許文靜，侯軍才，趙建文

1.陜西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所印刷電子研究中心，江蘇 蘇州 215123

半導(dǎo)體碳納米管(SWCNT)的卓越性能歸功于獨(dú)特的sp2碳蜂窩結(jié)構(gòu)，其極佳的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械性能和生物兼容性，使半導(dǎo)體碳納米管成為未來(lái)計(jì)算機(jī)芯片、印刷薄膜晶體管器件和電路、抗輻照電子器件、單光子光源和探測(cè)器、能源器件和生物成像等領(lǐng)域最理想的半導(dǎo)體材料之一，相關(guān)研究已成為當(dāng)今科技前沿?zé)狳c(diǎn)[1,2]。如半導(dǎo)體碳納米管在近紅外二區(qū)(NIR-Ⅱ，1.0～1.4 μm)中的光致發(fā)光為生物的熒光成像提供了理想探針[3]。但是，多種手性隨機(jī)分布的碳納米管帶隙不唯一，在光致發(fā)光時(shí)會(huì)導(dǎo)致熒光猝滅，這很大程度上限制了碳納米管在生物成像上的應(yīng)用[4]，而單手性碳納米管具有唯一的帶隙，在激發(fā)源下可以在近紅外二區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)共振激發(fā)，有利于生物體內(nèi)的熒光成像，并使超低劑量的碳納米管在體內(nèi)應(yīng)用成為可能。但目前無(wú)法直接生長(zhǎng)和制備單手性碳納米管。商業(yè)化的碳納米管主要采用電弧放電[5]、激光燒蝕[6,7]、化學(xué)氣相沉積法[8,9]和催化裂解法[10]等制備而成，這些碳納米管中往往包含有多種手性的碳納米管。隨著碳納米管分離技術(shù)的發(fā)展，人們采用凝膠色譜法[11]、密度梯度超速離心[12,13]、兩相萃取法[14]和聚合物分離[15]等方法可以將少量的單手性半導(dǎo)體型碳納米管從中分離出來(lái)。下面從單手性半導(dǎo)體碳納米管分離和生物成像兩方面進(jìn)行介紹。

1 單手性碳納米管的分離方法

目前，通過(guò)各種方法制備出的碳納米管都是由金屬型碳納米管、半導(dǎo)體型碳納米管、無(wú)定形碳和催化劑等雜質(zhì)組成的混合物。雖然可以通過(guò)現(xiàn)有的分離技術(shù)將半導(dǎo)體型碳納米管從商業(yè)化碳納米管粉末中分離出來(lái)，但是分離出來(lái)的半導(dǎo)體碳納米管是多種手性的碳納米管混合物，如何大量、低成本地獲取單手性碳納米管一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。以下是目前常用分離單手性碳納米管的技術(shù)：

(1)凝膠色譜法。利用一種表面活性劑和一系列垂直連接的凝膠柱，對(duì)碳納米管進(jìn)行大規(guī)模手性分離。該方法基于碳納米管與烯丙基葡聚糖的凝膠結(jié)構(gòu)相互作用強(qiáng)度[9]。在頂部色譜柱上，過(guò)多的碳納米管分散液會(huì)導(dǎo)致色譜柱的吸附位被碳納米管完全占據(jù)，未結(jié)合的碳納米管流到下一色譜柱中。與凝膠相互作用較強(qiáng)的碳納米管被逐一固定，而其他未固定的碳納米管流到下一色譜柱中，也將被逐一固定在相應(yīng)的色譜柱中。

(2)密度梯度超速離心法。受生化分離方法的啟發(fā)，美國(guó)西北大學(xué)Hersam小組首先展示了密度梯度超速離心法半導(dǎo)體碳納米管選擇性分離,這是碳納米管分離領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破[13]。其原理是通過(guò)高速離心實(shí)現(xiàn)不同密度的碳納米管分層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單手性的分離。由于密度梯度超速離心法的高選擇性和迭代性質(zhì)，已實(shí)現(xiàn)了99%以上的半導(dǎo)體純度和88%以上的單手性碳納米管富集。但該法需要多步離心，存在設(shè)備成本高、操作時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，在一定程度上限制了其應(yīng)用。

