石墨碳纳米材料光学性质在生化传感领域的应用

徐逸婷 陈 龙 陈 卓,*

(1湖南大学，化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙410006；2澳门大学科技学院，澳门999078)

石墨碳纳米材料光学性质在生化传感领域的应用

徐逸婷1陈 龙2,*陈 卓1,*

(1湖南大学，化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙410006；2澳门大学科技学院，澳门999078)

石墨碳纳米材料因其特殊的光学性质而受到广泛关注。石墨碳纳米材料最引人注目的光学性质之一是其独特的拉曼性质，作为拉曼探针，石墨碳纳米材料在对于复杂生物样品，极端测试条件和定量拉曼检测方面都有很好的应用；除了拉曼性质以外，单壁碳纳米管(SWNTs)独特的近红外二区(NIR-II，1000－1700 nm)荧光性质，具有穿透深度大、分辨率高的荧光成像特点，在生物活体成像领域也得到了很好的应用。除了光致发光特性，石墨碳纳米材料还具有优异的光热转换效应，同时具有比表面积大的特点，被广泛应用在针对肿瘤的热疗及其它疗法协同治疗当中。除此之外，石墨碳纳米材料还是一种高效的信号传导基底，可以猝灭激发态的染料和光敏剂，利用该类性质设计的生物传感器和纳米药物，显现出高灵敏、高选择性的特点。本文主要结合本课题组的工作，总结和探讨了石墨碳纳米材料作为光学探针、光热材料和信号传递基底在生化传感领域的应用。

石墨碳纳米材料；生化传感；拉曼探针；分子检测；光热治疗

1 引言

纳米生物技术与纳米医学是纳米科学与生命科学、医学的前沿交叉领域，有着广泛的发展应用前景。在已有的众多研究中，纳米材料因其独特的物理化学性质而受到广泛的关注，发展非常迅速。这类材料根据形貌，可以分为纳米簇1,2、纳米颗粒3、纳米棒4、纳米线5和纳米管等。

在众多纳米材料中，石墨碳纳米材料，是一种具有独特结构、电学和光谱特征的材料。自从1985年富勒烯的发现开始，碳纳米材料已经引起了人们浓厚的兴趣6。碳纳米材料中，碳纳米管和石墨烯，分别在1991年和2004年被发现，得到世界范围内的广泛关注。这两种碳纳米材料主要是由sp2杂化的碳原子构成的网络结构，其表面覆盖高密度离域π电子。这一电子结构特点，使其具有很多独特的性质：(1)导电性出色，在室温下传递电子的速度比已知导体都快，电子的运动速度可达到了光速的1/300；(2)导热性好，热导率在5000 W·m－1·K－1，可以很快地传导和散发热量，其散热效果比常用的散热材料铜要提高2－4倍7；(3)机械性能高，石墨烯是目前人类已知机械强度最高的物质；(4)大的比表面积，理论值为2630 m2· g－18；(5)可以吸收近红外的光，表现出优异的光热转换特性和良好的荧光性质9,10；(6)化学性质相对稳定，作为一种无机材料，对于酸碱有相当强的耐腐蚀性。这些性质使它们在电子、光电子、可再生能源和生物医药方面得以应用10－13。其中利用其光学特性在生物分子检测、生物成像、药物运输和疾病治疗等方面的应用尤为瞩目。

徐逸婷，1990年生。2013年本科毕业于河南师范大学化学化工学院，2013年至今为湖南大学化学化工学院博士研究生。主要研究方向为功能纳米材料的制备及其在生化传感领域应用的研究。

陈龙，1978年生。美国得州大学圣安东尼奥分校博士、博士后，加拿大阿尔伯塔大学硕士，北京大学学士，现任澳门大学科技学院助理教授，博士研究生导师。主要研究方向为机器学习，计算智能，图像处理及这些技术在化学计量学的应用。

陈卓，1979年生。2001年本科毕业于浙江大学理学院化学系，2006年于北京大学化学与分子工程学院获得博士学位，2006年至2010年在美国斯坦福大学化学系从事博士后研究。现任湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室、化学化工学院教授，博士研究生导师。主要研究方向为功能纳米材料的制备及其在化学、生物、材料领域应用的研究。

