荧光碳点及其在生物医药领域应用的研究进展

· 1258 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2014, 49 (9): 1258 1266

荧光碳点及其在生物医药领域应用的研究进展

张 爽1, 高会乐2, 沈 顺1, 王纬亮1, 钱 隽1*

(1. 复旦大学, 智能化递药教育部重点实验室, 上海 201203;

2. 四川大学华西药学院, 药物靶向和药物递释系统教育部重点实验室, 四川 成都 610041)

摘要: 荧光碳点是一种新型的碳纳米材料, 与传统荧光探针相比具有光稳定性好、光不闪烁、不漂白等优点; 与半导体量子点相比, 具有生物相容性好、毒性小、表面易修饰等特点, 是具有良好发展前景的光学影像探针。本文综述了荧光碳点的基本结构、碳源材料、制备方法、发光机制以及在生物医药领域的应用进展, 同时分析讨论了荧光碳点在未来发展中需要解决的主要问题和研究方向。

关键词: 荧光碳点; 基本结构; 碳源材料; 制备方法; 发光机制; 生物医药应用

中图分类号: R943 文献标识码: A 文章编号: 0513-4870 (2014) 09-1258-09

Fluorescent carbon dots and the application in biomedicine

ZHANG Shuang1, GAO Hui-le2, SHEN Shun1, WANG Wei-liang1, QIAN Jun1*

(1. Key Laboratory of Smart Drug Delivery, Ministry of Education, Fudan University, Shanghai 201203, China; 2. Key Laboratory

of Drug Targeting and Drug Delivery Systems, West China School of Pharmacy, Sichuan University, Chengdu 610041, China)

Abstract: As a new type of carbon nanomaterials, fluorescent carbon dots (fluorescent CDs) have many advantages when compared with the traditional fluorescent probes. They are photoluminescence stable and resistance to photo bleaching. Moreover, they are excellent in biocompatibility, low-toxic and easy to modify. All these above make them a promising optical image material as a probe in optical image. This article reviews structure, the common carbon sources, the preparation methods, and the light-emitting principles of the carbon dots. We also introduce the research progress of fluorescent carbon dots in biomedicine, and the problems need to be resolved in the study of fluorescent CDs.

Key words: fluorescent carbon dot; basic structure; carbon source; preparation method; luminescence mechanism; application in biomedicine

肿瘤是威胁人类生命和健康的重大疾病, 导致射计算机断层扫描 (positron emission tomography, PET) 的灵敏度高, 但分辨率较低。光学影像作为一种新兴的影像技术, 在灵敏度和分辨率方面显示出极大的优势和发展前景, 尤其是基于纳米技术的光学影像探针的应用, 使其在各种疾病的光学影像和诊断领域具有良好的发展前景和科学研究价值。

近年, 纳米技术广泛应用于生物医药领域。通 之发生巨大变化, 特别是光学性质的改变为其在生物标记和疾病光学影像领域的应用带来极大的发展

肿瘤高死亡率的重要原因之一在于其诊断的滞后性。目前常规的医学影像技术在临床诊断中发挥着重要作用, 但仍存在诸多不足。其中磁共振影像 (magnetic resonance imaging, MRI) 的空间分辨率高, 但灵敏度偏低; 单光子发射计算机断层成像 (single photon emission computed tomography, SPECT) 和正电子发

收稿日期: 2014-05-06; 修回日期: 2014-06-03.

基金项目: 国家重大科学研究计划项目 (2013CB932502). *通讯作者 Tel: 86-21-51980099, E-mail: qianjun@http://doc.guandang.net

