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无机材料学报

无机材料学报  2016 , 31 (4): 337-344 https://doi.org/10.15541/jim20150424

Orginal Article

石墨烯量子点的制备及其生物应用

孙晓丹1, 刘中群2, 颜昊1

1. 清华大学 材料学院, 先进材料教育部重点实验室, 北京100084
2. 北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京100083

Preparation and Biological Application of Graphene Quantum Dots

SUN Xiao-Dan1, LIU Zhong-Qun2, YAN Hao1

1. Key Laboratory of Advanced Materials of Ministry of Education of China, School of Materials Science & Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2. School of Materials Science and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China

中图分类号:  O613

文献标识码:  A

文章编号:  1000-324X(2016)04-0337-08

收稿日期: 2015-09-9

修回日期:  2015-11-30

网络出版日期:  2016-04-20

版权声明:  2016 无机材料学报编委会 This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.

基金资助:  清华大学自主科研计划项目(20131089199)

作者简介:

作者简介: 孙晓丹(1975-), 女, 副研究员. E-mail:sunxiaodan@tsinghua.edu.cn

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摘要

石墨烯量子点(GQDs)作为石墨烯材料的衍生物, 在兼顾了石墨烯优良特性的同时, 又依靠量子限域效应和边界效应而具备了光致发光(PL)等石墨烯所不具备的性质, 而且在细胞毒性、生物相容性等方面也有更好的表现。近年来, GQDs的制备方法日趋多样化, 通常将其分为Top-down和Bottom-up两种方法。随着GQDs在生物医学领域应用的不断深化, 对其形貌和尺寸控制也提出了更高的要求, 因此本文对Bottom-up法等一些有希望精确控制GQDs形貌和尺寸的方法进行了重点介绍, 并对各种方法的优缺点进行了对比。目前GQDs的生物应用主要包括生物成像、生物传感器、药物输运和抗菌剂等, 本文对其各种应用分别进行了介绍, 并结合各种应用对GQDs的要求给出了制备方法的建议。文章最后还指出了GQDs研究中存在的问题及发展方向。

关键词： 石墨烯量子点 ; 形貌尺寸控制 ; 制备方法 ; 生物应用 ; 综述

Abstract

As the derivatives of graphene, graphene quantum dots (GQDs) have the excellent properties of graphene, and photoluminescence (PL) properties that ordinary graphene does not possess, which is attributed to quantum confinement effect and boundary effect. Moreover, GQDs perform well in terms of cytotoxicity and biocompatibility. Recently, the synthetic method of GQDs is increasingly diverse, which is usually divided into two main groups: top-down and bottom-up. With increasing application of GQDs in biomedical field, higher requirements on their morphology and size control are put forward. In this paper, we focus on the synthetic methods that are promising to control morphology and size of GQDs. Advantages and disadvantages of these methods are listed and analyzed comparatively. The biological applications of GQDs, including biological imaging, biological sensors, drug delivery and antibacterial agents, etc. are introduced. Suggestions on the choice of synthetic method for preparation of GQDs are given based on the requirements of diverse applications. The remained problems and the development directions in the research of GQDs are put forward.

Keywords： graphene quantum dots ; morphology and size control ; synthetic methods ; biological applications ; review

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孙晓丹, 刘中群, 颜昊. 石墨烯量子点的制备及其生物应用[J]. , 2016, 31(4): 337-344 https://doi.org/10.15541/jim20150424

SUN Xiao-Dan, LIU Zhong-Qun, YAN Hao. Preparation and Biological Application of Graphene Quantum Dots[J]. 无机材料学报, 2016, 31(4): 337-344 https://doi.org/10.15541/jim20150424

石墨烯是一种具有网状周期结构的二维碳材料, 因其具有独特的电学和光学性质, 在许多方面展现出广阔的应用前景[1-2]。但是石墨烯在生物医药领域的应用受到诸多限制, 能带结构和生物毒性是最主要的问题, 而石墨烯量子点的出现恰好可以解决这两个问题。

石墨烯是一种零带隙的半导体, 没有能带间隙, 无法产生荧光, 因此限制了其在生物成像方面的应用。但是将石墨烯的尺寸缩小到纳米尺度形成石墨烯量子点(GQDs)后, 由于量子限域效应和边界效应, 使其具有可调节的能带间隙, 可以受激发出稳定的荧光, 从而弥补石墨烯在生物成像方面的不足。

