碳点在生物成像中的应用进展(2)

2.6 上转换发光性质

一般情况下，多数碳点的发光符合斯托克斯定律，即受到高能量(波长短、频率高)的光激发后，可发射低能量(波长长、频率低)的光。但某些特殊情况下制备的碳点[23-24]可在长波长光的激发下，发射比激发波长短的荧光，称为上转换发光，又称反斯托克斯发光。碳点的上转换发光性质有利于消除生物组织自身荧光的干扰，在生物样品检测和生物成像方面有独特的优势。

3碳点在生物光学成像中的应用

3.1 细胞成像

碳点分子量只有传统荧光试剂的1/10，更容易通过内吞作用进入细胞内[25]，在生物成像方面具有广阔的应用前景，目前碳点已用于多种细胞的成像。Jiang等[26]使用邻、间、对苯二胺作为反应前驱体，以甲醇为溶剂，合成的3种分别在365 nm激发光下呈现绿色、蓝色和红色荧光的碳点，均可用于人乳腺癌细胞MCF-7共聚焦成像。Wang等[8]以二氧化硅微球为载体通过水热法合成的草莓样碳点，经叶酸修饰后可用于肿瘤细胞的靶向生物成像。

不同的碳点，用于细胞成像时在细胞内的定位不同。黄贺等[27]以酪氨酸为碳源、 乙二胺为钝化剂制备的蓝色荧光碳点，当浓度为200 μg/mL时用于人胚肾AD293细胞的标记，发现标记位置为细胞质，并未到达细胞核。而Kang等[25]以含氮化合物多巴胺为前体合成的碳点具有多巴胺的功能基团，可以实现细胞核染色。姜杰等[28]以柠檬酸为碳源，苯二胺的3种同分异构体为氮源，制备的氮掺杂碳点，荧光量子产率高，用于正常组织细胞NIH3T3的荧光成像，发现荧光信号主要集中在细胞质中，在细胞核中也有分布。

相同的碳点，在不同细胞内的成像情况也有区别。唐秋玲等[29]观察了利用色氨酸为碳源制备的碳点对小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7、小鼠成纤维细胞系L929和小鼠前成骨细胞系MC3T3-E1的成像效果，结果发现前两种细胞的荧光区域主要集中在细胞膜和细胞质，而MC3T3-E1的整个细胞都具有荧光，说明碳点可能部分进入到了细胞核中。但该报道并未指明碳点内吞的途径以及其在细胞内的转运方式。

刘杰等[30]既考察了碳点在细胞内的定位也研究了碳点跨成骨细胞膜转运的机制。他们以叶酸和PEI为原料合成的碳点，在紫外光激发下发射蓝色荧光，能够通过胞膜窖途径和非能量依赖性途径内吞进入MC3T3-E1进行细胞成像，被细胞摄取后分布到细胞质的主要细胞器如内质网、高尔基体、溶酶体和线粒体等中，为碳点作为一种非病毒载体应用于转基因治疗提供了依据。

有些碳点应用于细胞成像时可实现对细胞器的选择性定位。Li等[31]以半胱氨酸和柠檬酸为原料合成的碳点可选择性识别细胞中的高尔基体，适合高尔基体长时间原位成像，可用于观察病毒感染早期高尔基体的动态变化。

有些碳点还可用于多色成像和多模式成像。如唐荣等[32]把利用柠檬酸为原料合成的碳点应用于小鼠黑色素瘤细胞B16-F10的荧光成像，发现碳点可以同时进入细胞质和细胞核内，并在不同的激发光源下发出不同颜色的荧光，实现了细胞的多色成像。而Liu等[33]合成的N、Fe共掺杂的碳点，具有显著的超顺磁性和高饱和磁化强度，可作为CT和核磁共振造影剂用于小鼠体内癌细胞的荧光、CT和核磁共振多模式成像。

然而大多数碳点在紫外光的照射下，发射的是波长位于紫外光区或短波长可见光区的光，对组织的穿透性较差，且影像效果易受生物组织对紫外光和短波长可见光产生的自发荧光的干扰[34]。而波长在650～900 nm内的近红外光对组织的穿透能力较强，伤害小。李迎运等[35]制备了最大发射峰位于近红外区的碳点，对生物组织的光损伤小、穿透性更强，且细胞毒性较低，有利于生物深层组织的光学成像。

3.2 活体成像

活体成像指在活体状态下，在细胞和分子水平上应用影像学方法对生物学过程进行定性和定量分析的一门科学，技术主要包括生物发光与荧光、同位素成像、X光成像等。通过活体成像技术可以观测活体动物体内肿瘤的生长及转移、感染性疾病的发展过程、特定基因的表达等生物学过程。在活体成像中，使用较多的动物是小鼠和斑马鱼。

2009年，Yang等[36]最先将碳点用于活鼠成像。2015年，Zheng等[37]使用葡萄糖和天冬氨酸作为碳源制得的碳点，经尾静脉注入小鼠体内15 min后发现其主要集中在胶质瘤部位，说明碳点能够穿过血管壁，具有很好的选择性，可用作非侵害性胶质瘤诊断的荧光成像和标记试剂。Wu等[38]采用一种静脉注射抗肿瘤药物依托泊苷磷酸酯(VP16)作为前驱体制备的碳点，能在短时间内穿透细胞，即使在低温下也能发射荧光。小鼠皮下或静脉注射碳点后可检测到光信号，说明制备的碳点可作为一种低细胞毒性的生物显像剂用于体内外生物成像。

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