萬(wàn)志鵬

(江西師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 南昌 330022)

近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，量子點(diǎn)在納米材料領(lǐng)域占據(jù)著特殊的地位，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。新型的零維碳納米材料石墨烯量子點(diǎn)(Graphene quantum dots，GQDs)，由于兼具石墨烯的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和碳量子點(diǎn)的邊界效應(yīng)及量子限域效應(yīng)更是備受關(guān)注[1-3]。GQDs具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，如無(wú)毒、可溶性、生物相容性、惰性及優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，使其在能量轉(zhuǎn)換、生物醫(yī)藥、傳感和催化等領(lǐng)域具有光泛的應(yīng)用前景[4]。本文在基于GQDs最新研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，綜述了GQDs的制備方法及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 石墨烯量子點(diǎn)的合成

石墨烯量子點(diǎn)的合成大體上可以分為自上而下和自下而上的方法，前者將大尺寸的石墨烯片、碳納米管、碳纖維或石墨切割形成納米級(jí)的GQDs，后者以有機(jī)小分子作為前驅(qū)體通過(guò)物理化學(xué)方法制備出GQDs。

1.1 水熱法

水熱法是制備GQDs的一種常用的方法，屬于自上而下的方法合成GQDs。Jindal等[5]采用水熱法合成了4～5納米、帶隙為3.2eV的GQDs，他們將石墨烯薄片粉末加入到30mL的濃硫酸和10mL的濃硝酸中氧化，然后將反應(yīng)混合物在超聲波下處理12 h后用蒸餾水稀釋，之后進(jìn)一步超聲處理后用NaOH中和，最后將混合物轉(zhuǎn)移到水熱高壓釜中在220℃下過(guò)夜反應(yīng)，之后經(jīng)冷卻、洗滌、干燥便得到GQDs。水熱法合成GQDs，量子產(chǎn)率高，但同時(shí)存在試劑消耗量大的問(wèn)題。

1.2 微波輻射法

目前，微波輔助合成量子點(diǎn)因其反應(yīng)時(shí)間短、環(huán)境友好、節(jié)能以及良好的控制等優(yōu)點(diǎn)在納米材料領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。Zhuang等[6]報(bào)道了一種快速、干燥條件下的微波輔助路線合成GQDs的方法。他們將檸檬酸研磨獲得非常細(xì)的粉末后置于微波爐中，幾分鐘后取出用1.0mol/L的NaOH溶液溶解后放入透析袋中透析3天，便可得到GQDs。制備出的GQDs具有良好的溶解性、生物相容性、優(yōu)異的光穩(wěn)定性及可調(diào)的光致發(fā)光和較低的細(xì)胞毒性，能成功地用于細(xì)胞成像。

1.3 弧光放電法

弧光放電法是制備碳量子點(diǎn)(CDs)最早的方法[7]。Dey等[8]通過(guò)弧光放電法首次合成了硼摻雜的石墨烯量子點(diǎn)(B-GQDs)。石墨在H2He+B2H6氛圍下或者使用硼粉填充石墨電極通過(guò)電弧放電合成硼摻雜石墨烯。

1.4 電化學(xué)法

電化學(xué)法是以其他碳源作為工作電極來(lái)制備石墨烯量子點(diǎn)。Shinde等[9]以多壁碳納米管為原料通過(guò)電化學(xué)法制備出石墨烯量子點(diǎn)，以多壁碳納米管為工作電極，Pt箔和Pt線分別為對(duì)電極和參比電極，LiClO4作為電解質(zhì)溶液，在不同時(shí)刻將正電位施加到工作電極上并在相應(yīng)時(shí)間間隔內(nèi)施加負(fù)電位后，將工作電極放入水中進(jìn)行超聲處理，之后透析數(shù)天收集GQDs，除去Li離子及其他雜質(zhì)。該方法可以通過(guò)簡(jiǎn)單地使用大面積工作電極來(lái)擴(kuò)大制備石墨烯量子點(diǎn)的規(guī)模。

1.5 其他方法

除了以上幾種方法之外，還有激光消蝕法[10-11]、化學(xué)氧化法等。雖然合成石墨烯量子點(diǎn)的方法較多，但各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，如電弧放電法合成過(guò)程較為復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)物的收集不利；激光消蝕法所用儀器昂貴[12]。所以，應(yīng)當(dāng)投入更多的努力以期開發(fā)出簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、高量子產(chǎn)率的石墨烯量子點(diǎn)合成方法，為石墨烯量子點(diǎn)的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

2 石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用

2.1 生物成像

傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)熒光染料可以用于生物標(biāo)記、生物成像[13-14]。但是它們都具有毒性，容易導(dǎo)致細(xì)胞死亡，因此限制了其在生物細(xì)胞成像等方面的應(yīng)用。石墨烯量子點(diǎn)因其優(yōu)異的光學(xué)特性和對(duì)細(xì)胞的低毒性，使其在生物成像領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[15]。謝文菁等[16]通過(guò)在堿性條件下電解石墨棒得到氧化石墨烯(GO)，常溫下用水合肼還原GO并經(jīng)過(guò)透析得到5～10 nm的GQDs。由于GQDs表面存在類似鄰苯二甲酰肼的基團(tuán)和酰肼基團(tuán)，使其能夠發(fā)出黃色熒光，量子產(chǎn)率達(dá)到14%，對(duì)細(xì)胞毒性低。將人體肺癌細(xì)胞和乳腺癌細(xì)胞進(jìn)行人工培養(yǎng)后加入到制備得到的GQDs水溶液中孵育24 h后，經(jīng)細(xì)胞活性比色檢測(cè)法(MTT檢測(cè))測(cè)定發(fā)現(xiàn)GQDs具有良好的生物相容性，并表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性，能有效用于細(xì)胞成像。Qu等[17]通過(guò)采取水熱路線改變?nèi)軇?水、DMF、無(wú)溶劑)的方法合成了能夠發(fā)射多種顏色(藍(lán)色、綠色、黃色)的氮摻雜的石墨烯量子點(diǎn)，具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)、低細(xì)胞毒性和良好的生物相容性，有望作為體外成像的潛在生物成像劑。