(3)兩相水相萃取法。2013年，Khripin等[14]首先報(bào)道了用兩相萃取法(ATPE)對(duì)碳納米管進(jìn)行分離。將聚乙二醇和右旋糖酐混合形成兩個(gè)不混溶相，由于碳納米管的管徑、長(zhǎng)度和手性等不同，碳納米管在聚乙二醇相和富葡聚糖相之間進(jìn)行選擇性分配，實(shí)現(xiàn)分離。

(4)聚合物分選法。2007年，Nish等[15]證明芴基聚合物對(duì)半導(dǎo)體型碳納米管顯示出優(yōu)越的包裹能力，且這種方法非常簡(jiǎn)單，僅需要兩步：首先，將原始碳納米管粉末與聚合物混合在有機(jī)溶液中進(jìn)行超聲處理，隨后，將超聲處理后的溶液進(jìn)行高速離心，提取富含半導(dǎo)體碳納米管的上清液。

2 單手性碳納米管的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

分離純化的半導(dǎo)體碳納米管已開(kāi)始應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。半導(dǎo)體碳納米管在近紅外生物窗口中顯示出固有的熒光和強(qiáng)大的光學(xué)吸收性能，使其成為生物體內(nèi)成像和光熱療法的理想材料。對(duì)于生物醫(yī)學(xué)成像，由于生物系統(tǒng)不能吸收近紅外光，因此對(duì)可以在近紅外條件下發(fā)光的熒光物質(zhì)的需求量越來(lái)越大。更重要的是，生物組織發(fā)出的光的強(qiáng)度與光的波長(zhǎng)有關(guān)，即光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射越小，光能可更深入地穿透組織[16,17]。因此，碳納米管是一種適合于在體內(nèi)深處成像的半導(dǎo)體材料。

碳納米管的一維性質(zhì)使它們?cè)趯?duì)應(yīng)于范霍夫奇點(diǎn)的Eii處具有吸收和發(fā)射特性，并且可以通過(guò)調(diào)整碳納米管的手性來(lái)進(jìn)一步調(diào)節(jié)Eii躍遷的能量[18]。2012年，Diao等[16]對(duì)比了HiPCO樣品與富含手性(12,1)&(11,3)的紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜圖，如圖1(a)所示，這兩個(gè)手性的S11峰與S22峰的位置都很接近，由圖1(b)可以明顯看出(12,1)&(11,3)碳納米管所發(fā)出的熒光更加明亮，富含手性(12,1)&(11,3)的熒光光譜強(qiáng)度是HiPCO樣品的5倍。將200 μL濃度為0.016 mg/mL的(12,1)&(11,3)碳納米管溶注入裸鼠體內(nèi)，觀測(cè)(12,1)&(11,3)碳納米管在裸鼠體內(nèi)隨時(shí)間變化的熒光成像效果，如圖1(c)所示。從圖1可知，(12,1)&(11,3)碳納米管的劑量只需達(dá)到HiPCO樣品1/6的注射劑量時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)良好的生物學(xué)成像。考慮到(12,1)&(11,3)碳納米管的純度仍然不高，并且這兩種碳納米管不能以完全相同的波長(zhǎng)發(fā)光，該團(tuán)隊(duì)使用密度梯度高速離心法分離出單手性(6,5)碳納米管，進(jìn)一步優(yōu)化，提高生物成像性能，后續(xù)研究將其用于雙重成像和光熱治療[17]。如圖2所示，與手性分布隨機(jī)的未分離的HiPCO相比，單手性碳納米管的純度隨迭代次數(shù)的增加而增加，通過(guò)二次迭代富集的(6,5)碳納米管在熒光光譜中的亮度是它們的6倍左右;給裸鼠注射二次迭代后的高純度單手性(6,5)碳納米管后，碳納米管在腫瘤區(qū)域產(chǎn)生了明顯的聚集現(xiàn)象。并且，采用980 nm激光照射碳納米管溶液，富集(6,5)的樣品比未分類的樣品溫度升高幅度更大，這歸因于共振吸收高效地加熱了(6,5)碳納米管，從而使腫瘤成像更加清晰，并達(dá)到了所需的光熱腫瘤消融溫度。在基于納米材料體內(nèi)治療劑中碳納米管非常低劑量時(shí)也能實(shí)現(xiàn)清晰成像。此外，Antaris等[19]還通過(guò)在密度梯度高速離心法分離過(guò)程中調(diào)節(jié)pH值獲得超高純度單手性(6,4)碳納米管(>99%純度)，并用于近紅外生物成像。單手性(6,4)碳納米管的獨(dú)特之處在于S22(873 nm)能量為1.42 eV，可使價(jià)格低廉的硅探測(cè)器代替昂貴的InGaAs探測(cè)器，大幅降低成本，使之在臨床應(yīng)用中更加實(shí)用。