石墨烯具有一定程度的细胞毒性, 在生物实验[3-4]和体外细胞实验[5-6]中, GQDs都表现出了较低的毒性, 而且研究者发现石墨烯的细胞毒性随片层尺寸的减小而减弱[7]。因此在保证安全的前提下, GQDs的应用范围更为广泛, 这可以在很大程度上拓展石墨烯材料的应用范围。

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, 对石墨烯的形貌和尺寸控制也提出了更高的要求。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)[8]。

文献[8]已经对Top-down法进行了较为系统的介绍, 本文主要介绍几个典型的制备方法[8]。另外, 本文还将介绍碳纤维剥离法和电子束刻蚀法。目前对Bottom-up法进行详细总结的文章很少, 而Bottom-up法在GQDs的生物应用方面具有不可忽略的优势, 所以本文将对其进行特别介绍。

1 制备方法

1.1 Top-down法

Top-down法是通过物理或化学方法将大尺寸的石墨烯破碎成小尺寸的石墨烯量子点, 它起源于纳米石墨烯的制备方法[9-10], 可以看作是纳米石墨烯制备方法的拓展和补充。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。Top-down法主要包括水热法、溶剂热法、强酸氧化法和电化学法等方法。

1) 水热法

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1所示)。反应主要分为三个阶段[11]: 首先将GO热还原为石墨烯; 然后在浓硫酸和浓硝酸组成的混酸中将石墨烯氧化, 在石墨烯片层上引入环氧基等含氧官能团, 且这些含氧官能团倾向于在碳骨架上排成一条直线; 最后将氧化后的石墨烯在弱碱性条件(pH=8)下进行水热处理, 去除含氧基团, 导致片层破裂, 生成GQDs, 并过滤提纯。Pan等[11]利用三步水热法制得了尺寸为5~13 nm的GQDs, 其荧光量子产率(QY)约6.9%。Pan等[12]和Li等[13]又分别对这种三步水热法进行了改进, Pan等[12]将水热的弱碱性条件改为pH>12的强碱性, 使产物尺寸减小到1.5~5 nm; Li等[13]用PEG对产物GQDs进行表面钝化修饰, 将荧光量子产率提高到28%。

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图1   水热法切割产生GQDs的机理示意图[11]

Fig. 1   Mechanism for the hydrothermal cutting of oxidized GSs into GQDs: a mixed epoxy chain composed of epoxy and carbonyl pair groups (left) is converted into a complete cut (right) under the hydrothermal treatment[11]

2) 溶剂热法

溶剂热法的机理与水热法基本相同, 其主要区别是使用了N,N-二甲基甲酰胺(DMF)等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, 使其得到还原。Yang等[6]以改进的Hummers法制备的GO为起始原料, 将其分散在DMF中, 然后将GO/DMF悬浮液再加热至200℃, 冷却至室温后得到的棕色悬浮液, 即为GQDs的DMF分散液。通过旋转蒸发除去溶剂, 得到石墨稀量子点, 可以发出稳定的绿色荧光, 其尺寸约5.3 nm, 量子产率约11.4%。

3) 强酸氧化法

强酸氧化法是利用强酸的氧化性, 在微波辐射、超声处理等辅助手段下, 将氧化石墨烯(GO)直接切割得到GQDs。这种方法不可避免地会在产物的表面引入大量带负电的含氧官能团, 在提高GQDs亲水性的同时, 其生物毒性也会增强, 而且含氧官能团的存在会破坏石墨烯碳结构, GQDs量子产率也随之降低。此方法还有一个缺点是去除氧化过程中使用的氧化剂十分困难, 这严重影响了产物GQDs的生物相容性。Wang等[14]将GO、浓H2SO4和浓HNO3按一定比例混合, 并利用微波辐射进行加热处理, 得到尺寸为2 nm和5 nm两种石墨稀量子点。实验还发现GQDs的荧光强度与pH相关, 在pH为1时荧光淬灭, pH为13时荧光恢复。强酸在反应过程中主要作为氧化剂, 并起到防止GQDs聚集的作用。Zhu等[15]在此基础上对该方法进行了改进, 将GO与浓H2SO4、浓HNO3混合物经过微波辐射后得到的GQDs用硼氢化钠还原得到石墨稀量子点, 可发出稳定的蓝色荧光(如图2所示)。而且经过硼氢化钠还原后, GQDs的荧光颜色由绿色变为蓝色的同时, 量子产率也由11.7%提高到了22.9%。