, 当物质的尺度降至纳米级别时 常, 其理化性质也随

张 爽等: 荧光碳点及其在生物医药领域应用的研究进展

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空间。例如原本不发光的金, 当其粒径降到十几纳米时可发出量子产率比原来高出5～6个数量级的可见光[1]。在众多纳米材料中, 量子点由于其突出的光学性质而受到研究者的关注。量子点主要是由II～VI族元素或III～V族元素组成的半导体纳米材料, 粒径小于5 nm, 如晶体硫化镉 (CdS) 和硒化镉 (CdSe) 等。与传统有机荧光染料相比, 量子点的激发光谱广且连续、发射光谱窄而对称, 并且量子产率高, 是目前应用最广的光学影像探针之一[1 4]。但是, 量子点含有镉、铟等重金属元素, 易蓄积于组织器官而对生物体造成毒性, 成为量子点在生物医学应用中面临的关键问题; 另一方面, 量子点表面经修饰后存在荧光性能明显下降、修饰物质容易脱落等问题[2, 5]。

碳纳米材料自从问世便凭借其诸多优点而吸引材料学和生物医药等领域研究者的广泛关注, 特别是优良的光学性质使其在生物影像、生物标记和传感器等方面的应用备受瞩目[6]。荧光碳点 (carbon dots, CDs) 就是继量子点之后的又一种新型碳纳米材料, 其粒径通常在10 nm左右。大量研究表明, 荧光碳点除了具备量子点的粒径和波长依赖发光、抗光漂白性强等优点外, 还具有光稳定性高, 无“光闪烁”现象; 生物相容性好, 毒性低; 表面易于功能化修饰以及制备材料来源广泛等优势[7 9]。

Wang等[9]对CDs的急性毒性、亚急性毒性及基因毒性评价结果显示, 其不会引起组织器官的任何异常或损伤; Yang等[10]比较了碳点、单壁碳管、二氧化硅和氧化锌的细胞毒性与基因毒性后发现, 碳点的毒性最低。由于CDs特殊的光学特性和优良的生物学性质使其在生物医学的光学影像和肿瘤诊断方面具有突出的优势和良好的发展前景。此外, CDs表面多种官能团的存在也为其功能化修饰提供了可能。

本文拟对荧光碳点作简要介绍, 主要对其结构特点、碳源材料、制备方法、发光机制以及在生物医药领域的应用进行综述。 1 荧光碳点的结构特征

荧光碳点在结构方面的共性主要是: ① 基本碳颗粒的粒径很小, 通常在10 nm左右。② 碳点的荧光性质和粒径大小与反应条件、反应物质的种类及用量等存在密切关系, 且其表面可通过共价连接或其他方式进行钝化[11]。Yang等[12]以葡萄糖和磷酸二氢钾为原料合成荧光碳点过程中, 当葡萄糖/磷酸二氢钾的投料摩尔比为1/36时获得发蓝色荧光的碳点, 粒径为1.83 nm; 当两者比例为1/26时获得发绿色荧光的碳点, 粒径为3.83 nm。③ 荧光碳点表面存在丰富

的C、N、O元素, 并由其构成许多官能团。不同方法制备的碳点其表面官能团不尽相同, 如Zhao等[13]用葡萄糖和聚乙二醇 (polyethylene glycol, PEG) 以微波辅助法制备的碳点表面官能团有C-OH、CH3、-CH2、C-O-C和C=O等; 而Liu等[14]以聚乙烯亚胺 [poly(ethylene imine), PEI] 作为钝化剂制备的碳点表面官能团主要有C=O、N-H、-CH2和C-N等。虽然不同碳点的表面官能团存在差异, 但是大多数碳点的表面都存在C=O、C-OH、N-H等基团。即荧光碳点是由C、N、O等元素组成、且表面形成多种官能团修饰的量子维度的纳米颗粒, 结构如图1。

图1 荧光碳点及其表面官能团

2 荧光碳点制备的碳源材料

自荧光碳点被发现以来, 可选用的碳源材料种类繁多。文献报道的制备材料主要有两类: ① 有机碳源, 包括葡萄糖[12]、甘油[14]、蜘蛛丝[15]、柠檬酸[8, 16]、PEG[17]、酚醛树脂[18]、牛血清白蛋白[19]和蜂蜜[20]等; ② 无机碳源, 包括碳管[21]、碳纤维[22]、纳米金刚石[23]、 …… 此处隐藏：22412字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……