2.2 生物傳感

GQDs能夠通過(guò)能量共振轉(zhuǎn)移等形式與有機(jī)或無(wú)機(jī)物發(fā)生相互作用，使得GQDs熒光猝滅，根據(jù)這一原理可以制作生物傳感器。Shi等[18]報(bào)道了一種基于石墨烯量子點(diǎn)和金納米粒子(Gold nanoparticles ,AuNPs)對(duì)的新型熒光共振能量轉(zhuǎn)移(Fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET)生物傳感器，能夠用于金黃色葡萄球菌特異性基因序列的檢測(cè)。其機(jī)理是將捕獲探針固定在GQDs上，在AuNPs上結(jié)合報(bào)告探針，然后目標(biāo)分子寡核苷酸與捕獲探針和報(bào)告探針共雜交形成一種夾心結(jié)構(gòu)，使GQDs和AuNPs緊密接觸以觸發(fā)FRET效應(yīng)，熒光能量從GQDs轉(zhuǎn)移至AuNPs，通過(guò)測(cè)定熒光猝滅效率可以定量檢測(cè)出金黃色葡萄球菌的靶寡核苷酸。Shi等[19]報(bào)道了以GQDs為供體，MoS2為受體的熒光生物傳感器，用于快速、靈敏地檢測(cè)上皮細(xì)胞粘附分子(Epithelial cell adhesion molecule，EpCAM)。其機(jī)理是通過(guò)范德華力將PEG化GQDs標(biāo)記的EpCAM適體吸附到MoS2上，在熒光共振能量轉(zhuǎn)移機(jī)制下，MoS2 納米片可以猝滅GQDs的熒光信號(hào)。在EpCAM蛋白存在下，由于適體和EpCAM蛋白之間存在強(qiáng)大的特異性親和相互作用，能夠從MoS2納米片中分離出GQDs標(biāo)記的EpCAM適體，從而導(dǎo)致熒光的恢復(fù)。通過(guò)檢測(cè)熒光信號(hào)的變化，在3 nM至54 nM范圍內(nèi)可以靈敏地檢測(cè)目標(biāo)EpCAM蛋白，其檢測(cè)限制( Limit of detection，LOD)為450 pM。

2.3 藥物傳遞

石墨烯量子點(diǎn)是運(yùn)輸藥物的優(yōu)良載體，這是由于其具有較大的比表面積、兩親性及豐富的π電子，能夠通過(guò)π-π堆疊、非共價(jià)鍵結(jié)合、疏水性及靜電相互作用而與藥物結(jié)合，起到藥物傳遞的作用[20]。Iannazzo等[21]報(bào)道了一種基于石墨烯量子點(diǎn)的生物相容性和藥物可追蹤的藥物傳輸系統(tǒng)，能夠用于將DNA嵌入藥物多柔比星(doxorubicin)靶向傳遞至癌細(xì)胞。通過(guò)酸性氧化和多壁碳納米管的剝離合成的水溶性GQDs能夠與腫瘤靶向模塊生物素共價(jià)連接，能夠有效識(shí)別癌細(xì)胞上過(guò)量表達(dá)的生物素受體，進(jìn)而將藥物靶向釋放到癌細(xì)胞。Khodadadei等[22]報(bào)道了甲氨蝶呤(Methotrexate ，MTX)負(fù)載的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)納米載體能夠作為有效的抗癌藥物傳遞系統(tǒng)。以檸檬酸為碳源，尿素為氮源通過(guò)水熱法合成了發(fā)藍(lán)色熒光的氮摻雜石墨烯量子點(diǎn)，MTX通過(guò)強(qiáng)烈的π-π堆疊作用負(fù)載到N-GQDs上。通過(guò)體外MTT測(cè)定研究MTX-(N-GQDs)對(duì)人體乳腺癌細(xì)胞的毒性表明，無(wú)MTX的N-GQDs納米載體具有高度的生物相容性，而負(fù)載有MTX的N-GQDs納米載體表現(xiàn)出更高的細(xì)胞毒性。將抗癌藥物負(fù)載在石墨烯量子點(diǎn)上，能夠有效傳遞抗癌藥物至靶細(xì)胞，并減少對(duì)正常細(xì)胞的傷害，這對(duì)癌細(xì)胞的靶向治療具有深遠(yuǎn)的意義。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

石墨烯量子點(diǎn)應(yīng)用于生物細(xì)胞成像、生物傳感、藥物傳遞等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域面臨的主要困難之一在于獲得高質(zhì)量的GQDs，但是現(xiàn)有的合成方法大多是小規(guī)模且合成的GQDs具有寬尺寸分布，因此有必要找到更高效、更高量子產(chǎn)率、并能對(duì)GQDs的形狀和尺寸進(jìn)行可控的合成方法。就目前來(lái)看，對(duì)石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)特性的理解仍不不夠深入，這限制了其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)投入更多的努力改善GQDs，提高其量子產(chǎn)率。相信，隨著研究的不斷深入，石墨烯量子點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將得到更大的突破，為人類的疾病治療帶來(lái)福音。