石墨烯量子点的制备及其在生物医学领域的应用

万志鹏

(江西师范大学 化学化工学院，江西 南昌 330022)

近年来，随着研究的不断深入，量子点在纳米材料领域占据着特殊的地位，并取得了长足的进步。新型的零维碳纳米材料石墨烯量子点(Graphene quantum dots，GQDs)，由于兼具石墨烯的独特结构和碳量子点的边界效应及量子限域效应更是备受关注[1-3]。GQDs具有优良的物理和化学性质，如无毒、可溶性、生物相容性、惰性及优异的光学、电学性质，使其在能量转换、生物医药、传感和催化等领域具有光泛的应用前景[4]。本文在基于GQDs最新研究进展的基础上，综述了GQDs的制备方法及其在生物医学领域的应用。

1 石墨烯量子点的合成

石墨烯量子点的合成大体上可以分为自上而下和自下而上的方法，前者将大尺寸的石墨烯片、碳纳米管、碳纤维或石墨切割形成纳米级的GQDs，后者以有机小分子作为前驱体通过物理化学方法制备出GQDs。

1.1 水热法

水热法是制备GQDs的一种常用的方法，属于自上而下的方法合成GQDs。Jindal等[5]采用水热法合成了4～5纳米、带隙为3.2eV的GQDs，他们将石墨烯薄片粉末加入到30mL的浓硫酸和10mL的浓硝酸中氧化，然后将反应混合物在超声波下处理12 h后用蒸馏水稀释，之后进一步超声处理后用NaOH中和，最后将混合物转移到水热高压釜中在220℃下过夜反应，之后经冷却、洗涤、干燥便得到GQDs。水热法合成GQDs，量子产率高，但同时存在试剂消耗量大的问题。

1.2 微波辐射法

目前，微波辅助合成量子点因其反应时间短、环境友好、节能以及良好的控制等优点在纳米材料领域应用较为广泛。Zhuang等[6]报道了一种快速、干燥条件下的微波辅助路线合成GQDs的方法。他们将柠檬酸研磨获得非常细的粉末后置于微波炉中，几分钟后取出用1.0mol/L的NaOH溶液溶解后放入透析袋中透析3天，便可得到GQDs。制备出的GQDs具有良好的溶解性、生物相容性、优异的光稳定性及可调的光致发光和较低的细胞毒性，能成功地用于细胞成像。

1.3 弧光放电法

弧光放电法是制备碳量子点(CDs)最早的方法[7]。Dey等[8]通过弧光放电法首次合成了硼掺杂的石墨烯量子点(B-GQDs)。石墨在H2He+B2H6氛围下或者使用硼粉填充石墨电极通过电弧放电合成硼掺杂石墨烯。

1.4 电化学法

电化学法是以其他碳源作为工作电极来制备石墨烯量子点。Shinde等[9]以多壁碳纳米管为原料通过电化学法制备出石墨烯量子点，以多壁碳纳米管为工作电极，Pt箔和Pt线分别为对电极和参比电极，LiClO4作为电解质溶液，在不同时刻将正电位施加到工作电极上并在相应时间间隔内施加负电位后，将工作电极放入水中进行超声处理，之后透析数天收集GQDs，除去Li离子及其他杂质。该方法可以通过简单地使用大面积工作电极来扩大制备石墨烯量子点的规模。

1.5 其他方法

除了以上几种方法之外，还有激光消蚀法[10-11]、化学氧化法等。虽然合成石墨烯量子点的方法较多，但各自具有不同的优缺点，如电弧放电法合成过程较为复杂，对产物的收集不利；激光消蚀法所用仪器昂贵[12]。所以，应当投入更多的努力以期开发出简单、经济环保、高量子产率的石墨烯量子点合成方法，为石墨烯量子点的广泛应用打下基础。

2 石墨烯量子点的应用

2.1 生物成像

传统半导体量子点和有机荧光染料可以用于生物标记、生物成像[13-14]。但是它们都具有毒性，容易导致细胞死亡，因此限制了其在生物细胞成像等方面的应用。石墨烯量子点因其优异的光学特性和对细胞的低毒性，使其在生物成像领域具有广泛的应用[15]。谢文菁等[16]通过在碱性条件下电解石墨棒得到氧化石墨烯(GO)，常温下用水合肼还原GO并经过透析得到5～10 nm的GQDs。由于GQDs表面存在类似邻苯二甲酰肼的基团和酰肼基团，使其能够发出黄色荧光，量子产率达到14%，对细胞毒性低。将人体肺癌细胞和乳腺癌细胞进行人工培养后加入到制备得到的GQDs水溶液中孵育24 h后，经细胞活性比色检测法(MTT检测)测定发现GQDs具有良好的生物相容性，并表现出较低的细胞毒性，能有效用于细胞成像。Qu等[17]通过采取水热路线改变溶剂(水、DMF、无溶剂)的方法合成了能够发射多种颜色(蓝色、绿色、黄色)的氮掺杂的石墨烯量子点，具有独特的光学性质、低细胞毒性和良好的生物相容性，有望作为体外成像的潜在生物成像剂。

