源通过控制微波时间成功制备出在355 nm激光下发出淡蓝色荧光的各种粒径形貌不一的碳点。通过微波辐射法制备碳点具有操作方便、高效简单、成本低廉、绿色环保等优点。

1.2.2模板法

由于大多数自下而上制备碳点的方法在碳化过程中会导致无序聚集，而选择合适的模板能有效抑制团聚问题，使形成的碳点具有均匀的形貌和较小的尺寸分布。主要步骤为：选择合适的模板剂，在模板剂上制备碳点，再通过强腐蚀性的酸或碱刻蚀除去模板，即得到碳点。聚苯胺由于具有优良的金属导电性和聚合物的力学性能应用广泛。2020年，Lan等[11]利用模板法制备了碳点/聚苯胺，实验以丙烯酸叔丁酯和苯乙烯为主要原料通过原子转移自由基聚合反应生成两嵌段共聚物(PS-b-PtBA)，将PS-b-PtBA与三氟乙酸经水解反应得到两亲性嵌段共聚物(PS-b-PAA)，再以PS-b-PAA为模板剂制备了聚苯胺和碳点/聚苯胺复合颗粒，经1H-NMR、FTIR、UV、GCP、TEM等测试确证成功合成平均粒径约为350 nm的碳点。

该方法的优点是制备的碳点大小较均匀，可有效减少碳点团聚的现象，纯度较高，方便后期对碳点表面修饰；缺点是模板高温时会热解不易与碳点完全分离，即便分离了也可能对碳点造成破坏，从而对其发光性能、生物相容性等优势造成影响，另外产率较低。

1.2.3水热合成法

水热法是采用水为溶剂，温度足够高时将选定的碳源放置反应釜中进行反应而得到碳点。2010年，Zhang等[12]基于聚硫乙烯衍生物的各种功能制备碳点，利用水热合成法得到了发射波长从蓝光到近红外区可调控的荧光碳点。通过调控分子前体中两种聚噻吩衍生物的比例成功制备出六种不同发射波长(482、524、570、609、628、680 nm)的碳纳米点。由水热法制备碳点操作简单，仅一步就能得到量子产率较高的碳点，且反应釜的密闭环境可防止在反应过程中产生的有毒物质挥发。2020年，Li等[13]以柠檬酸为碳源加入乙二胺溶解成溶液后置于高压釜中，在200 ℃条件下加热5 h，再经冷却、纯化、冷冻干燥等操作即可得到粒径为2～6 nm分布均匀的类球形碳点粉末。

1.2.4热解法

热解法通常是将有机物作为碳源使其在高温下热解炭化形成碳点。2012年，Liu等[14]通过热解法制备了具有强烈绿色光致发光和在可见光区具有广泛而强烈吸收的水溶性石墨化碳点。实验在浓硫酸存在的情况下将乙二醇在80 ℃下热解即可得到不需任何钝化剂处理的且量子产率高达62.9%的碳点。2019年，Hu等[15]采用热解法通过控制热解温度(120～180 ℃)制得了具有六种不同颜色的荧光碳点，经柱层析分离纯化时通过调控洗脱液的比例以成功得到能发出蓝色至橙红色荧光的碳点。2020年，Li等[16]通过将半胱氨酸固体粉末通过300 ℃热解得到平均粒径为3.12 nm、均匀分布的类球形荧光碳点。热解法操作简便，仅需改变反应温度即可得到高产率的碳点，但碳源在热解过程中，有时会产生副反应，导致制备的碳点中包含其它杂质。

