第43卷第7期2022年7月
Vol.43No.7
July,2022发光学报
CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE
碳点的功能化研究进展
张路鹏1，张清梅1，2*，何松杰1，杜秀娟1，陈峰华1，李冰3*
（1.太原科技大学应用科学学院，山西太原030024；
2.福建师范大学物理与能源学院福建省量子调控与新能源材料重点实验室，福建福州350117；
3.山西医科大学口腔医学院，山西太原030001）
摘要：碳点（CDs）一般是指粒径小于20nm且表面富含羟基、羧基和氨基等官能团的零维碳基纳米材料。因其具有优异的光学性质及易于功能化修饰等优点，在生物传感、生物成像、肿瘤、抗菌和促成骨等领域得到了广泛的应用，并有望成为未来最有应用前景的碳基纳米材料。然而，要将CDs真正推 向生物医学等实际应用领域，必须要对CDs进行功能化处理。表面钝化和杂原子掺杂是CDs功能化的两种常用方法，本文对这两种功能化方法进行了较为系统的阐述，希望为CDs的功能化设计及推向实际应用提供一些方法和研究思路上的参考。
关键词：碳点；功能化；表面钝化；杂原子掺杂；生物医学应用
中图分类号：O613.71；O611.3文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20220077
Progress on Functionalization of Carbon Dots
ZHANG Lu-peng1，ZHANG Qing-mei1，2*，HE Song-jie1，DU Xiu-juan1，CHEN Feng-hua1，LI Bing3*（1.School of Applied Science，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan030024，China；
2.Fujian Provincial Key Laboratory of Quantum Manipulation and New Energy Materials，College of Physics and Energy，
Fujian Normal University，Fuzhou350117，China；
3.Hospital of Stomatology，Shanxi Medical University，Taiyuan030001，China）
*Corresponding Authors，E-mail：qmzhang@tyust.edu；libing-1975@163
Abstract：Carbon dots（CDs）generally refer to zero-dimensional carbon-based nanomaterials with a particle size of less than20nm and rich in functional groups such as hydroxyl，carboxyl and amino groups on their surface.Due to its excellent optical properties and easy functional modification，it has been widely used in biosensing，biological imaging，tumor therapy，antibacterial，and osteogen‑esis.It is expected to become the most promising carbon-based nanomaterials in the future.However，to truly push CDs to practical applications in biomedicine field，it must be functionalized.Surface passivation and heteroatomic doping are two common methods，and these two methods for functional‑ization of CDs were systematically summarized in this review.We hope to provide some methods and ideas for the functional design and their practical applications of CDs.
Key words：carbon dots；functionalization；surface passivation；heteroatom doping；biomedical applications
文章编号：1000-7032（2022）07-1147-18
收稿日期：2022‑03‑07；修订日期：2022‑03‑25