2.2 生物传感

GQDs能够通过能量共振转移等形式与有机或无机物发生相互作用，使得GQDs荧光猝灭，根据这一原理可以制作生物传感器。Shi等[18]报道了一种基于石墨烯量子点和金纳米粒子(Gold nanoparticles ,AuNPs)对的新型荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer，FRET)生物传感器，能够用于金黄色葡萄球菌特异性基因序列的检测。其机理是将捕获探针固定在GQDs上，在AuNPs上结合报告探针，然后目标分子寡核苷酸与捕获探针和报告探针共杂交形成一种夹心结构，使GQDs和AuNPs紧密接触以触发FRET效应，荧光能量从GQDs转移至AuNPs，通过测定荧光猝灭效率可以定量检测出金黄色葡萄球菌的靶寡核苷酸。Shi等[19]报道了以GQDs为供体，MoS2为受体的荧光生物传感器，用于快速、灵敏地检测上皮细胞粘附分子(Epithelial cell adhesion molecule，EpCAM)。其机理是通过范德华力将PEG化GQDs标记的EpCAM适体吸附到MoS2上，在荧光共振能量转移机制下，MoS2 纳米片可以猝灭GQDs的荧光信号。在EpCAM蛋白存在下，由于适体和EpCAM蛋白之间存在强大的特异性亲和相互作用，能够从MoS2纳米片中分离出GQDs标记的EpCAM适体，从而导致荧光的恢复。通过检测荧光信号的变化，在3 nM至54 nM范围内可以灵敏地检测目标EpCAM蛋白，其检测限制( Limit of detection，LOD)为450 pM。

2.3 药物传递

石墨烯量子点是运输药物的优良载体，这是由于其具有较大的比表面积、两亲性及丰富的π电子，能够通过π-π堆叠、非共价键结合、疏水性及静电相互作用而与药物结合，起到药物传递的作用[20]。Iannazzo等[21]报道了一种基于石墨烯量子点的生物相容性和药物可追踪的药物传输系统，能够用于将DNA嵌入药物多柔比星(doxorubicin)靶向传递至癌细胞。通过酸性氧化和多壁碳纳米管的剥离合成的水溶性GQDs能够与肿瘤靶向模块生物素共价连接，能够有效识别癌细胞上过量表达的生物素受体，进而将药物靶向释放到癌细胞。Khodadadei等[22]报道了甲氨蝶呤(Methotrexate ，MTX)负载的氮掺杂石墨烯量子点纳米载体能够作为有效的抗癌药物传递系统。以柠檬酸为碳源，尿素为氮源通过水热法合成了发蓝色荧光的氮掺杂石墨烯量子点，MTX通过强烈的π-π堆叠作用负载到N-GQDs上。通过体外MTT测定研究MTX-(N-GQDs)对人体乳腺癌细胞的毒性表明，无MTX的N-GQDs纳米载体具有高度的生物相容性，而负载有MTX的N-GQDs纳米载体表现出更高的细胞毒性。将抗癌药物负载在石墨烯量子点上，能够有效传递抗癌药物至靶细胞，并减少对正常细胞的伤害，这对癌细胞的靶向治疗具有深远的意义。

3 结语与展望

石墨烯量子点应用于生物细胞成像、生物传感、药物传递等生物医学领域面临的主要困难之一在于获得高质量的GQDs，但是现有的合成方法大多是小规模且合成的GQDs具有宽尺寸分布，因此有必要找到更高效、更高量子产率、并能对GQDs的形状和尺寸进行可控的合成方法。就目前来看，对石墨烯量子点的光致发光(Photoluminescence，PL)特性的理解仍不不够深入，这限制了其在生物医学领域的应用，应当投入更多的努力改善GQDs，提高其量子产率。相信，随着研究的不断深入，石墨烯量子点在生物医学领域的应用将得到更大的突破，为人类的疾病治疗带来福音。