在众多独特的光学特点中，石墨碳纳米材料的拉曼性质尤为突出14。拉曼光谱是一种非弹性散射光谱，常见的拉曼光谱报道了分子由于其较小的横截面而具有相当弱的拉曼信号，而表面增强拉曼光谱(SERS)的出现则使得拉曼检测具有更广泛应用前景。SERS是一种基于纳米尺度的粗糙表面、颗粒形貌的异常光学增强效应，能够检测出吸附在金属表面的单层和亚单层分子，从而给出表面分子的结构、组分等信息。贵金属，如金、银、铂、钯等，因其表面独特的等离子共振性质是最常见的SERS基底，有很好的SERS增强效果15,16。虽然在过去近四十年中，人们研究了SERS效应的起源，并致力于创造更理想的SERS基质，但是对于SERS相关机理仍存在着争议，而创造出理想的SERS系统也是具有挑战的。通常理想的SERS系统需要同时满足以下要求17,18：(1)高SERS活性以保证灵敏度；(2)结构均匀可以提供重复、可靠的信号；(3)对于不同的分子结构具有高选择性；(4)可对样品进行快速无损的前处理和检测。而石墨烯独特的光学特性和稳定的化学性质使其在拉曼检测、细胞成像领域有出色的应用。

除了拉曼成像以外，荧光成像对于研究生物系统是一种必不可少的成像手段。然而在活体成像应用中，由于活体组织对光的背景吸收和光子的散射，成像的穿透深度和分辨率受到很大的影响。而石墨碳纳米材料中的单壁碳纳米管(SWNTs)具有引人注目的的近红外二区(NIR-II)成像特性，能够有效的解决这一问题19。众所周知，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种。多壁碳纳米管可以看做作是一束同轴的单壁碳纳米管。而单壁碳纳米管则依据结构的不同可分为半导体性单壁碳纳米管和金属性单壁碳纳米管。其中半导体型单壁碳纳米管的电子结构特殊，可在NIR-II区(1000－1700 nm)产生光致发光的现象，这一波段的荧光，有效地规避了生物体的背景吸收，相比于近红外一区(NIR-I，750－900 nm)，能够达到更深层的生物组织19－21。

除了光致发光性质外，石墨碳纳米材料还具有十分出色的光热转换能力，在针对恶性肿瘤的热疗领域有很好的应用。恶性肿瘤是严重危害人类健康的一种疾病。在各种治疗方法中，过高热的治疗法，即热疗，受到了生化传感工作者的极大关注22。研究发现当细胞所处体系的温度上升至42°C以上时，热能开始使细胞出现异变。热能对细胞损伤的程度取决于温度高低和暴露在热能下的时间，这一现象对于肿瘤细胞尤其明显。现代的热疗是使用各种现代化的仪器，通过超声、微波、射频、外加磁场等方式，将人体某个部位或某个器官的温度升高到具有治疗作用的水平，达到杀死局部肿瘤细胞的治疗目的。但这种方式存在极大的缺陷，即热传递的非专属性，这极易造成肿瘤周围正常的组织器官的损伤，引发炎症反应，使患者痛苦不堪，因此其实际应用受到了限制。而新兴纳米材料的发展，为特异性杀死肿瘤细胞提供了可能。石墨碳纳米材料，主要包括石墨烯和碳纳米管，是一类出色的光热转换材料，在近红外窗口有较强的光吸收(NIR-I，750－900 nm)，转换效率极高，经合适波长的光源照射会产生明显的光热效应。而其本身性质稳定，且比表面积大，可与其它药物分子组装在一起，实现对肿瘤的高效治疗。

除此之外，石墨碳纳米材料还可以作为信号传递基底而应用于生化传感领域23。信号传递通常涉及能量转移和电子转移，基于这两个机理的检测方法已有很多，最近研究指向研发出具有高传递效率、稳定，而对目标检测物没有影响的信号传递基底。石墨碳纳米材料稳定的化学性质，高比表面积，快速电子传导率，和宽波段的吸收(500－900 nm)等特性，使其成为一种理想的信号传递基底。本文总结和探讨了石墨碳纳米材料光学性质在生化传感领域的应用，着重评述了石墨碳纳米材料作为光学探针、光热材料和信号传递基底的应用。