基金项目：国家自然科学基金（11704274）；福建省量子调控与新能源材料重点实验室开放课题（QMNEM1801）；山西省自然科学基金（201901D111267）；山西省领军人才项目（20190042）资助
Supported by National Natural Science Foundation of China（11704274）；Fujian Provincial Key Laboratory of Quantum Manipu‑
lation and New Energy Materials（QMNEM1801）；Natural Science Foundation of Shanxi Province（201901D111267）；Emerg‑
ing Industry Leadership Talent Program of Shanxi Province（20190042）
第43卷发光学报
1引言
碳点（Carbon dots，CDs）作为一种新型的零维碳基纳米材料具有优异的光学特性、良好的生物相容性以及低毒性，在传感[1-3]、生物成像[4-7]、药物递送[8-11]、光热/光动力（Photodynamic therapy，
PDT）[12-16]、光电器件[17-18]以及防伪加密[19-21]等诸多领域具有广阔的应用前景。随着对CDs研究的深入，人们开始意识到，原始CDs存在诸多缺点，距离实际应用路途遥远。例如，原始CDs表面缺乏对分析物的特定识别基团，导致检测的特异性较低，同时检测过程中也会受到潜在干扰。大多数CDs的激发和发射波长较短，且荧光量子产率（Quantum yield，QY）较低，无法实现深层组织成像，故不能满足人们对高品质生物成像的要求。为了精准调控CDs的发光特性和开发新的应用，需要对CDs进行表面钝化和功能化处理。表面钝化方法通常分为共价修饰和非共价修饰两大类，该方法的主要目的是提高CDs的QY以及对CDs 表面官能团进行调控，关于这一点在Zhou等的综述里做了比较系统的阐述[22]。杂原子掺杂CDs的综述文献较多[23-30]，除了常见的非金属掺杂外[24,27-28]，最近又有金属离子掺杂CDs的综述报道[25-26,29]，更具体的还有稀土金属离子掺杂CDs的综述报道[26]。由此可以看出，杂原子掺杂也是CDs功能化的一种很重要方法。通过杂原子掺杂CDs，一方面可以调控CDs的荧光性质并提高QY[31-32]，另一方面也可以拓宽CDs在传感[33-37]、生物成像[38-40]、肿瘤[11,41-43]、促成骨[44-46]及其抗菌[47-48]等领域的应用。CDs的功能化及其应用犹如鸟之两翼，二者需要协同发展。同时，CDs的功能化是CDs应用的前提和基础。 本综述对近年来有关CDs功能化的常用方法，包括表面钝化和杂原子掺杂进行了详细的介绍，同时对功能化CDs在性能调控和生物医学等方面的应用进行了较为系统的梳理。最后对功能化CDs发展现状进行了总结，并提出了目前面临的挑战和未来发展的方向。
2表面钝化
与其他量子点和荧光染料相比[49]，CDs具有优异的光学性能、简单的合成策略和对环境的低毒性等优点，因而得到了广泛的研究。然而，早期合成的原始CDs表面主要由羟基、羧基、醛基等相
对简单的官能团构成，大多数CDs的QY较低且在特异性识别目标物方面显得不尽如人意，极大地阻碍了实际应用[50-51]。为了改善CDs的荧光性能并拓展其应用范围，人们开始思考对CDs进行表面钝化。
2.1共价修饰
针对CDs不同的表面基团设计性地选取修饰剂是共价修饰最突出的优点。CDs与修饰剂之间通过共用外层电子形成共价键，将新的官能团引入CDs表面以构建新的共轭体系，从而改变CDs 的荧光性质。根据CDs和修饰剂之间不同的官能团反应，可将共价修饰分为：酰胺偶联反应、共聚合反应、磺酸化反应、酯化反应和硅烷化反应等，反应机制示意图如图1所示。 酰胺偶联反应是利用CDs表面特定的官能团（羧基、氨基），通过酰胺反应将功能化分子偶联在CDs表面。2004年，Xu等[52]在纯化单壁碳纳米管的过程中首次发现了一种具有荧光的碳纳米颗粒。而2006年，Sun等[53]采用石墨粉和水泥的混合物热压制备碳靶，以氩气为载气，通过激光烧蚀（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
OH
COOH CDs1CDs2
NH NH
NH
NH
EDC/NHS
PVK N
O
O
S
R OH
NH
NH
NH
NH
COOH
COOH
COOH
OH麦胚凝集素
OH
OH
广州视窗
TEOS
pH=12
pH=2
R H
O
O=
R C O R'
NH S
O
C
OH
德国钢铁
APTES
图1（a）酰胺化反应；（b）共聚合反应；（c）磺酸化反应；
（d）酯化反应；（e）硅烷化反应。
模具抛光机
Fig.1（a）Amidation reaction.（b）Copolymerization.（c）Sul‑fonic reaction.（d）Esterification reaction.（e）Silaniza‑
tion reaction.
