碳点在生物成像中的应用进展

生物成像是利用光学或电子显微镜直接获得生物细胞和组织的微观结构图像，了解生物体组织结构，阐明生物体生理功能的一种重要研究手段，在研究疾病的发病机理、临床表现、基因病变、疾病诊断和开发新的医疗手段等方面具有重要意义和前景。量子点作为目前应用较多的光学成像探针之一，与传统的有机染料相比，具有激发光谱宽且连续、发射光谱窄而对称、量子产率高等优点，但因具有光闪烁现象，且含有对细胞具有较强毒性的铬等重金属元素，导致其应用于生物成像受到限制。

碳点是一类新型零维碳纳米材料，包括石墨烯量子点、碳纳米点和聚合物点[1]，与零维的富勒烯、一维的碳纳米管和二维的石墨烯等同属碳纳米家族成员。它是Xu等[2]在2004年用电泳法纯化单壁碳纳米管时偶然发现的。2006年Sun等[3]又以石墨粉为原料，采用激光刻蚀并经酸氧化或表面钝化等方法获得了能够发出荧光的碳纳米颗粒，并将其命名为碳点，成功用于多光子成像。此后，碳点受到了越来越多研究者的关注。作为纳米材料的新成员，碳点具有成本低廉、易于合成和功能化、激发和发射波长可调控、荧光寿命长、无光闪烁、抗光漂白性强、生物相容性好、细胞毒性低等优势，与传统的荧光材料如有机染料和半导体量子点相比，更适用于生物成像研究[4]。本文将对碳点的结构、主要理化性质以及近年来在生物成像方面的应用进行总结。

1碳点的结构

碳点通常含有碳、氢、氧、氮等四种基本元素，由碳质核心和表面钝化层两部分组成。作为碳点的骨架，碳质核心包括sp2杂化的石墨烯碎片、sp2和sp3杂化碳构成的碳纳米颗粒和非共轭类聚物构筑的纳米颗粒等形式[5]。碳点形状呈类球形，粒径通常约小于10 nm，且大小可通过合成时的反应温度[6]、反应时间[7]等控制。大多数碳点因表面含有丰富的羟基、羧基、氨基等基团而具有较好的水溶性。

2碳点的主要理化性质

2.1 细胞毒性和生物相容性

碳元素，位于元素周期表中第2周期第ⅣA族，广泛存在于自然界中，是生物体的基本组成元素之一，无毒、生物相容性良好，有利于进行生化传感分析和生物成像。利用具有生物活性的分子对碳点进行表面修饰，还可以进一步提高其生物相容性[8]。

2.2 光稳定性

光稳定性是评价荧光材料的一项重要指标。与有机染料和半导体量子点等相比，碳点在持续激发光照射下，荧光强度基本不会发生明显变化，具有较好的光稳定性。在激发光聚焦显微镜下观察，碳点的荧光发射无光漂白现象。这些特点使碳点可被用于长期实时荧光成像[9]。

2.3 紫外吸收性质

碳点通常在260～320 nm的紫外光区具有较强的吸收峰。260 nm附近的紫外吸收来源于sp2杂化平面的π-π*跃迁，300 nm附近的吸收按能量从高到低依次来源于平面间π-π*跃迁和n-π*跃迁[10]。碳点的吸收光谱会受元素掺杂、表面官能团、表面钝化等因素的影响[11]。

2.4 荧光性质

碳点的荧光发射光谱在可见光区到近红外光区范围内可调，是一种性能优良的荧光标记与生物成像材料。已报道的许多碳点的发射光谱与激发波长有关[12-14]，即表现为依赖于激发波长的发射光谱特征，使得碳点在不同的激发状态下具有多色荧光特性。而碳点中N含量的增加会促使碳点从依赖激发波长的发射转变为不依赖于激发波长的发射[15]。有些碳点的最大发射波长会随分子量的增大[16]、溶剂极性增大或pH的升高[17]、表面氧化程度的增加[18]而发生红移。碳点还可通过其表面含有的羟基对细胞壁的高亲和力，吸附到细胞膜上，从而在不同的激发状态下表现出不同的荧光特性[19]。

2.5 荧光量子产率

荧光量子产率是指荧光物质吸光后所发射的荧光光子数与所吸收的激发光光子数之比[20]，其大小是评价荧光性能的重要参数。一般情况下，裸露的碳点因表面存在发射缺陷，荧光量子产率通常低于10%，其荧光性能可通过形成金属纳米粒子-碳点复合物、杂原子掺杂和表面功能化等方法进行改善[21]。

碳点中杂原子的掺杂包括金属元素(如Cu、Mg、Fe、Ge、Gd等)掺杂、非金属元素(如N、S、P、B、Si、Cl等)掺杂以及非金属和金属元素共掺杂等类型。掺入的杂原子与碳原子相比原子轨道不同，通过形成新的表面状态来捕获激发电子，从而使量子产率明显提高，碳点性能显著提升[21]。而碳点表面的修饰，常使用带有氨基的试剂如聚乙二醇(PEG)、聚醚酰亚胺(PEI)等有机高分子和有机胺类物质。He等[22]以柠檬酸为碳源，二亚乙基三胺 (DETA)作为表面钝化剂，通过一步回流法合成的荧光碳点，量子产率高达82.4%。此外，碳点的荧光量子产率还与粒径大小、表面氧化程度等有关。

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