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图2   绿色荧光GQDs和蓝色荧光GQDs制备流程图[15]

Fig. 2   Schematic representation of the preparation route for gGQDs and bGQDs[15]

4) 电化学法

电化学法的机理为由石墨烯片层上的物理或化学缺陷提供电化学氧化位点, 通过电极施加足够的电位, 驱动水电离出羟基和氧自由基将碳晶格氧化, 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, 同时使堆叠石墨烯片层之间间距增大。由于线性排列的含氧基团自身的表面张力, 石墨烯被破碎成GQDs。由于含氧基团的存在, GQDs在水溶液中可以稳定分布, 而且量子点表面结合的官能团可以取决于使用的有机溶剂[16-17] 。Zhang等[18]以石墨棒为阳极, Pt为阴极, 以片层石墨烯为前体, 在氢氧化钠溶液中制得GQDs, 其量子产率为14%, 反应示意图如图3所示。Li等[19]以石墨烯薄膜为电极, 在磷酸缓冲溶液中制备了GQDs, 其尺寸分布较为均匀(3~5 nm), 可以发出绿色荧光, 且其性质非常稳定。

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图3   电化学方法制备GQDs溶液反应示意图[18]

Fig. 3   Schematic illustration of the generation process of GQDs solution[18]

5) 碳纤维剥离法

碳纤维剥离法是指以碳纤维为碳源, 剥离得到GQDs, 其基本原理是通过化学或物理方法使石墨烯片层碎化, 碳纤维结构被破坏, 最终导致碳纤维(CF)横向和纵向裂解, 产生GQDs。

a) 碳纤维化学剥离法

碳纤维化学剥离法的基本原理与强酸氧化法类似, 即通过化学氧化在碳晶格上引入环氧基等含氧基团, 然后通过超声加热等手段使其断裂。Zhu和Ajayan等[20]利用碳纤维化学剥离法, 通过酸处理, 将堆垛在碳纤维中的石墨片层剥离, 制得尺寸为1~4 nm的GQDs。另外, 由于环氧键的结合位点为C-C键, 断裂之后边缘结构大多数成锯齿状。研究还发现温度对GQDs尺寸的影响很大, 可以通过调节温度来改变GQDs的尺寸, 从而改变其荧光颜色。

b) 碳纤维超声剥离法

液相超声波法在石墨烯的制备上已经应用的十分广泛, 用于直接制备GQDs的还比较少见。传统的Top-down方法在制备过程中存在很多缺点, 因为它的基本原理是利用强酸等氧化GO产生含氧基团, 通过环氧键等含氧基团的断裂来破碎石墨烯, 因此不可避免地会在GQDs基面和边缘处引入大量含氧基团。为了提高量子产率, 一般要经过化学还原等操作, 所以整个过程中会产生很多缺陷。而液相超声剥离法却可以改善这个问题, 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, 有效地避免了缺陷的产生。Li等[21]利用二甲基亚砜溶液较高的表面张力, 在超声波的作用下使石墨烯片层剥离, 然后通过离心处理、微孔滤膜抽滤等方法除去残余大片层, 得到GQDs上清液。

c) 电子束刻蚀法

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。Ponomarenko等[22]以大尺寸的石墨烯片层为前体, 通过纳米刻蚀技术制备出横向尺寸为30 nm的GQDs。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, 并由于仪器设备的特殊性, 操作的复杂程度限制了这种方法的普及和GQDs的大批量制备。

1.2 Bottom-up法

Bottom-up法是以小分子为前体, 通过一系列化学反应逐步合成尺寸较大的GQDs, 它可以通过控制反应条件来调节GQDs的形状和尺寸[23], 但是步骤繁琐, 操作过程复杂。Bottom-up法中最常用的是溶液化学法和热解炭化法。由于C60开笼法制备的GQDs的形貌和尺寸是通过控制碳簇的聚集来实现的, 因此也将其归入Bottom-up法。