1148
高放废液第7期张路鹏，等：碳点的功能化研究进展
碳靶制备CDs，在HNO3中回流后未发现荧光CDs。然而，通过将简单的有机物（聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）或聚丙酰亚乙基亚胺-乙烯亚胺）附着在酸处理的碳颗粒上进行表面钝化，可以观察到明亮的荧光，如图2（a）所示。此后，含氨基化合物被广泛用于常规CDs的钝化和功能化[54-55]，特别是针对于裸CDs表面的少量羧基进行酰胺偶联反应。
聚多巴胺（Poly-dopamine，PDA）中含有大量的邻苯二酚和一、二级胺，是一种富含氨基的化合物。同时，PDA具有制备方法简单、良好的生物相容性以及优异的光热特性等诸多优点[56-57]。
Pappalardo等[58]以半乳糖、柠檬酸（Citric acid，CA）为碳源，PDA为钝化剂，通过微波辅助热解反应合成PDA钝化荧光碳点（PDA-CDs）。用PDA钝化后，CDs最佳发射峰的位置从420nm红移到510nm。且钝化后PDA-CDs表现出激发不依赖的荧光特性，QY从1.3%提高到4.6%。此外，对J774和CHO-K1细胞系的毒性研究表明，与未钝化的CDs相比，PDA钝化后CDs的细胞毒性明显降低。类似地，Sun等[32]通过一锅微波辅助热解甘油和PDA的方法合成了PDA-CDs。与原始CDs 相比，由于PDA中富含N原子，获得PDA-CDs的QY是原始CDs的3倍，产率约为原始CDs的1.5倍。
聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine，PEI）是一种亲水性聚合物，在主链和支链上都有许多活性胺基[59]。丰富的胺基可以与含羧基的原始CDs发生酰胺反应形成稳定的酰胺键。由于大量带正电荷的胺基存在，在CDs表面涂覆亲水PEI后不仅可以使CDs的荧光QY、水溶性、稳定性和生物相容性都得到
改善，往往还可以改变CDs表面的电负性。Guo等[60]以苹果酸为碳源，PEI为钝化剂，采用水热法制备了QY高达41%的PEI-CDs，如图2（b）所示。钝化后的PEI-CDs在生理pH值下能静电结合带负电荷的适配体，从而导致荧光猝灭。加入凝血酶或ATP后，其与相应适配体之间的强相互作用使得适配体从PEI-CDs中释放出来，荧光逐渐恢复。这里，PEI不仅改变CDs的荧光性质，还充当了CDs 连接适配体的重要桥梁。
（a）
（b）
HOOC
COOH OH
冠菌素
H N
NH
NH
NH
NH
H N N
N
N
N H
H N
N H
N
n
180℃,10h
Hydrothermal
PEGs
PEG
Emission from
passivated surface
Thrombin or
ATP
PEI‑CDs Target‑binding aptamer Quenched PEI‑CDs
图2酰胺化反应。（a）PEG功能化CDs荧光图［53］；（b）PEI-CDs的制备及其检测凝血酶或ATP示意图［60］。Fig.2Amidation reaction.（a）Fluorescence image of PEG functionalized CDs［53］.（b）Schematic diagram of PEI-CDs preparation and detection of thrombin or ATP［60］.
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第43卷
发光学报核酸适配体是一种通过指数富集配体系统进化技术选择出来的具有特定序列的DNA 或RNA 寡核苷酸，并通过碱基配对与目标分子特异性结合[61]。作为一种生物识别元件，适配体因其更高的特异性、稳定性、易于修饰和更低的生产成本等优点，已经成为抗体最优质的替代材料[62-65]。同时，适配体很容易与不同的功能性分子结合，且合成方法较为简单[66]。Rezaei 等[67]以CA 、乙二胺和橙汁为碳源，采用水热法分别制备CDs 1和CDs 2，如图3（a ）所示。两种CDs 分别与溶菌酶（Lyso‑zyme ，LYS ）适配体和三磷酸腺苷（Adenosine tri‑phosphate ，ATP ）适配体共价结合成CDs 1-LYS 适配体和CDs 2-ATP 适配体混合探针，该探针适配体中的碱基与CoOOH 纳米片基面之间通过范德华力相互作用，使探针吸附在CoOOH 纳米片（常用的猝灭剂）表面，导致混合探针的荧光信号被猝灭。加入ATP 和LYS 后，由于适配体与目标物之间的强作用力使得CDs 1-LYS 适配体和CDs 2-ATP 适配体从CoOOH 纳米片中释放出来。因此，猝灭后的
