华盛顿大学张米琴团队Adv. Mater.：石墨烯量子点及其在生物成像、生物传感和治疗中的应用

【引言】

石墨烯量子点（GQDs）是以碳为基础的纳米粒子，具有优异的化学、物理和生物特性，使其在纳米医学的广泛应用中脱颖而出。GQDs独特的电子结构赋予了这些纳米材料强大和可调的光致发光（PL）功能，用于荧光生物成像和生物传感；高负载能力的芳香族化合物的小分子药物传递；吸收入射辐射的能力，用于光热和光动力疗法的杀灭癌症技术。

【成果简介】

近日，华盛顿大学张米琴教授团队（通讯作者）带领下，首先综述了GQDs的理化性质、光学性质、电子性质、磁性性质和生物学性质，讨论了近年来GQDs的研究进展，重点介绍了GQD合成方法的研究进展；根据依靠自上而下或自下而上过程的技术，将这些方法分类。随后，将讨论GQDs的应用，包括通过光学和磁性方式的生物成像，体内外生物传感，以及通过药物传递、基因传递和光动力疗法（PDT）的治疗方法。还对GQD研究的当前局限性和未来方向也进行了深入的分析。相关成果以题为“Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy”发表在了Adv. Mater.上。

【图文导读】

图1 石墨烯量子点（GQD）的合成、物理性质及在生物系统中的应用等方面的研究进展

图2 石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点的结构差异示意图

图3 通过理论模型计算了尺寸和边缘构象对GQDs能带隙的影响

a）不同尺寸和边缘构型的GQDs的结构。标签“AM”和“ZZ”指的是边缘类型，整数表示芳环的数量。

b）能带隙随横向尺寸和边缘类型的变化。以下字母表示使用的建模方法：格林函数和屏蔽库仑相互作用（GW）和局部密度近似（LDA）。

图4 GQDs的PL谱随掺杂性质和程度的变化而变化

a）GQDs和氮掺杂GQDs（NGQDs）的照片。NGQD标签后面的数字表示在NH₃气氛下以min为单位的辐照时间。

b）NH₃气氛下合成的NGQDs的PL光谱，随着氮原子掺入GQDs内部，NGQDs发生蓝移。

c）芳香胺官能化的GQDs的PL光谱。N_ar/N表示芳香胺类与总胺类的比例。随着芳香胺官能化的增加，光谱中出现了明显的红移。

d）原始GQDs和e）掺硼GQDs在不同激发波长下的UV-vis（黑色）和PL光谱（彩色）。硼被掺入结构时，会出现轻微的红移。

图5 评估GQDs的生物相容性

a）A549细胞暴露于三种不同浓度的GQDs后细胞代谢活性的评价。

b）静脉注射GQDs后4周，对大鼠重要器官进行组织学评估。

c）在黑暗中，在不同浓度的GQDs和GQDs与以下物质反应可以改变细胞活力：苯肼（PH），苯甲酸酐（BA）和2-溴-1-苯乙酮（BrPE）。

d）在辐射下，在不同浓度的GQDs和GQDs与以下物质反应可以改变细胞活力：苯肼（PH），苯甲酸酐（BA）和2-溴-1-苯乙酮（BrPE）。

图6 通过自上而下和自下而上的方法合成GQD的最新进展示意图

图7 液相剥离合成GQDs的表征

a）液相剥离和GQDs合成机理的示意图。

b）HD-GQDs和c）LD-GQDs在不同激发波长下的PL光谱。

图8 微波合成GQDs

a）N-GQD和b） NS-GQD的微波合成示意图，显示了GQDs与胺基和硫基官能团的官能化。

图9 氮掺杂的GQDs用于细胞和组织成像

a）单光子荧光（OPF）和双光子荧光（TPF）的PL发射光谱。

b,c）HeLa细胞在800 nm激发下的b）亮场和c）荧光图像（比例尺= 10 µm）。

d）使用不同厚度的组织体模进行双光子荧光成像（TPFI）的装置示意图。

e）TPFI和单光子荧光成像（OPFI）在组织体模中的N-GQDs渗透深度（比例尺= 100 µm）。

图10 氮和硼双掺杂的GQDs用于NIR-II生物成像

a）透射电子显微镜图像，显示直径5 nm的单分散颗粒。右上方的插图显示了指示石墨烯的晶格条纹，而左下方的插图是溶液中GQDs的照片，显示了它们的出色溶解性。

b）当被808 nm激光源激发时，显示NIR-II发射的N-B-GQDs的PL光谱。插图显示水溶液中N-B-GQDs的光学图像和PL图像。

c）通过评估SF763、4T1和B16F10细胞与N-B-GQDs孵育72小时后的活力，对N-B-GQDs进行体外细胞毒性研究。采用学生双侧t检验进行统计分析（** p <0.01，*** p <0.001）。