1) 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GQDs。但是随着反应的进行, 聚合产物GQDs尺寸不断增大, π-π键之间的引力增强, 导致其水溶性迅速降低[20]。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。Li等[24]基于氧化缩合反应, 以有机小分子为前体, 通过精确控制石墨烯量子点六圆环的环数, 得到环数为132、168、170的量子点, 实现了对GQDs尺寸的精确控制, 并且在石墨烯片层边缘连接增溶基团以提高其在水溶液中的稳定性。TANG等[25]以葡萄糖为前体, 利用葡萄糖微波辅助水热法(MAH)制备出尺寸均匀的GQDs。葡萄糖分子发生脱水缩合, 通过C=C键形成GQDs核, 随着反应的进行, GQDs核心逐渐生长, GQDs的尺寸在1.65~21 nm范围内随微波加热时间的延长(1~9 min)而增大, 其量子产率为7%~11%。由于反应过程中唯一的反应物就是葡萄糖, 不需要任何表面钝化剂和无机添加剂, 所以产物GQDs的纯净度较高。另外, 由于微波辐射加热的快速性、同时性和均匀性, GQDs得以均匀形核和生长, 所以产物GQDs具有良好的尺寸一致性。

2) 热解炭化法

有机盐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。Chi等[26]通过对柠檬酸进行炭化, 制备出横向尺寸为15 nm, 厚度0.5~2.0 nm的GQDs, 且其量子产率相对较高。柠檬酸分子之间发生脱水反应, 形成苯环, 随着反应的进行, 苯环逐渐长大, 可以通过控制反应时间来调节GQDs的尺寸(如图4所示)。Zhao等[2]通过对谷氨酸的热解炭化制备出GQDs, 其量子产率为54.5%, 是柠檬酸制备GQDs的4~5倍。制备过程与柠檬酸类似, 主要区别是加热时间短, 只有45 s。Liu等[27]以六苯基苯为碳源, 制备了尺寸均匀的GQDs, 其横向尺寸为60 nm, 纵向厚度为2~3 nm。其基本过程主要分为三步: 首先利用脱氢环化将六苯基苯变为粉末, 然后通过炭化裂解得到人造石墨, 最后以人造石墨为碳源制备GQDs, 并用水合肼还原以提高其量子产率。

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图4   柠檬酸碳化形成GQDs和GO的示意图[26]

Fig. 4   Diagram for the synthesis of GQDs and GO[26]The black dots in the GO represent oxygen atoms

3) C60开笼法制备GQDs

C60开笼法制备GQDs的基本思路是在一定反应条件下, 将具有相同尺寸和形状的富勒烯展平, 并通过控制加热温度, 使碳簇聚合形成具有特定形状和尺寸的GQDs。主要反应过程如下: 首先将温度加热到1200 K, 由于C60和Ru单晶的晶格常数不同, 在过渡金属Ru的催化作用下, C60分子中的碳原子会嵌入Ru单晶表面, 并会逐渐碎裂成碳团簇; 然后在不同温度下退火时, 这些碳团簇经过扩散和聚集会形成不同形状和尺寸的GQDs, 而且可以通过改变退火温度以及碳团簇的密度来控制GQDs的形状和尺寸。Lu等[23]通过C60开笼法制备出不同形貌和尺寸的GQDs, 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消失, 聚合成为六边形尺寸较大的GQDs(图5)。

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图5   C60开笼法制备GQDs示意图[23]

Fig. 5   Preparation mechanisms of GQDs using C60[23](a) C60 molecules adsorb on the terrace, and these decompose to produce carbon clusters. (b) Temperature-dependent growth of GQDs with different equilibrium shape from the aggregation of the surface diffused carbon clusters. (c, d) Corresponding STM images for the well-dispersed triangular and hexagonal equilibrium shaped GQDs produced from C60-derived carbon clusters

1.3 制备方法的比较

通过上文对GQDs制备方法的介绍, 可以看出每种制备方法都具有各自的优缺点, 表1对各种制备方法的优缺点进行了总结。由于Top-down法中水热法、溶剂热法、强酸氧化法和电化学方法的优缺点大同小异, 所以没有进行详细区分。