荧光信号逐渐恢复，且荧光强度与加入ATP 和LYS 的浓度成正比。在最佳条件下，对ATP 和LYS 的检出限（Limit of detection ，LOD ）分别为
4.0nmol ·L -1和1.8nmol ·L -1。
血管内皮生长因子（Vascular endothelial
growth factor ，VEGF ）可以诱导产生血管生成性眼病，开发一种对眼内VEGF 具有抑制作用且可以
无创监测其浓度的复合材料是一项科学挑战。基于此，Willner 等[68]开发了一种VEGF 适配体功能化的CDs ，以CDs 为载体通过其携带的抗VEGF 适配体来抑制VEGF 的产生，如图3（b ）所示。首先将羧酸功能化的CDs 以共价连接的方式与氨基酸修饰核酸适配体1连接，而适配体1与抗VEGF 适配体部分互补，形成CDs@适配体1@抗VEGF 适配体2。在VEGF 存在时，抗VEGF 适配体从CDs 表面脱离，形成VEGF/适配体复合物。通过以上杂交系统成功将抗VEGF 适配体输送至眼腔，并在VEGF 存在时刺激抗VEGF 适配体的释放，从而抑制VEGF 在眼腔中的生成。
共价修饰的CDs 在肿瘤方面也展现出巨大的潜力。Xie 等[69]以CA 为碳源、多烯聚胺为钝化剂，采用热解法制备表面富含氨基官能团的CDs ，与铂（Ⅳ）复合物（Oxa （Ⅳ）COOH ）中羧基之间的缩合反应合成一种新型的纳米药物（CD -Oxa ）。这里，CDs 不仅可以作为药物递送的载体，同时可利用CDs 的荧光性质对药物进行追踪和检测。Zheng 等[15]将含醛基的CDs 与带有两
个氨基的硼二吡咯光敏剂偶联，构建了纳米级共价有机框架（Covalentorganicframework ，COFs ）复合物。经PEG 改性后的CCOFs@PEG 较CCOFs 具有更高的稳定性、良好的分散性且易被癌细胞吸收，在光照条件下可产生大量活性氧来杀伤癌细胞，用于肿瘤。
共聚合反应通常是将两种或两种以上的单体通过聚合反应生成同时含有多种单体的聚合物。
（b ）
（a ）
OH C
O
O O C C OH
C O O H OH NH
（1）HN C
O O C N H
O
C NH
（2）
O
C NH
（2）VEGF
（1）
ATP‑aptamer LYS‑aptamer CDs1CDs2CoOOH Quenched‑CDs ATP LYS
O
C NH
图3（a ）CDs 1、CDs 2分别共价结合LYS 适配体和ATP 适配体检测LYS 和ATP 示意图［67］；（b ）抗VEGF 适配体负载及释放过
程［68］。
Fig.3（a ）Schematic diagram of detecting LYS and ATP by covalently binding LYS aptamer and ATP aptamer with CDs 1and
CDs 2respectively ［67］.（b ）Loading and release process of anti -VEGF aptamer ［68］.
1150
第7期张路鹏，等：碳点的功能化研究进展
Ren等[70]提出一种原位自由基聚合方法，该方法是一种不依赖于官能团的钝化方法。作者采用典型的化学氧化法合成裸碳点（CDs），将丙烯酸、甲基磺酸钠和丙烯酸磷酸酯作为单体与过硫酸铵一起加入裸CDs溶液中，单体聚合形成三元共聚物钝化碳点（T-CDs），使其QY显著提高。在该工作的另一项研究中，以CA和聚N-乙烯基咔唑（Poly （N-vinylcarbazole），PVK）为原料，在300℃下热处理2h，合成PVK-CDs。原位自由基聚合使PVK 在CDs周围形成钝化层，该钝化层不仅使荧光QY 显著提高到40%，而且还改变了溶剂的亲和力，提高了CDs的光电子转换能力等。与其他严重依赖于特定基团的偶联反应不同，原位自由基聚合可以灵活选择或设计单体来对CDs进行钝化，从而使其具有不同的性质和功能。