d）活体小鼠的体内NIR-II成像。左上方的面板是裸鼠的照片，最上方的随后的面板描绘了注射了磷酸盐缓冲盐水（PBS）但没有任何造影剂的小鼠的PL图像。第二排和第三排图像描述了静脉注射N-B-GQDs后的PL图像的时程。最下面一行的图像突出显示了血管中的PL。

图11 用硼掺杂的GQDs处理小鼠的腹部横断面的体内T1加权MR图像

用硼掺杂的GQDs处理小鼠的腹部横断面的体内T1加权MR图像，并在静脉内注射后的各个时间点获得动态的时间分辨MR成像。箭头指示各种器官：心脏（H），肝脏（L），肾脏（K），脾（Sp）和胃（St）。给药后68分钟，心脏和胃部显示出最大的对比度。

图12 基于DNPTYR-GQD的H2S传感PL开启纳米探针

a）GQD-DNPTYR的合成和PL猝灭机理的示意图。

b）GQD-DNPTYR处理后1小时（左数第二），H₂S存在25分钟（左数第三）且未在GQD-DNPTYR中孵育的MCF-7细胞的共聚焦图像（最左）。存在H₂S和PMA（最右侧）。GQD-DNPTYR发出绿色荧光，NucBlue发出蓝色荧光。比例尺=10 µm。

图13 纸插入GQD基传感器的示意图

a）能够（黄色）并且不能（红色）猝灭GQDs的酚类化合物的例子。

b）用于照亮纸样的装置示意图。

c）连接USB端口的UV LED的电路。

d）含有嵌入GQDs的硝化纤维纸带在印刷蜡分隔的圆形区域的示意图。

e）使用中的传感器系统的图像。 屏幕显示通过相机检测到的荧光点读取的样品。

f）典型的是/否（ON/OFF）结果的示意图。

图14 GQDs的治疗应用

可以通过π轨道堆叠将化学治疗药物加载到GQDs的基面上。阿霉素（DOX）是一种典型的小分子化学治疗药物（左上）。 边缘基团与阳离子肽结合可使GQDs带正电荷，使其与带负电荷的DNA或RNA形成复合物用于基因治疗（右上）。GQDs可以作为光敏剂，在特定波长（底部）照射时产生活性氧。在光动力疗法中，已证明GQDs是有效的光敏剂。

图15 MTX输送的GQDs

a）通过水热法合成N-GQD，形成MTX- (N-GQD)复合物以及胞内释放的示意图。

b）培养48小时后评估MTX- (N-GQDs)的体外细胞毒性。MCF-7细胞暴露于不同浓度的游离MTX（暗条）和MTX- (N-GQDs)（浅色条）。与MTX- (N-GQDs)相比，MTX生存力的统计显著性分别由*和**表示，分别为p <0.05和p <0.01。

c）不含MTX的N-GQDs的细胞毒性评估。

图16 PDT的GQDs

a）使用500 W氙气灯照射后，GQDs、Ppix和CdTe的光稳定性，以及在470 nm处的吸光率随时间的变化进行测量。

b,c）小鼠皮下注射GQDs后的b）明场和c）红色荧光图像。

d）三组肿瘤随时间变化的体积（每组n=5）。每组P <0.05。PDT：GQD+辐照，C1：仅GQD，C2：仅光辐照）。

e）各种处理后的小鼠照片（处理标签后的整数表示首次处理后的天数）。

【小结】

GQD研究的最新进展表明，GQD具有作为生物技术和纳米医学新平台的潜力。通过新的合成方法研究了掺杂和官能化GQDs的方法，并利用其对光学、电子、磁性和生物学特性的影响，将GQDs应用于医学领域。为优化GQDs的理化特性，使其具有特定应用的必要特性，开发了新的实验方法。此外，各种研究都集中在开发安全简单的“一锅法”合成方法上，利用一些简单的前体分子和现成的设备，如家用微波炉。这些成就将GQDs展示为适用于纳米医学的便捷系统。

文献链接：Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy（Adv. Mater.， 2019，DOI:10.1002/adma.201904362）

本文由木文韬翻译。

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