圖1 HiPCO碳納米管與(12,1)&(11,3)碳納米管的(a)紫外-可見(jiàn)-近紅外吸收光譜圖和(b)NIR-II的熒光圖像；(c)裸鼠注入200 μL濃度為0.016 mg/mL的(12,1)&(11,3)碳納米管溶液隨時(shí)間變化的熒光圖像(上圖)和裸鼠的PCA圖像(下圖)，其中肺部為綠色，腎臟為粉紅色，肝臟為藍(lán)色[16]

圖2 (a) 從左到右分別為HiPCO碳納米管，第一次迭代獲得的(6,5)碳納米管和第二次迭代獲得的(6,5)碳納米管的光學(xué)和熒光圖像；(b) 4T1腫瘤裸鼠注射PBS的近紅外熒光圖像；(c) 4T1腫瘤裸鼠注射HiPCO碳納米管溶液的近紅外熒光圖像；(d) 在右肩上帶有4T1腫瘤的小鼠的光學(xué)圖像；(e)～(g) 為注射(6,5)碳納米管溶液后6 h、24 h和 48 h的近紅外熒光圖像[17]

2016年，Yomogida等[20]利用凝膠色譜法分離出單手性(9,4)碳納米管，(9,4)碳納米管的發(fā)射和激發(fā)波長(zhǎng)位置很有利于生物成像，其S11峰(1101 nm)是水、皮膚和黏液的低吸收區(qū)，S22(724 nm)是含氧血紅蛋白的低吸收區(qū)[21]。如圖3所示，使用分離的(9,4)碳納米管作為熒光探針進(jìn)行了小鼠脈管系統(tǒng)的近紅外熒光成像。由于每單位質(zhì)量的吸收和發(fā)射強(qiáng)度高，經(jīng)表面活性劑交換的生物相容性(9,4)碳納米管的熒光強(qiáng)度是原始HiPCO碳納米管的20倍，可清晰顯示出血管和深部?jī)?nèi)臟，具有較高的信號(hào)強(qiáng)度。

圖3 (a) 注射34 μg的(9,4)碳納米管(左圖)和128 μg的HiPCO 碳納米管的裸鼠的熒光圖像(右圖)；(b) 注射劑量不同的(9,4)碳納米管(1.7～0.17 μg每只小鼠)與未注射的裸鼠的熒光圖像對(duì)照(上圖)，并調(diào)節(jié)至最佳對(duì)比度后的熒光圖像(下圖)[20]