2 石墨碳纳米材料作为光学探针在生化传感领域的应用

2.1 石墨碳纳米材料作为拉曼探针在生化传感领域的应用

纳米材料已经在生化传感领域得到了很广泛的应用，研究纳米颗粒与细胞间的相互作用成为研究的热点之一，它对生物体成像、疾病的诊断、治疗都具有重要的意义24。在这种情况下，确定细胞内纳米颗粒的具体位置对纳米药物预期的治疗效果至关重要。与传统荧光染料相比，石墨烯的拉曼散射更能抵抗光猝灭和光漂白现象，更适合用于长期的追踪和标记25。石墨烯具有强而简洁的拉曼散射信号，但是应用到拉曼成像时，仍有一些缺陷，如收集时间较长，如果每个像素点的收集时间为1 s，100×100个像素点的区域会需要几个小时的时间。除此之外，石墨烯的拉曼信号部分可能与细胞内的自身信号重叠，使信号难以分辨。针对以上两个问题，Song等26设计研制了银石墨纳米囊(ACGs)核壳结构的纳米材料，并在拉曼细胞成像方面开展了研究。银石墨纳米囊表面的薄层石墨烯有效地保护了银纳米粒子在不同环境中的优异拉曼增强性能，在高浓度的过氧化氢、硫化物甚至硝酸的存在下，颗粒的等离激元性能都能得到很好的保持。作者通过在石墨烯表面修饰炔基聚乙二醇(PEG)，再结合石墨烯本身的拉曼信号，实现了细胞与颗粒共定位快速拉曼成像。如图1所示，将炔基分子与聚乙二醇偶联，合成了炔基-PEG分子。炔基-PEG不但是一种理想的低背景拉曼信号分子，还是一种表面活性剂。可以通过强的π－π堆积作用修饰在银石墨纳米囊的表面，并帮助提高ACGs的水溶性。实验结果表明这种炔基-PEG修饰的ACGs具有优异的拉曼成像能力。图2为炔基-PEG-ACGs用于细胞内的高分辨率拉曼图像26。作者利用三种拉曼振动模式，即石墨烯的D峰、G峰，和来自炔的拉曼信号峰，用于ACGs的共定位，结果表明其具有良好的细胞内定位能力。所有拉曼信号分布在细胞质，准确地指示了ACGs的位置。同时，表面的石墨烯有效地保护了内核银颗粒，成像信号稳定，可重复性好。

除了银纳米材料，金也是常用的拉曼信号增强基底。最近，Lai等27开发了一种有效的方法合成各向异性的金石墨纳米囊材料(AuNR@G)。如图3所示，首先，通过在金纳米棒(AuNR)上以水解的方法包裹一层介孔的SiO2，再通过CVD法生长出高质量的石墨包裹层。这种方法不仅能在高温下保持AuNR的形状，而且还可以有效进行石墨层的生长。与贵金属沉积在碳纳米管或者石墨烯的表面的方法相比28，该方法合成的纳米复合物更加稳定，表面的石墨烯层有效地保护了作为拉曼增强基底的内核金。而与通过静电作用合成的氧化石墨烯包裹金纳米颗粒相比29，该种方法实现了颗粒表面石墨烯高效稳定的生长，减少了氧化石墨烯表面缺陷带来的对石墨材料本征优异光学性质的干扰。由于其各向异性的结构特点，通过形貌的调控，AuNR@G能有效的与近红外光产生强的共振，从而增强其拉曼和双光子荧光的信号。进一步，利用核酸适配体对AuNR@G进行表面功能化，还能实现对肿瘤组织的特异性识别与拉曼和双光子的多模态组织成像，显示了在生物靶向成像、治疗诊断等方面应用的巨大潜力。