表1   各方法优缺点比较

Table 1   Advantages and disadvantages of the methods for preparation of GQDs

MethodsAdvantagesDisadvantagesRef
Top-downHydrothermal synthesis;
solvothermal synthesis;
acidic oxidation;
electrochemical exfoliation		Large output;
simple operation.		Irregularly size and shape;
lots of oxygen-containing functional
groups left on the GQDs surface;
strong reductants are needed; numerous
defects.		[11-19]
Oxidation cutting of CFSimple operation;
large output;
relatively cheap raw materials.		Too many oxygen-containing functional
groups;
low quantum yield(QY).		[21]
Ultrasonic exfoliationSimple operation;
no reduction process; fewer surface
defects and more stable electronic
properties.		Depending on the quality of carbon fiber;
special equipments are needed.		[22]
Electron beam lithographyPrecise control on both size and
shape of resultant GQDs		Complex operation; expensive equipments;
extremely low output.		[23]
Bottom-upSolution chemical
approaches		Well-defined monodispersed
structures;
easy control of both size and
shape; high purity.		Low-output;
difficulty to prevent aggregation.		[21],
[24-26]
Carbonization of
organic molecules		Well-defined monodispersed
structures;
high QY;
simple operation		Low-output.[24],
[27-28]
Cage-opening of C60Well-defined monodispersed
structures;
precise control on both size
and shape; high QY.		Strict reaction conditions;
very high heating temperature; expensive
raw materials;
low-output.		[24]

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2 生物应用

GQDs具有可调节的光致发光性、荧光稳定性, 优良的溶解性、低毒性和高的生物相容性等特性, 其中GQDs的光学性能和低毒性是其在细胞成像、生物传感和药物输运等领域得到广泛应用的关键。

2.1 荧光成像

GQDs在近红外光区有较强的光致荧光性能、荧光稳定性和较高的生物相容性, 所以可以用于细胞和生物成像。相对于其他的有机、无机的量子点和荧光剂, GODs最为突出的就是分辨率、荧光稳定性和较低的细胞毒性[18], 比较有影响的研究就是将石墨烯量子点用于细胞成像、活细胞的实时分子追踪、体内光学成像。Zhang等[18]将GQDs用于干细胞标记, 发现GQDs 可以比较容易地进入干细胞, 表现了极低的生物毒性, 并且可以产生清晰稳定的影像。Zhu等[20]将400μg量子产率为11.4%的GQDs 加入150 μL 人体骨肉瘤细胞培养基中, 利用共焦荧光显微镜可以观察到细胞内部为亮绿色, 而且细胞的活性没有明显减弱。Nurunnabi 等[28]将用强酸氧化法制备的GQDs用聚多巴胺(pDA)包被后, 在500 μg/mL的浓度下, 没有表现出明显的生物毒性, 从小鼠尾部进行静脉注射, 可以对小鼠的内脏器官内形成清楚的荧光图像, 而且通过对比实验发现pDA包被后的GQDs的荧光稳定性比裸露GQDs更强。

2.2 生物传感器

石墨烯量子点与无机或有机物通过能量共振转移等形式发生相互作用, 可能导致GQDs的荧光猝灭, 根据这一特性, 可以制作成生物传感器。Zhao等[29]以石墨烯为受体, 以小鼠抗人免疫球蛋白mIgG结合的GQDs为抗体, 制造了免疫传感器, 用以检测人类免疫球蛋白G (IgG)。其机理是先将mIgG非共价键键合到GQDs上, 石墨烯与GQDs之间发生长程能量共振转移, 致使GQDs荧光猝灭; 然后由于IgG和mIgG之间的特异性作用, 当IgG存在时, mIgG-GQDs不能与石墨烯发生长程共振能量转移, 荧光恢复, 从而根据荧光恢复情况定量检测IgG的量。Li等[30]利用Fe3+对GQDs的荧光淬灭作用, 制备了用于分析血清中Fe3+含量的传感器。硫分子修饰的GQDs(S-GQDs)在0.01~0.70 μmol/L的浓度范围内对Fe3+非常敏感, 其荧光强度对Fe3+浓度表现出了良好的线性负相关, 其检测极限低至4.2 nmol/L。

2.3 药物输运

GQDs具有大的比表面积、低生物毒性, 良好的生物相容性等特性, 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, 所以GQDs是运载药物的优良载体。Wang等[31] 用PEG粒度为15nm的GQDs进行表面修饰后, 利用氢键将阿霉素(DOX)结合到GQDs表面, 使GQDs-PEG成为药物载体DOX@GQDs-PEG, 其运载能力可以达到2.5 mg/mg, 而且可以通过pH来控制药物的释放。Nahain等[32]将透明质酸(HA)结合到GQDs表面, 成为有靶向效果的药物载体, 可以将药物运送到CD44过度表达的肿瘤细胞处。而且药物的释放速度和pH相关, 环境pH越低, 释放速度越快, 而肿瘤细胞处往往成弱酸性环境, 所以药物可以在肿瘤处快速释放。

