学术干货丨石墨烯量子点的制备及生物应用简介

量子点是当前的研究热点，但相比而言石墨烯量子点（GQDs）好像更受宠些。零维石墨烯量子点因其量子限域效应和边界效应而产生带隙，打破了石墨烯特殊的零带隙结构，可激发出稳定的荧光，使石墨烯在生物学领域的应用成为可能。GQDs具有良好的生物相容性、低毒性、稳定的的荧光特性。而影响GQDs发光性能的因素有很多，包括尺寸、激发波长、pH值、GQDs的浓度、溶剂等。随着GQDs 在细胞成像、组织标记和药物输送等生物医学领域应用的不断深化，对其荧光性能提出了更高的要求。为精确控制GQDs的形貌和尺寸提高其荧光性能，其制备过程、方法显得尤为重要。下文主要介绍目前GQDs的制备方法以及在不同生物领域的应用优势。

1. GQDs的制备

目前用来制备GQDs 的方法一般可以分为两类: 自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)^[1]。Top-down法是通过化学、电化学或物理手段将石墨烯材料裂解、破碎成小尺寸量子点，Bottom-up法则是以小的有机分子为前驱体, 通过热解碳化或一系列化学反应逐步化合形成尺寸较大的GQDs。Bottom-up法可以通过控制反应条件来调节GQDs 的形状和尺寸，在GQDs 的生物应用方面具有不可忽略的优势。

Top-down法

这类方法操作步骤相对简单、产率较高，也是目前应用最多的一类方法。但是由于其破碎位点的随机性，难以控制GQDs 的尺寸和形貌^[2]。Top-down 法主要包括强酸氧化法、水热法、溶剂热法和电化学法等方法。

• 强酸氧化法

该方法适合于以低成本易获得的碳源为前体大规模溶剂化生产碳量子点。该过程利用强酸的氧化性，将氧化石墨烯(GO)直接切割得到GQDs。但会在产物的表面引入大量带负电的含氧官能团，含氧官能团的存在会破坏石墨烯碳结构，其生物毒性也会增强。且过量氧化剂很难去除，GQDs 产率也随之降低。图1所示酸氧化微波辅助制备量子点过程，经过硼氢化钠还原后可得到稳定发蓝光的量子点。且还原过程可使量子产率由11.7%提高到22.9%^[3]。

图1 绿色荧光GQDs和蓝色荧光GQDs制备流程图^[3]

• 水热、溶剂热法

水热法制备GQDs 的机理是通过对石墨烯进行强酸氧化，在碳晶格上引入环氧基等含氧官能团，并且在室温下进一步氧化为羰基对。由于羰基对不稳定，在水热条件下可以除去环氧键上的氧原子，从而破碎成GQDs（如图2所示）。溶剂热法的机理与水热法基本相同，其主要区别是使用了有一定还原性的有机溶剂替代水作为溶剂，在破碎GO的同时实现还原。

图2 水热法切割产生GQDs 的机理示意图^[4]

• 电化学法

电化学法是通过电极施加足够的电位，使水电离出OH•和O•将碳晶格氧化，在石墨烯基面上产生呈线性排列的环氧基、羧基、羟基等含氧基团，像“剪刀”一样将石墨烯剪碎成GQDs（图3）。该反应过程一般从石墨烯边缘开始，缺陷处反应加快。由于含氧基团的存在，GQDs 在水溶液中可以稳定分布，而且量子点表面官能团部分取决于使用的电解液，不同有机电解液阴离子的嵌入也会引入不同的杂原子，从而改变GQDs的光学特性。

图3 电化学方法制备GQDs反应示意图^[5]

• 物理法

超声剥离法利用超声真空气泡形成和破碎过程产生的高速液体射流提供强的流体剪力从而实现石墨烯的破碎。与传统的通过氧化及含氧基团的断裂来破碎石墨烯方法相比，超声剥离法因为整个过程不发生化学反应，不会引入含氧基团，没有化学还原等步骤，有效地避免了官能团的引入以及缺陷的产生。

电子束刻蚀法是利用纳米刻蚀技术, 在大尺寸石墨烯片层上进行刻蚀，精确地控制GQDs 的形状和尺寸，该方法制备的GQDs有稳定的荧光性能。但由于刻烛技术分辨率的限制，这种方法制备出的GQDs 尺寸最小为10 nm，并受到精密设备的需求以及操作复杂程度的限制，该方法很难实现GQDs 的大批量制备。

Bottom-up 法

Bottom-up 法中最常用的是溶液化学法和热解炭化法。制备GQDs尺寸可控但产率较低，尤其是溶液化学法不可避免的会出现团聚。

• 溶液化学法

溶液化学法是bottom-up法中较为常用的办法，小分子前体经过氧化聚合等一系列化学反应逐步生成单分散GQDs。图4为通过分布氧化聚合形成树枝状聚苯撑制备含168、132.170个碳原子的GQDs^[6]。但是随着反应的进行, 聚合产物GQDs尺寸会不断增大,而 π-π键之间的引力的不断增强会导致团聚的出现。通常所使用的增溶方法是在GQDs 边缘处连接增溶基团, 当GQDs 与溶剂之间的吸引力大于石墨烯片层之间的吸引力时, 溶解度就会相应的增大。