2 碳点的应用

2.1 金属离子探针

2010年，Sun等[17]通过水热分解方法合成了可以检测Fe3+的荧光碳点，该碳点的荧光性质较稳定，不受pH、温度和紫外照射等影响。当Fe3+的浓度在5.0×10-5～5.0×10-4mol/L之间时与荧光强度呈现线性关系，其检出限是11.2 μmol/L。2012年，Zhou等[18]首次合成了一种未经修饰过的可用于Hg2+和生物硫醇无标记检测的荧光碳点，荧光产率约为11%。当Hg2+浓度在0～3 μmol/L时，荧光淬灭程度与其呈线性关系，其检出限为4.2 nmol/L。2018年，Zhu等[19]发现碳点具有独特的双发射特性，利用碳点在350 nm单波长激发下在426 nm和488 nm处的两个发射峰对于Fe3+浓度的比率性变化，成功用于Fe3+的检测。

2.2 阴离子探针

2.3 有机分子探针

2019年，Zhang等[22]通过水热法制备了一种能够检测废水中阿莫西林的硼碳量子点(B-CQDs)。波长范围为200～400 nm时仅阿莫西林溶液不产生荧光，而B-CQDs-AMX溶液的荧光现象强烈，故可用来检测阿莫西林，检测限为0.82 μmol/L，灵敏度较高且较准确。

2020年，Lu等[23]采用微波法制备了具有超长磷光寿命的黄绿色荧光碳点，该磷光碳点主要成分包括碳、氧和氮三种元素，具备优异的光学性质。磷光信号会随着pH值的增加而降低，且在pH=2.1～12.8之间有着良好的线性关系，磷光碳点的这一特性可以广泛用于检测四环素药物。

2.4 生物分子探针

2018年，Huang[24]等通过低温加热法合成了一种以蔗糖为碳源的具有强烈蓝色荧光的氮磷双掺杂碳点，对血红蛋白响应的检出限可达0.29 nmol/L，可以作为人体样本中血红蛋白的荧光探针。2019年，Meng等[25]以柠檬酸为原料、尿素为碳源，通过微波法得到了一种可用于检测多巴胺分子的碳点，其检出限为0.08 μmol/L。

2.5 生物成像及细胞标记

2019年，Ding等[26]以无果肉柠檬汁为原料，在200 ℃下经甲酰胺溶剂热处理6 h合成了量子产率为31%的近红外发射碳点。该碳点不仅能穿过细胞膜进入细胞，还能够穿透皮肤和组织，可广泛应用于体内和体外的生物成像。

2020年，Zhang等[27]报道了一种性能优异的绿色荧光碳点。经核糖核酸酶消化测试发现该碳点对固定细胞和活细胞中的核仁RNA有较强的亲和力，且通过使用该碳点可视化细胞核仁可以准确地获得其数量和形态信息，以区分癌细胞和正常细胞，在癌细胞筛选和疗效评价方面具有广阔的应用前景。

2.6 药物载体

将荧光碳点应用于药物载体中，有望解决传统的药物载体不具备的可观察性和可追踪性，经过适当的表面修饰后可以用于生物显影、药物存储、药物控释、靶向治疗及癌细胞的发现和隔离等。

2018年，Kong等[28]通过水热法制备出了生物相容性良好的碳点，将阿霉素通过静电作用与碳点联合成纳米载药系统后具有较高的载药能力和良好的药物释放特性。在485 nm波长下测定得到阿霉素的装药效率和装药量分别为57.5%和28.75 mg/g；pH为5.0时阿霉素的释放率最高，可达82.0%。故纳米-阿霉素纳米药物可广泛应用于癌症化疗方面。

3 展 望

碳量子点作为一种新型的纳米材料，由于其独特的光学性质、高稳定性、无毒、优异的生物相容性、成本低廉及荧光特性等特点，在细胞成像、药物传递、细胞标记和检测分析等医学领域都引起了广泛的关注，具有广泛的发展前景。目前已报道碳点主要存在两个大的缺陷，一是多数碳点发出与生物体背景类似的蓝色荧光，不利于辨别；二是制备出的发绿色荧光易辨别的碳点其过低的量子产率无法满足实际应用，从而限制了碳点的应用范围。所以深入优化碳点的制备方法，以增加绿色荧光碳点的生成或使蓝色荧光碳点能转化为便于使用的碳点，是当前需要解决的问题之一。