學術干貨丨石墨烯量子點的制備及生物應用簡介

量子點是當前的研究熱點，但相比而言石墨烯量子點（GQDs）好像更受寵些。零維石墨烯量子點因其量子限域效應和邊界效應而產生帶隙，打破了石墨烯特殊的零帶隙結構，可激發出穩定的熒光，使石墨烯在生物學領域的應用成為可能。GQDs具有良好的生物相容性、低毒性、穩定的的熒光特性。而影響GQDs發光性能的因素有很多，包括尺寸、激發波長、pH值、GQDs的濃度、溶劑等。隨著GQDs 在細胞成像、組織標記和藥物輸送等生物醫學領域應用的不斷深化，對其熒光性能提出了更高的要求。為精確控制GQDs的形貌和尺寸提高其熒光性能，其制備過程、方法顯得尤為重要。下文主要介紹目前GQDs的制備方法以及在不同生物領域的應用優勢。

1. GQDs的制備

目前用來制備GQDs 的方法一般可以分為兩類: 自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)^[1]。Top-down法是通過化學、電化學或物理手段將石墨烯材料裂解、破碎成小尺寸量子點，Bottom-up法則是以小的有機分子為前驅體, 通過熱解碳化或一系列化學反應逐步化合形成尺寸較大的GQDs。Bottom-up法可以通過控制反應條件來調節GQDs 的形狀和尺寸，在GQDs 的生物應用方面具有不可忽略的優勢。

Top-down法

這類方法操作步驟相對簡單、產率較高，也是目前應用最多的一類方法。但是由于其破碎位點的隨機性，難以控制GQDs 的尺寸和形貌^[2]。Top-down 法主要包括強酸氧化法、水熱法、溶劑熱法和電化學法等方法。

• 強酸氧化法

該方法適合于以低成本易獲得的碳源為前體大規模溶劑化生產碳量子點。該過程利用強酸的氧化性，將氧化石墨烯(GO)直接切割得到GQDs。但會在產物的表面引入大量帶負電的含氧官能團，含氧官能團的存在會破壞石墨烯碳結構，其生物毒性也會增強。且過量氧化劑很難去除，GQDs 產率也隨之降低。圖1所示酸氧化微波輔助制備量子點過程，經過硼氫化鈉還原后可得到穩定發藍光的量子點。且還原過程可使量子產率由11.7%提高到22.9%^[3]。

圖1 綠色熒光GQDs和藍色熒光GQDs制備流程圖^[3]

• 水熱、溶劑熱法

水熱法制備GQDs 的機理是通過對石墨烯進行強酸氧化，在碳晶格上引入環氧基等含氧官能團，并且在室溫下進一步氧化為羰基對。由于羰基對不穩定，在水熱條件下可以除去環氧鍵上的氧原子，從而破碎成GQDs（如圖2所示）。溶劑熱法的機理與水熱法基本相同，其主要區別是使用了有一定還原性的有機溶劑替代水作為溶劑，在破碎GO的同時實現還原。

圖2 水熱法切割產生GQDs 的機理示意圖^[4]

• 電化學法

電化學法是通過電極施加足夠的電位，使水電離出OH?和O?將碳晶格氧化，在石墨烯基面上產生呈線性排列的環氧基、羧基、羥基等含氧基團，像“剪刀”一樣將石墨烯剪碎成GQDs（圖3）。該反應過程一般從石墨烯邊緣開始，缺陷處反應加快。由于含氧基團的存在，GQDs 在水溶液中可以穩定分布，而且量子點表面官能團部分取決于使用的電解液，不同有機電解液陰離子的嵌入也會引入不同的雜原子，從而改變GQDs的光學特性。

圖3 電化學方法制備GQDs反應示意圖^[5]

• 物理法

超聲剝離法利用超聲真空氣泡形成和破碎過程產生的高速液體射流提供強的流體剪力從而實現石墨烯的破碎。與傳統的通過氧化及含氧基團的斷裂來破碎石墨烯方法相比，超聲剝離法因為整個過程不發生化學反應，不會引入含氧基團，沒有化學還原等步驟，有效地避免了官能團的引入以及缺陷的產生。

電子束刻蝕法是利用納米刻蝕技術, 在大尺寸石墨烯片層上進行刻蝕，精確地控制GQDs 的形狀和尺寸，該方法制備的GQDs有穩定的熒光性能。但由于刻燭技術分辨率的限制，這種方法制備出的GQDs 尺寸最小為10 nm，并受到精密設備的需求以及操作復雜程度的限制，該方法很難實現GQDs 的大批量制備。

Bottom-up 法

Bottom-up 法中最常用的是溶液化學法和熱解炭化法。制備GQDs尺寸可控但產率較低，尤其是溶液化學法不可避免的會出現團聚。

• 溶液化學法

溶液化學法是bottom-up法中較為常用的辦法，小分子前體經過氧化聚合等一系列化學反應逐步生成單分散GQDs。圖4為通過分布氧化聚合形成樹枝狀聚苯撐制備含168、132.170個碳原子的GQDs^[6]。但是隨著反應的進行, 聚合產物GQDs尺寸會不斷增大,而 π-π鍵之間的引力的不斷增強會導致團聚的出現。通常所使用的增溶方法是在GQDs 邊緣處連接增溶基團, 當GQDs 與溶劑之間的吸引力大于石墨烯片層之間的吸引力時, 溶解度就會相應的增大。