图4 分步氧化聚合由3-碘-4-溴苯胺合成GQD的过程^[6]

• 热解碳化法

热解炭化法的主要原理是将有机盐等有机小分子前体加热至其熔点以上，然后冷凝集结形核长大，最终形成一定尺寸和形状的GQDs。所用的前体包括有机盐（例如，十八烷基柠檬酸铵或二甘醇铵柠檬酸盐）、甘油、 L-谷氨酸酸、抗坏血酸、柠檬酸、乙二胺四乙酸酸二钠盐等。图5为Chi 等^[7]通过对柠檬酸进行炭化制备出15 nm的GQDs，且其量子产率相对较高。

图5 柠檬酸碳化形成GQDs 和GO 的示意图^[7]

GQDs的功能化

GQDs的荧光性能很大程度上由其大小甚至形状所决定，而表面缺陷发光则依赖于量子点表面官能团的性质，因此通过形貌调控、化学修饰等方法可提高GQDs的荧光量子效率实现荧光调控。

C60 开笼法是有效控制GQDs形状和尺寸的方法，通过控制退火温度和碳簇聚合的密度可制备三角形、平行四边形、梯形形状、六角形和蘑菇形的GQDs。如图6所示，退火温度为725K 时，GODs 呈三角形或六角蘑菇状和花朵状；在825 K 下退火时，小尺寸GQDs 聚合成为尺寸较大的六边形GQDs^[8]。通过模板聚合、合成前预分离技术等也可实现对GQDs尺寸的调控。

通过调剂pH、还原剂还原等方法进行氧化程度控制或利用有机物表面钝化（常通过酰胺化反应实现）、杂原子掺杂的方法可实现发光的多色调控。

图6 C60 开笼法制备GQDs 示意图^[8]

2. GQDs在生物领域应用

GQDs 具有替代重金属量子点成为环境友好量子点的潜力，科学家们利用其可调节的光致发光性、低细胞毒性和高的生物相容性已成功开展了GQDs在细胞成像、生物传感和药物输运等领域的应用研究工作，为其在生命、环境领域的应用奠定了基础。

• 荧光成像

相对于目前使用的的有机、无机的量子点和荧光剂，GODs 具有突出的分辨率、荧光稳定性和较低的细胞毒性和较高的生物相容性^[5]，所以可以用于细胞和生物成像。

• 生物传感器

GQDs的荧光和电化学性质对微小的扰动很敏感，且其尺寸小可与生物分子通过能量共振转移等发生密切相互作用，因此具有很大的传感应用潜力。石墨烯量子点与无机或有机物发生相互作用时可能导致GQDs 的荧光猝灭，根据这些特性, 可以制作成生物传感器使传感灵敏度、选择性得到改善。

• 药物输运

GQDs 具有大的比表面积可以与多种分子通过π-π键、静电相互作用、物理吸附等相互作用力结合，同时它还有很好地细胞相容性可使细胞毒性最小化，所以GQDs 是运载药物的较为安全的优良载体。

• 光动力治疗

已经发现由于GQDs表面存在的缺陷，在蓝光照射下可以产生活性氧自由基(ROS)以及单线态氧，细胞摄取GQDs后ROS增加^[9]。而活性氧自由基可以导致细胞的凋亡，因此GQDs 在光动力治疗方面具有很广阔的应用前景，可以用来杀死细菌和肿瘤细胞。

• 抗菌剂

有研究发现胺化的GQDs对细胞有保护机制，该作用可能与胺化GQDs具有的类过氧化氢酶活性有关^[10]。当GQDs与H₂O₂同时使用时可以催化H₂O₂ 分解为羟基, 而羟基的抗菌性更强，且GQDs与H₂O₂构建的体系可避免高浓度H2O2较强的生物毒性。

3. 小结

尽管很多研究以证明GQDs独特的荧光性质在生物领域具有突出的应用优势，但由于现存的很多问题没有解决其应用潜能也一定程度受限。首先，目前石墨烯量子点的制备方法存在一定的缺陷，如产物水溶性较差、产量和量子产率较低、形貌和尺寸的控制不够精确等。其次，其荧光发射光谱较窄，大部分发绿光或蓝光，而深层组织成像需要长波段光源。虽然可以通过表面修饰和化学改性等手段实现发光的多色调控，但研究仍需深入。最重要的是目前对GQDs 生物毒性的研究大多都忽略了GQDs在光照下潜在的光敏毒性，GQDs 在光的激发下会产生活性氧自由基，会降低细胞活性。随着研究的不断深入，GQDs的应用将改变生物医学研究，同时GQDs将在能量存储转化、光催化等新型领域崭露头角成为真正的“big small things”。

参考文献

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本文由材料人编辑部学术干货组Starkle供稿，材料牛编辑整理。

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