2.4 光动力治疗

GQDs在激光照射下可以产生活性氧自由基(ROS), 而活性氧自由基可以导致细胞的凋亡, 与传统的无机量子点CdSe和CdTe等相比, 具有较低的生物毒性和较好的生物相容性, 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。Ristic等[33]发现通过电化学方法制备的GQDs在蓝光(470 nm, 1 w)照射下, 可以产生活性氧自由基, 对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等都有较好的抗菌性, 而且在相同的GQDs浓度和光照条件下, 小鼠正常胰腺细胞凋亡比例较低, 说明GQDs的动力学治疗具有相对的特异性。Markovic等[34]发现电化学法制备的粒度为56.6 nm的GQDs进入人胶质瘤细胞后, 在体外蓝光(470 nm, 1 w)的照射下, 产生了活性氧自由基(ROS), 导致人胶质瘤细胞的死亡, 证明GODs对肿瘤细胞的动力学治疗的效果。Ge等[35]将GQDs的荧光成像和光动力治疗结合, 见图6。在502~540 nm光波的激发下, 发出波长695~775 nm的红色荧光。同时利用GQDs产生活性氧自由基的特点, 进行光动力治疗。Gui等[36]将N和S原子结合到GQDs表面(NS- GQDs), 在800 nm光波的激发下, 有较高的ROS产率, 可以用于肿瘤的光动力治疗。

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图6   体内荧光成像和光动力治疗[35]

Fig. 6   In vivo imaging and PDT[35](a) Bright-field image and (b) red-fluorescence image after subcutaneous injection of GQDs in different areas and (c) time-dependent tumour growth curves after different treatments (PDT: GQDs+light irradiation; C1: GQDs only; C2: light irradiation only)

2.5 抗菌剂

GQDs还具有高效的类过氧化物酶催化活性, 可以催化H2O2分解为羟基, 而羟基的抗菌性比H2O2更强。根据上述机理, Qu等[37]用GQDs和H2O2构建了一个较强的抗菌体系, 并避免了高浓度H2O2较强的生物毒性。

3 总结和展望

由于应用领域的不同, 对石墨烯量子点的要求也会不相同。针对实际应用的需要, 可以结合表1给出的各种方法的优缺点, 综合考虑成本和应用效果等多种因素, 选择最优的制备方法。例如, 当需要制备大批量的石墨烯量子点, 而对量子点荧光的颜色和强度等品质要求较低时, 可以选择Top-down法中水热法、溶剂热法、碳纤维化学剥离法等操作简单, 产量较大和原材料价格相对便宜的方法; 若是需要作为造影剂进入人体内进行生物成像时, 则要首先保证荧光成像的质量和安全性, 要求GQDs的形貌尺寸均匀且量子产率较高, 可以选择Bottom- up法; 在传感器等对GQDs形状和尺寸要求更为精细的应用领域, 可以选择电子束刻蚀法对GQDs的形状进行精细控制。

随着石墨烯量子点研究工作的不断深入, 其应用领域逐渐扩展, 并对GQDs的质量提出了更高的要求, 然而目前石墨烯量子点的制备方法中还存在很多问题需要解决, 如水溶性较差, 产量和量子产率较低, 形貌和尺寸的控制不够精确, 光谱吸收范围窄等。有些问题可以通过化学改性和表面修饰等手段在一定程度上得到改善, 但是还远远不够, 需要研究人员在这方面付出更多的努力。如果这些问题得不到很好的改善, 会严重限制GQDs的应用。

在GQDs生物毒性的研究上, 也存在很多的不足。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, 甚至导致细胞凋亡[33-36], 所以今后评估GQDs生物的毒性时, 不可忽略GQDs的光敏毒性。

综上所述, 研究人员必须更多关注如何改善GQDs的制备方法以及GQDs的表面修饰, 以提高其量子产率, 增强荧光强度, 具备更好的生物相容性, 在深化生物成像、免疫检测、药物运输、催化剂等领域应用的同时, 不断拓展新的应用范围, 加速GQDs的应用进程。

The authors have declared that no competing interests exist.

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