图1 (a)炔基PEG的合成路线，(b)炔基PEG修饰ACG的原理图Fig.1 (a)Synthesis procedure of alkyne-PEG,(b)schematic illustration of the alkyne-PEG functionalization ofACGs PPh3:triphenyl phosphine;PdCl2(PPh3)2:bis(triphenylphosphine)palladium(II)chloride;THF:tetrahydrofuran;PBr3:phosphorus tribromide;DCM:dichloromethane;PEG:polyethylene glycol

图2ACGs的SERSFig.2 SERS of theACGs(a)Raman spectrum of theACGs,(b,c,d)high-resolution Raman image of MCF-7 cells,(e)Raman spectra of Rhodamine 6G(R6G) with(red)and without(blue)ACGs.scale bar:10 μm.color online

图3 (a)AuNR@G的制备流程图；(b)TEM表征AuNR@SiO2，(c,d)TEM、HR-TEM表征AuNR@G；(e－g)不同生长温度下不同颗粒形状的调控Fig.3 (a)Schematic illustration ofAuNR@G nanocapsule preparation;(b)transmission electron microscope(TEM) image ofAuNR@SiO2;(c)TEM and(d)high-resolution(HR)-TEM image ofAuNR@G;(e－g)modulating the morphology of gold graphitic nanocapsules under different temperatures

运用SERS探针，检测分子结构和组成是被广泛研究的方法，但是用该方法进行定量检测依然是一大难题。这是因为SERS本质上是一种与距离相关的现象，只有那些离增强电磁场(通常被称为hot spot，热点)近(<2 nm)的待测分子的拉曼信号才能得到相应增强；而且，热点的场增强效应与局部的具体结构相关，也和被测分子与表面的相互作用形式有关，热点具体结构和分子作用形式不同，往往会带来SERS信号强度数倍的改变。针对这一问题，很多研究倾向于引入内标来提高检测的准确性。Zou等30构建了一种具有SERS内标(IS)的多层石墨包覆磁性纳米囊(AGNs)。如图4所示，该纳米复合材料具有磁性内核，表面包覆数层石墨烯结构，同时在石墨烯结构表面再组装上一层致密金纳米颗粒。作者将石墨烯独特的拉曼信号作为稳定的内标，结合表面组装的金纳米颗粒创造的电磁共振热点，构建出一种具有超高精确度和灵敏性的SERS探针，为生物分子的定量检测提供了一种潜在、可靠的方法。同时，AGNs具有较强磁性，方便了探针的富集回收。如图5所示，AGNs表面的石墨烯包裹使其具有了优异的抗氧化能力。此外，对于定量检测罗丹明(RhB)，以相对标准偏差评估该SERS检测方法的稳定性，结果显示相对于不加内标的检测方法，AGNs显示出更小的偏差，更好的稳定性。SERS检测中引入内标可以是不同的分子，而与一些有机分子SERS内标相比31，石墨烯具有更稳定的拉曼信号，避免了检测过程中激光带来的碳化影响，在极端条件下显现出色的稳定性。与传统有机分子内标对甲基苯硫酚(pTSH)与金颗粒结合的复合结构作对比，AGNs显示了具

图4AGNs的合成和表征Fig.4 Synthesis and characterization ofAGNs(a)schematic diagram ofAGNs;(b)zeta potentials of MMs,gold seeds,AGNs;(c)HR-TEM image of MMs,scale bar,5 nm; (d)TEM image of singleAGNs;scale bar,20 nm;(e)digital photos ofAGNs solution under external magnet; (f)Raman spectra of MMs(red)andAGNs(black).color online

图5AGNs作为拉曼内标(IS)的检测

Fig.5 AGNs as Raman internal standard(IS)

SERS spectra collected fromAu@pTSH(a)andAGNs(b)before and after adding H2O2at 20 min interval;(c)Raman spectra of RhB with(red)and without(black)AGNs;(d)SERS spectra of RhB with various laser focusing depth;Raman bands of 618 cm－1(e)and 2655 cm－1(f)zoom in of(d); (g)relative standard deviation(RSD)calculated from(d),with and withoutAGN internal standard normalization.color online有优异的抗氧化能力，为拉曼检测提供了更为稳定的内标。另外，通过调控石墨纳米囊表面的金纳米颗粒的密度，还可以实现不同波长激光的等离激元共振增强，进一步提高了AGNs拉曼分析的普适性。