研究表明，即使在沒(méi)有靶向劑的情況下，被注射到裸鼠體內(nèi)的碳納米管也會(huì)在裸鼠接種的腫瘤中積累[16,22]，惡性腫瘤的特點(diǎn)是大量繁殖并發(fā)生轉(zhuǎn)移。目前，癌癥的治療方法是手術(shù)、化療和放射療法去除病變的整個(gè)腫塊，但是，由于癌細(xì)胞通過(guò)淋巴和血液系統(tǒng)擴(kuò)散，因此很難通過(guò)手術(shù)完全去除轉(zhuǎn)移性病變[23]。因此，為了了解癌癥的轉(zhuǎn)移路徑，除了檢測(cè)原發(fā)腫瘤外，還必須可視化癌細(xì)胞的轉(zhuǎn)移。曾有研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)氧摻雜化學(xué)修飾可以改變碳納米管的激發(fā)與吸收波長(zhǎng)[24]，2019年，Sekiyama等[25]使用紫外燈照射(6,5)碳納米管，對(duì)(6,5)碳納米管形成氧摻雜，使(6,5)碳納米管發(fā)射峰位置紅移至1280 nm，探究通過(guò)摻雜調(diào)控后的碳納米管是否可以標(biāo)記癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移，將氧摻雜的碳納米管用PEG(聚乙二醇)處理后使其具有更好的生物兼容性(O-SWCNT-PEG)。如圖4(a)所示，將腫瘤Colon-26細(xì)胞置于富含O-SWCNT-PEG的培養(yǎng)基中，每?jī)商旄鼡Q一次含有O-SWCNT-PEG的培養(yǎng)基，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間推移逐漸增加。圖4(b)作為對(duì)照組，第一天和第二天將腫瘤Colon-26細(xì)胞置于富含O-SWCNT-PEG的培養(yǎng)基中，第三天開(kāi)始更換不含O-SWCNT-PEG的培養(yǎng)基，注意到直到第5天，細(xì)胞中O-SWCNT-PEG才開(kāi)始出現(xiàn)熒光圖像，表明熒光強(qiáng)度隨時(shí)間和O-SWCNT-PEG濃度增加而增加。

圖4 第1、3、5和7天在980 nm激光激發(fā)下，帶有Colon-26細(xì)胞的O-SWCNT-PEG的近紅外二區(qū)熒光圖像(a) 將Colon-26細(xì)胞放在濃度為1.6 μg/ mL的O-SWCNT-PEG培養(yǎng)基中，每48 h更換一次含有O-SWCNT-PEG培養(yǎng)基； (b) 作為對(duì)照組，在第0～2天用濃度為1.6 μg/mL的O-SWCNT-PEG培養(yǎng)基后，更換不含O-SWCNT-PEG的培養(yǎng)基(綠色表示O-SWCNT-PEG的近紅外二區(qū)熒光圖像)[25]

如上所述，通過(guò)化學(xué)摻雜對(duì)單手性碳納米管的發(fā)射和吸收峰進(jìn)行調(diào)控使之紅移，近紅外二區(qū)單手性碳納米管對(duì)光的散射非常弱，從而提供更好的穿透深度，并減少對(duì)自發(fā)熒光的干擾。大管徑半導(dǎo)體碳納米管能夠在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)(如>1400 nm)下進(jìn)行生物成像，這使得對(duì)大直徑的單手性半導(dǎo)體碳納米管的需求越來(lái)越迫切[26]。如何分離純化管徑更大的半導(dǎo)體碳納米管并研究其在生物成像等領(lǐng)域中的應(yīng)用,已成為碳基電子里的一大研究熱點(diǎn)。

3 展望

要真正實(shí)現(xiàn)單手性半導(dǎo)體型碳納米管的應(yīng)用，首先需要在單手性半導(dǎo)體碳納米管可控生長(zhǎng)和合成純化等方面進(jìn)行深入研究，同時(shí)需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以實(shí)現(xiàn)大量高純度的單手性半導(dǎo)體型碳納米管富集技術(shù)。盡管目前在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)方面取得了重大進(jìn)展，但生長(zhǎng)和富集的方法主要集中在小管徑的單手性碳納米管上，最具代表性的材料是(6,5)碳納米管。因此，應(yīng)重點(diǎn)致力于能普遍應(yīng)用的不同管徑的單手性碳納米管生長(zhǎng)與富集的研究，特別是管徑>1 nm的單手性半導(dǎo)體碳納米管。單手性半導(dǎo)體碳納米管的獨(dú)特特性使其不僅能夠熒光成像標(biāo)記腫瘤，同時(shí)還有望用于治療，目前雖還在實(shí)驗(yàn)階段，但已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)上展現(xiàn)出了巨大的潛力。除在生物醫(yī)學(xué)中，單手性半導(dǎo)體碳納米管也在計(jì)算機(jī)芯片、能源電池、單光子發(fā)射器與單光子探測(cè)器等方面有著潛在的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。