圖4 分步氧化聚合由3-碘-4-溴苯胺合成GQD的過程^[6]

• 熱解碳化法

熱解炭化法的主要原理是將有機鹽等有機小分子前體加熱至其熔點以上，然后冷凝集結形核長大，最終形成一定尺寸和形狀的GQDs。所用的前體包括有機鹽（例如，十八烷基檸檬酸銨或二甘醇銨檸檬酸鹽）、甘油、 L-谷氨酸酸、抗壞血酸、檸檬酸、乙二胺四乙酸酸二鈉鹽等。圖5為Chi 等^[7]通過對檸檬酸進行炭化制備出15 nm的GQDs，且其量子產率相對較高。

圖5 檸檬酸碳化形成GQDs 和GO 的示意圖^[7]

GQDs的功能化

GQDs的熒光性能很大程度上由其大小甚至形狀所決定，而表面缺陷發光則依賴于量子點表面官能團的性質，因此通過形貌調控、化學修飾等方法可提高GQDs的熒光量子效率實現熒光調控。

C60 開籠法是有效控制GQDs形狀和尺寸的方法，通過控制退火溫度和碳簇聚合的密度可制備三角形、平行四邊形、梯形形狀、六角形和蘑菇形的GQDs。如圖6所示，退火溫度為725K 時，GODs 呈三角形或六角蘑菇狀和花朵狀；在825 K 下退火時，小尺寸GQDs 聚合成為尺寸較大的六邊形GQDs^[8]。通過模板聚合、合成前預分離技術等也可實現對GQDs尺寸的調控。

通過調劑pH、還原劑還原等方法進行氧化程度控制或利用有機物表面鈍化（常通過酰胺化反應實現）、雜原子摻雜的方法可實現發光的多色調控。

圖6 C60 開籠法制備GQDs 示意圖^[8]

2. GQDs在生物領域應用

GQDs 具有替代重金屬量子點成為環境友好量子點的潛力，科學家們利用其可調節的光致發光性、低細胞毒性和高的生物相容性已成功開展了GQDs在細胞成像、生物傳感和藥物輸運等領域的應用研究工作，為其在生命、環境領域的應用奠定了基礎。

• 熒光成像

相對于目前使用的的有機、無機的量子點和熒光劑，GODs 具有突出的分辨率、熒光穩定性和較低的細胞毒性和較高的生物相容性^[5]，所以可以用于細胞和生物成像。

• 生物傳感器

GQDs的熒光和電化學性質對微小的擾動很敏感，且其尺寸小可與生物分子通過能量共振轉移等發生密切相互作用，因此具有很大的傳感應用潛力。石墨烯量子點與無機或有機物發生相互作用時可能導致GQDs 的熒光猝滅，根據這些特性, 可以制作成生物傳感器使傳感靈敏度、選擇性得到改善。

• 藥物輸運

GQDs 具有大的比表面積可以與多種分子通過π-π鍵、靜電相互作用、物理吸附等相互作用力結合，同時它還有很好地細胞相容性可使細胞毒性最小化，所以GQDs 是運載藥物的較為安全的優良載體。

• 光動力治療

已經發現由于GQDs表面存在的缺陷，在藍光照射下可以產生活性氧自由基(ROS)以及單線態氧，細胞攝取GQDs后ROS增加^[9]。而活性氧自由基可以導致細胞的凋亡，因此GQDs 在光動力治療方面具有很廣闊的應用前景，可以用來殺死細菌和腫瘤細胞。

• 抗菌劑

有研究發現胺化的GQDs對細胞有保護機制，該作用可能與胺化GQDs具有的類過氧化氫酶活性有關^[10]。當GQDs與H₂O₂同時使用時可以催化H₂O₂ 分解為羥基, 而羥基的抗菌性更強，且GQDs與H₂O₂構建的體系可避免高濃度H2O2較強的生物毒性。

3. 小結

盡管很多研究以證明GQDs獨特的熒光性質在生物領域具有突出的應用優勢，但由于現存的很多問題沒有解決其應用潛能也一定程度受限。首先，目前石墨烯量子點的制備方法存在一定的缺陷，如產物水溶性較差、產量和量子產率較低、形貌和尺寸的控制不夠精確等。其次，其熒光發射光譜較窄，大部分發綠光或藍光，而深層組織成像需要長波段光源。雖然可以通過表面修飾和化學改性等手段實現發光的多色調控，但研究仍需深入。最重要的是目前對GQDs 生物毒性的研究大多都忽略了GQDs在光照下潛在的光敏毒性，GQDs 在光的激發下會產生活性氧自由基，會降低細胞活性。隨著研究的不斷深入，GQDs的應用將改變生物醫學研究，同時GQDs將在能量存儲轉化、光催化等新型領域嶄露頭角成為真正的“big small things”。

參考文獻

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本文由材料人編輯部學術干貨組Starkle供稿，材料牛編輯整理。

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