2.2 单壁碳纳米管的NIR-II荧光特性在生化传感领域的应用

除了拉曼这一光学特性外，半导体型的单壁碳纳米管还具有非常独特的NIR-II光发光性质，被应用在生物成像等领域。根据手性结构的不同，单壁碳纳米管可以分为金属型和半导体型，其中只有半导体型的单壁碳纳米管符合NIR-II光致发光的要求，这是因为对于金属型单壁碳纳米管，其态密度在费米能级不为零，从而，在吸收了一个光子到激发态之后，又以非辐射的形式跃迁回价态，从而不会产生荧光现象21。以下讨论的都是半导体型单壁碳纳米管。不同方法制备出来的单壁碳纳米管具有不同的激发波长，通常都在1000－1700 nm的NIR-II，如此长波长的激发特性使其成为第一个应用在生物NIR-II荧光成像领域的实用性纳米材料。常规荧光光学成像具有很高的时空分辨率，然而，由于成像组织对光的背景吸收和光子散射的原因，在进行活体荧光成像时，光的穿透深度受到限制，难以对深层组织进行成像，另外活体组织的成像分辨率也大打折扣。而长波长激发的单壁碳纳米管可以有效的解决这些难题。如图6所示，Welsher等19通过表面修饰有磷脂聚乙二醇分子(DSPE-mPEG)的单壁碳纳米管作为NIR-II荧光探针，探究了该种材料经尾静脉注射入小鼠体内之后的实时动力学过程。结果显示，SWNTs是一种可用于近红外二区荧光成像的纳米材料，且不需要额外的激发能量，就能够对小鼠内部的深层组织进行有效的高帧频成像。

将这种材料与传统近红外一区荧光染料吲哚菁绿(ICG)做比较，如图7所示，结果显示近红外二区激发的单壁碳纳米管的组织穿透深度更深，克服了活体组织的背景吸收，显著降低了光散射的影响，提供了更高时空分辨率的活体荧光成像。但相比于传统染料，SWNTs荧光量子产率较低，通常只有0.1%－1%，远低于紫外可见激发和近红外一区激发的传统染料。有研究解释这是因为其发光特性实质上来源于激子的能量，而激子扩散过程很容易被材料表面缺陷俘获而被猝灭，因此这种荧光发光受周围化学环境影响很大19,21。

3 石墨碳纳米材料的光热特性在生化传感领域的应用

图6SWNTs在近红外二区对活体小鼠的视频速率成像Fig.6 Video-rate imaging of SWNTs in a live mouseScale bars represent 1 cm.color online

图7SWNTs和ICG的成像深度比较Fig.7 Tissue phantom study of the depth penetration of SWNTs and ICGfluorescence images of capillaries of single-walled carbon nanotubes(SWNTs)(NIR II)and Indo cyanine green(ICG)(NIR I)at different depths of Intralipid®excited at 785 nm.Scale bars represent 1.5 cm.

石墨碳纳米材料在近红外区域有很强的光吸收，并能高效的将光转化成热，因而可以被应用在光热治疗的研究中。肿瘤热疗是指用人工加热的方法(如超声、微波、射频、水浴等)治疗恶性肿瘤，利用各种物理能量在人体组织中所产生的热效应使肿瘤细胞升温到一定程度，并维持一定时间，达到杀灭癌细胞避免正常细胞遭受损伤的目的。其中光热疗，是通过光热转换来达到升温的目的，其最突出的优点，是对正常组织的无损性。由于人体的背景吸收，一般的紫外可见光，穿透深度不足，对于较深的患处，光热疗的效果很差，这就需要一个近红外光激发的、光热转换效率高的材料来进行更有效的治疗。石墨烯符合以上条件，同时其比表面积大，可以与其它药物分子结合，达到协同治疗的目的。如图8、9所示，Bian等32合成的一种金石墨纳米囊(GIAN)，一方面利用金纳米颗粒和石墨烯光热转换的特点，对癌细胞进行热疗；另一方面还可以石墨烯表面对阿霉素(DOX)的π－π堆积作用，载入肿瘤化疗药物DOX，并且可以通过酸碱度和热效应对DOX进行有选择的释放，降低了DOX的副作用，对肿瘤有很好的协同治疗效果。GIAN与传统光热疗材料金纳米颗粒、金纳米棒相比，除了具有长波长吸收的特性之外，还具有比表面积大的特点，表面可以与化疗药物、标记分子通过π－π堆积、静电吸附作用结合，能够实现协同治疗、实时跟踪治疗的目的。