除此之外，其他共价修饰方法还包括：在原始CDs表面引入磺酸基的磺化反应，改变CDs亲水/疏水性质的酯化反应，以及通过硅烷与CDs表面活性氢反应形成硅壳来增加CDs分散性的硅烷化反应。Qin等[71]以CA和尿素为原料，微波法制备了氮掺杂碳点（NCDs），以1H-咪唑-4-甲酸和亚硫酰氯为前体制备含磺酸基的化合物1。通过磺酸化反应，NCDs表面的氢被化合物1中的磺酸基取代，并将其共价结合到NCDs表面，从而制备了一种对水高度敏感的CDs-咪唑荧光纳米探针。该探针可通过荧光强度
的变化测定不同有机溶剂中的水含量。引起CDs-咪唑荧光探针荧光强度变化的原因可能是随着有机溶剂中水含量的增加，质子转移反应形成的自由离子对抑制了光诱导电子转移过程。同时，CDs-咪唑还可以探测活细胞中的质子转移反应。Chen等[72]以柠檬酸铵为碳源制备了荧光碳量子点（CQDs），并通过脱水反应将甘露糖（Mannose，Man）和叶酸（Folic acid，FA）分子修饰到CQDs表面，分别制备了甘露糖和叶酸功能化CQDs（Man-CQDs和FA-CQDs）。实验结果表明，Man-CQDs可选择性标记大肠杆菌，而FA-CQDs可选择性标记叶酸受体过表达的肿瘤细胞。Rao等[73]首先以CA为碳源，水热法制备蓝荧光CDs；其次通过硅烷化反应对CDs进行包覆得到CDs@SiO2复合物，并在其表面修饰氨基官能团；最后将羧基修饰的红荧光量子点通过酰胺化反应共价结合到CDs@SiO2上，构建了比率型荧光探针用于测定蔬菜和水果样品中Cu2+的含量。
综上所述，CDs与修饰剂、功能化小分子、适配体之间通过特定反应来构建新的共轭体系，可提升CDs的荧光性能、提高传感的特异性识别能力、增强药物递送过程的靶向性。因此，对CDs进行有设计性和针对性的共价修饰是提升其荧光性能和拓宽应用范围的重要方法。
2.2非共价修饰
基于CDs与功能化分子之间的非共价修饰是CDs应用于生物医学领域的重要方法，主要包括：π-π堆积、静电相互作用、氢键作用等。与共价修
饰相比，非共价修饰可在对CDs结构产生较小影响基础上引入新的官能团、靶向分子，进而可以改善CDs的荧光性能以及特异性识别能力。2.2.1π‑π键堆积
CDs与适配体之间通过π-π相互作用结合，这种结合力通常是可逆的且比较弱。在目标物出现时适配体从CDs表面脱离，导致CDs荧光强度发生变化，从而达到荧光检测或可视化追踪的目的。Yang等[74]以番茄汁为碳源制备CDs，通过π-π相互叠加作用将癌胚抗原（Carcinoembryonic an‑tigen，CEA）适配体吸附到CDs表面，形成CDs-CEA-Apt复合物，导致荧光猝灭。加入CEA后，CDs的荧光立即恢复，在0.5～1ng·mL-1范围内实现了对CEA的定量检测，LOD为0.3ng·mL-1。Wang等[75]设计了一种基于荧光共振能量转移的传感器，用于检测贝类过敏原精氨酸激酶（Argi‑nine kinase，AK），其中CDs可以作为荧光供体，通过π-π相互叠加作用吸附适配体（Aptamer，Apt）来构建Apt-CDs荧光探针，如图4（a）所示。以Apt-CDs为能量供体，氧化石墨烯为能量受体，由于共振能量转移效应导致CDs荧光猝灭。添加贝类过敏原AK后，CDs-Apt从氧化石墨烯表面释放，形成CDs-Apt-AK复合物，导致荧光强度恢复。荧光探针检测AK的线性范围为0.001～10µg·mL-1，LOD为0.14ng·mL-1。
Zheng等[76]以3,3,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,8-十三氟-1-辛醇和PEI为原料，制备了氟掺杂碳点（FCDs），如图4（b）所示。基于FCDs的核靶向能力，将抗肿瘤药物阿霉素（Doxorubicin，DOX）通过π-π键堆叠的方式负载到FCDs表面，以此来构建一种纳米复合材料（FCDs-DOX）用于药物递送。此外，FCDs还可以通过非共价结合的方式负载染料（BODIPY），用于提高BODIPY的细胞摄取和传递。
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