图8GIAN的结构和化学表征图Fig.8 Structural analysis and chemical properties of GIAN(a)schematic diagram of GIAN;(b,c)TEM images of GIAN;(d)selected area electron diffraction measurement of GIAN; (e)UV-Vis spectrum of an aqueous GIAN suspension;(f)GIAN suspensions ranging from different acidic conditions,respectively

图9GIAN光热增强的化疗作用Fig.9 Photothermal enhanced chemotherapy with GIAN(a)schematic illustration of NIR photothermal enhanced chemotherapy mechanism of graphene-isolated-Au-nanocrystal/doxorubicin(GIAN/DOX) complexes;(b)UV-Vis characterization of the DOX-loaded GIAN.Inset:digital photo of the DOX,GIAN,and GIAN/DOX solutions;(c)fluorescence spectroscopy characterization of the DOX loading efficiency;(d)cell viability of MCF-7 cells with and without NIR laser irradiation after incubation with free DOX,GIAN,and GIAN/DOX,respectively.color online

4 石墨碳纳米材料作为信号传递基底在生化传感领域的应用

最近的研究发现石墨碳纳米材料是一种优异的纳米猝灭剂，可以高效猝灭有机染料分子的荧光，在生物传感应用方面具有很大的潜能33,34。研究发现单链DNA(ssDNA)可以通过非共价链接的方式与石墨碳纳米材料发生相互作用35,36，这一现象被应用在纳米管的分离35,37、药物的运输38和生化传感领域39。但是将石墨烯应用于复杂的传感体系仍然存在一些问题，因此研究人员希望能够找到一种更灵敏、简易、快速、便宜与特异性的石墨烯传感器。最近新开发的检测方法包括DNA酶放大反应、滚环放大反应和聚合酶链反应(PCR)，这些方法都大大降低了DNA的检测下限40。但是这些基于酶放大检测的方法有几个缺点，首先使用酶成本高，其次酶很容易失活，而且滚环放大以及PCR放大需要特殊的仪器。因此，发展新型的纳米材料并构建简易、无酶、低成本的高灵敏传感体系具有重要的意义。如图10所示，Song等41设计合成了磁性石墨纳米囊(MGN)，并将其用于富集放大检测DNA。该纳米材料是一种核壳结构，由磁性核与石墨壳构成，充分发挥了磁性颗粒的富集与石墨烯的高效猝灭的双重特性。ssDNA可以通过π－π堆积作用吸附在MGN的石墨壳表面，形成ssDNA/MGN结构，同时ssDNA的荧光被石墨迅速猝灭。为了提高检测的灵敏度，作者构建了一种先磁场捕获富集再释放的传感体系，用于DNA的富集放大检测。该体系具有操作简单以及无酶放大的优点，检测下限低至50 pmol· L－1，比传统基于碳纳米管和石墨烯的检测方法低三个数量级42。

图10MGN用于DNA富集放大检测的原理图Fig.10 Strategy of the MGN for DNAfishing and detection

图11SWNTs结合染料标记的ssDNA识别特异性DNA序列和蛋白质原理示意图Fig.11 Schematic diagram of recognizing and detecting specific DNAsequences and proteins by the assembly of SWNTs and dye-labeled ssDNA

一些石墨碳纳米材料除了能够猝灭荧光染料的荧光以外，还能够以类似的机理猝灭光敏剂产生单线态氧(1O2)。1O2是在光动力学疗(PDT)过程中产生的一类非常重要的具有细胞毒性的物质43。通过能量传递的过程，处在高能态的1O2能量转移给低能态石墨碳纳米材料，而材料自身对1O2的光化学作用足够稳定44。因为1O2的寿命和扩散速度都有限，可控的产生单线态氧可以使PDT更加有效和可靠，同时不可预计的副作用也会大大减少45,46。光动力学疗可以分为两个步骤，首先是光敏剂富集在待治疗的组织中，然后被一束波长合适的光源激发，就会被激活，并产生1O2。如图11所示，Zhu等39合成了光敏剂-核酸适配体(aptamer)-SWNTs的复合结构。其中SWNTs通过超声和酸性溶液中回流，能够顺利地溶解在水中。一端修饰有光敏剂Ce6分子的aptamer非共价修饰在SWNTs表面，由于aptamer与SWNTs的紧密结合，光敏剂能被有效的猝灭。这样，即使在合适的光照条件下，复合物也不会产生单线态氧，而当可与aptamer相互作用的α-凝血酶存在时，aptamer带着Ce6从SWNTs表面脱落下来，Ce6的光敏性恢复。如此，通过调节α-凝血酶的浓度，就可以有效地控制1O2的产生。这样的设计大大提高了光动力学疗的选择性，带来更安全、更个性化的治疗方法。这种以石墨碳纳米材料为猝灭剂的设计，相比有机猝灭剂，具有更好的猝灭效果，和更好抗光漂白的性质，另外表面积大的特性也使其表面能够负载更多的分子，从而具有更高的信噪比。

此外，与单壁碳纳米管和石墨烯猝灭光敏剂的性质不同，零维的富勒烯纳米材料在光动力学疗法中可以作为光敏剂，将其受光激发的能量或电子传导给氧分子，从而产生活性氧簇45。相比于传统的四吡咯型的有机光敏剂，富勒烯及其衍生物构成的光敏剂具有碳材料的优点，抗光漂白和化学稳定性出色。另外单一富勒烯材料虽然生物相容性较差，但是通过对其表面进行修饰，可以增加其在生物体内的稳定性。富勒烯纳米材料作为光敏剂遇到的最大难题即激发波长较短的问题，其激发波长一般位于紫外-可见区。针对这一问题，目前的解决方法主要集中在通过表面修饰更长波长吸收的分子作为光俘获分子，再通过富勒烯的自旋转换，达到产生活性氧簇的目的39。

5 其他的检测应用

石墨碳纳米材料还被应用在其他一些检测系统中。例如，SWNTs被设计用来检测水溶液的pH值47。利用对pH敏感的聚合物连接荧光基团，再与SWNTs组装成复合物。当体系pH值改变时，受到刺激的聚合物发生膨胀或收缩，从而改变了连接的荧光基团与SWNTs表面的距离，荧光发生相应的改变，从而反应出体系pH的变化。此外，磁性石墨纳米囊也被用来进行pH值的测量40。通过在石墨壳层上组装二十五碳二炔酸(PCDA)分子，并进一步进行聚合，可同时利用荧光强度和核磁共振弛豫率的改变来检测溶液中的pH值的变化，有效的提高了检测的灵敏度和准确性。

6 结语与展望

围绕石墨碳纳米材料独特的光学、化学性质，本文讨论了其在生化传感领域的进展。石墨碳纳米材料优异的光学性质，使其在生物成像和生化分析方面有出色应用。例如新型贵金属石墨纳米囊材料，集成了贵金属和石墨碳纳米材料优异的理化性质，通过石墨烯包裹贵金属纳米材料形成的纳米核壳复合物，既有很强的表面增强拉曼效果，又结合了石墨碳材料独特而稳定的拉曼性质和猝灭荧光干扰的性质；另外，石墨碳纳米材料比表面积大，可以吸附的信号分子更多，从而提高了生化分析的信噪比，在细胞快速拉曼成像和拉曼定量检测方面得到了较好的应用；除此之外，还可以通过静电吸附或π－π堆积的方式，运载其他药物分子或靶向分子，达到诊断与治疗相结合的目的。除了作为拉曼光学探针，另一种典型的石墨碳纳米材料，单壁碳纳米管还具有近红外二区荧光特性，其出色的生物组织穿透深度和高分辨率使其成为第一种应用在近红外二区荧光成像领域的纳米材料。其次，本文讨论了石墨碳纳米材料出色的光热转换效率和高比表面积在针对肿瘤的光热疗和化疗协同治疗领域的应用。石墨碳纳米材料在近红外有出色的光热转换效率，相比于紫外可见吸收材料，有更好的组织穿透力，同时其表面可以负载各种功能分子，从而实现协同治疗的目的。最后，本文就石墨碳纳米材料作为信号传递基底，讨论了其在生物分子检测和光动力学疗领域的应用。通常将石墨碳纳米材料设计为猝灭剂，与有机猝灭剂有类似的机理，但是相比于有机猝灭剂，石墨碳纳米材料物理化学性质稳定，在紫外-可见直到近红外区域都有一定吸收，这些特性得其具有更好的猝灭效果，和更好抗光漂白的性质，另外其表面积大的特性也使其表面能够负载更多的分子，从而具有更高的信噪比。

石墨碳纳米材料在生化传感领域的应用与发展日新月异。目前，更多的研究集中在如何开发出操作更简单，性质更稳定的石墨烯纳米传感器，包括合成多色的、分辨率更高的的拉曼探针，以及开发出高通量、高选择性、高灵敏度的分子检测方法。另一方面，如何通过生物、化学的方法，解决石墨烯材料在生物医学领域应用尚存在的缺点，进一步改善其生物相容性，也是生物医学研究者关注的焦点。

(1)Prasuhn,D.E.;Feltz,A.;Blanco-Canosa,J.B.;Susumu,K.;Stewart,M.H.;Mei,B.C.;Yakovlev,A.V.;Loukou,C.;Mallet, J.M.;Oheim,M.ACS Nano 2010,4(9),5487.doi:10.1021/ nn1016132

(2)Zhang,C.Y.;Hu,J.Anal.Chem.2010,82(5),1921. doi:10.1021/ac9026675

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Applications of Graphitic Nanomaterial′s Optical Properties in Biochemical Sensing

XU Yi-Ting1CHEN Long2,*CHEN Zhuo1,*
(1State Key Laboratory of Cheme/Biosensing and Chemometric,Hunan University,Changsha 410006,P.R.China;2Faculty of Science and Technology,University of Macau,Macao 999078,P.R.China)

Graphitic nanomaterials,which possess unique optical properties,have attracted significant attention in biochemical sensing.Herein,we summarize and discuss recent progress of such materials as optical probes, photothermal materials and signal transduction substrates for biosensing applications.The most attractive optical property of graphitic nanomaterials is their strong and unique Raman signals.As a Raman probe,these nanomaterials have remarkable applications,especially in detecting complex biological samples,quantitative surface enhanced Raman scattering(SERS)detection and detection under extreme conditions.Besides Raman, the unique intrinsic fluorescence emission of single-walled carbon nanotubes(SWNTs)in the long wavelength and second near-infrared window(NIR-II window,1000－1700 nm)has facilitated deep-tissue high-resolution fluorescence imaging in vivo.Additionally,graphitic nanomaterials have efficient photothermal conversion capability.Together with the large surface area,graphitic nanomaterials are used in photothermal synergy therapy for cancer treatment.Furthermore,because of their particular physical and chemical properties,graphitic nanomaterials are established as an efficient signal transduction substrate,which can quench an excited chromophore and photosensitizer,showing high selectivity and sensitivity in biosensing and nanomedicine.

Graphitic nanomaterial;Biochemical sensing;Raman probe;Molecular detection; Photothermal therapy

O644

tureArticle]

10.3866/PKU.WHXB201609213www.whxb.pku.edu.cn

Received:June 15,2016;Revised:September 20,2016;Published online:September 21,2016.

*Corresponding authors.CHEN Zhuo,Email:zhuochen@hnu.edu.cn.Tel:+86-731-88821834;CHEN Long,Email:longchen@umac.mo.

The project was supported by the National Key Basic Research Program of China(973)(2013CB932702),National Natural Science Foundation of

China(21522501),and Science and Technology Development Fund of Macao S.A.R,China(FDCT,067/2014/A).

国家重点基础研究发展规划项目(973)(2013CB932702),国家自然科学基金(21522501)和澳门科学技术发展基金(FDCT,067/2014/A)资助

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