pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

何松杰， 張清梅,2*， 張路鵬， 杜秀娟 ， 陳峰華， 李 冰

(1. 太原科技大學(xué) 應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 山西 太原 030024；2. 福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建省量子調(diào)控與新能源材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 福州 350117；3. 山西醫(yī)科大學(xué) 口腔醫(yī)學(xué)院， 山西 太原 030051)

1 引 言

生物體內(nèi)，pH在許多細(xì)胞代謝過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，細(xì)胞的功能障礙往往與細(xì)胞器中的pH值異常有關(guān)[1-2]。在細(xì)胞內(nèi)，pH在很小范圍內(nèi)的波動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞不當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)和分裂[3-6]。因此，監(jiān)測(cè)生物體內(nèi)活細(xì)胞中的pH值在疾病的診斷與治療方面具有重要意義。目前市場(chǎng)上用于制備熒光探針的材料主要有熒光團(tuán)[7]、熒光納米材料[8]以及熒光蛋白[9]。量子點(diǎn)作為一種最常見的熒光納米材料，具有比熒光團(tuán)更加穩(wěn)定的發(fā)光，然而量子點(diǎn)大多由半導(dǎo)體材料制成，細(xì)胞毒性較高且難溶于水，導(dǎo)致其不能在細(xì)胞內(nèi)pH的監(jiān)測(cè)及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面很好地發(fā)揮作用[10]。

碳點(diǎn)(CDs)是至少有一維小于10 nm的碳納米材料，由sp2/sp3雜化碳原子核和附著態(tài)組成[11-12]。根據(jù)碳核和附著狀態(tài)的不同一般將CDs分為四大類：石墨烯量子點(diǎn)(GQDs)、碳納米點(diǎn)(CNDs)、碳量子點(diǎn)(CQDs)和聚合物點(diǎn)(PDs)[13-14]。碳點(diǎn)作為一種新型的碳基熒光納米材料，由于其優(yōu)異的生物相容性、獨(dú)特的熒光性質(zhì)、可調(diào)諧的光致發(fā)光、豐富的表面官能團(tuán)、高的穩(wěn)定性、碳源的取材廣泛及成本低廉等而備受關(guān)注，在細(xì)胞成像[15-17]、癌癥治療[18-25]、光催化[26-28]、發(fā)光二極管[29-31]、離子檢測(cè)[17,32-35]、溫度傳感[36-37]、指紋檢測(cè)[38]、信息加密[39-40]和儲(chǔ)能[11,12,41-44]等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出了很好的應(yīng)用前景。碳點(diǎn)表面是由大量的碳、氫、氧等親水性官能團(tuán)組成，相比半導(dǎo)體量子點(diǎn)而言，碳點(diǎn)無(wú)需進(jìn)一步修飾就可均勻分散在水介質(zhì)中。碳點(diǎn)的毒性低和良好的生物相容性使其在生物醫(yī)學(xué)中具有潛在的應(yīng)用前景。最近，楊柏課題組對(duì)CDs在生物傳感方面的機(jī)理及應(yīng)用做了系統(tǒng)的綜述[45]，葛介超[21]、鄭敏[46]課題組分別對(duì)CDs在癌癥的診斷和治療方面進(jìn)行了深入的研究，薛茗月課題組[47]在藥物分析方面做了詳細(xì)的綜述。盡管CDs在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)有大量報(bào)道，但很少有對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的綜述報(bào)道[48-49]。本文的亮點(diǎn)在于將pH響應(yīng)型碳點(diǎn)不同響應(yīng)機(jī)制及其之間的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行了梳理，彌補(bǔ)了之前報(bào)道的機(jī)制之間相互分離，單獨(dú)論述的不足，為進(jìn)一步研究pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制提供了一種思路。本篇綜述首先介紹了pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制，然后對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在pH傳感、生物成像和癌癥治療等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。最后對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，提出了目前面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展的方向。

2 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制

為了更好地對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)進(jìn)行可控制備和性能調(diào)控，對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制進(jìn)行研究就顯得尤為重要。pH的變化可能會(huì)改變pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的分子結(jié)構(gòu)或者電子結(jié)構(gòu)，這些改變可能會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)和熒光強(qiáng)度的改變[48]。到目前為止，對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)熒光機(jī)制的研究仍然未達(dá)成共識(shí)，其中被人們廣泛接受的核心機(jī)制是pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的堿性基團(tuán)和酸性基團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化。此外，pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在質(zhì)子化和去質(zhì)子化的作用下，在微觀/宏觀上具體表現(xiàn)為能級(jí)變化、碳點(diǎn)聚集、質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移等機(jī)制[50]。不同pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的主要熒光機(jī)制如表1所示。

表1 不同pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的主要熒光機(jī)制和響應(yīng)范圍

表1(續(xù))

碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化是典型的pH熒光機(jī)制[60]。如圖1所示,酚羥基和羧基等酸性官能團(tuán)通過(guò)共價(jià)鍵連接在碳點(diǎn)表面，在堿性條件下去質(zhì)子化，碳點(diǎn)表面呈負(fù)電性；而在酸性條件下，碳點(diǎn)表面失去質(zhì)子的一些官能團(tuán)重新質(zhì)子化，碳點(diǎn)表面表現(xiàn)為正電性。已有文獻(xiàn)證明碳點(diǎn)由于質(zhì)子化和去質(zhì)子化導(dǎo)致的表面zeta電位的改變可能與其對(duì)pH的響應(yīng)有關(guān)[51]。Hu等發(fā)現(xiàn)硫摻雜碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度對(duì)pH響應(yīng)是可逆的，在378 nm的激發(fā)下，改變pH從3.0到9.0時(shí)，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。然后，將pH從9.0變化為3.0時(shí)，其熒光強(qiáng)度隨之減弱?；谏鲜鼋Y(jié)果，可以得出硫摻雜碳點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度與可逆的質(zhì)子化和去質(zhì)子化有關(guān)[52]。Huang等以檸檬酸為碳源，通過(guò)水熱法制備雙氰胺氮摻雜高量子產(chǎn)率(QY)的石墨烯碳量子點(diǎn)(GQDs)，開發(fā)了一種用于環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)的通用定量pH傳感器。得到的氮摻雜GQDs具有優(yōu)異的光致發(fā)光性能，熒光量子產(chǎn)率為36.5%，碳點(diǎn)在1.81～8.96的pH之間具有光穩(wěn)定性和pH響應(yīng)性。進(jìn)一步利用pH值與zeta電位的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，熒光強(qiáng)度的變化可能是由于量子點(diǎn)表面羧基和酰胺基等官能團(tuán)的可逆質(zhì)子化和去質(zhì)子化所致[2]。Yuan等通過(guò)電解石墨棒，在濃硝酸和濃硫酸混合溶液中回流合成了一種新型的水溶性多色熒光GQDs，它對(duì)1.0～14.0的全酸堿度都有響應(yīng)。在365 nm激發(fā)下，當(dāng)pH從1.0增加到11.0時(shí)，碳點(diǎn)光致發(fā)光峰的位置從522 nm紅移到575 nm，這可能是由于含氧官能團(tuán)(如環(huán)氧基、羥基和羧基)的去質(zhì)子化所引起的[61]。此外，Shi等的研究也證實(shí)了碳點(diǎn)可以在3.5～10.0的pH范圍內(nèi)用作熒光pH納米傳感器，且碳點(diǎn)的這種行為可能與羧基去質(zhì)子化有關(guān)[62]。Zhang等通過(guò)天冬氨酸和NH4HCO3混合物的一步微波輔助熱解成功合成了GQDs。所制備的GQDs熒光強(qiáng)度在pH從2.0～12.0變化時(shí)明顯衰減，且在350 nm激發(fā)下，當(dāng)pH從7.0～12.0變化時(shí)其發(fā)射峰從458 nm紅移到491 nm。作者認(rèn)為這種現(xiàn)象可能是由碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化引起的[63]。上述研究都將pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制解釋為質(zhì)子化和去質(zhì)子化，但我們通過(guò)調(diào)研認(rèn)為，質(zhì)子化和去質(zhì)子化可能只是其熒光機(jī)制的核心部分，需要進(jìn)一步研究pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在質(zhì)子化或去質(zhì)子化后是否引起其自身能級(jí)變化、質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移以及碳點(diǎn)聚集等微觀結(jié)構(gòu)和表象的變化，并且它們之間或許存在某種協(xié)同效應(yīng)，共同影響了碳點(diǎn)的光致發(fā)光性質(zhì)。

圖1 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制——質(zhì)子化和去質(zhì)子化

2.1 能級(jí)變化

碳點(diǎn)對(duì)pH響應(yīng)的性質(zhì)來(lái)源于表面含氧基團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化，這是最廣泛接受的機(jī)制之一。同時(shí)，在質(zhì)子化和去質(zhì)子化的基礎(chǔ)上，H+/OH-引起的能級(jí)變化也被認(rèn)為是碳點(diǎn)對(duì)pH響應(yīng)的機(jī)制之一。pH的改變會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，碳點(diǎn)的表面態(tài)隨之發(fā)生改變并影響碳點(diǎn)內(nèi)部和表面之間的相互作用，從而進(jìn)一步引起碳點(diǎn)能級(jí)發(fā)生變化，最終可能直接影響碳點(diǎn)的熒光性質(zhì)。如圖2所示，碳點(diǎn)在酸性條件下，隨著酸性的增強(qiáng)，從左到右能級(jí)逐漸加寬；而在堿性條件下，如右邊圖所示，隨著溶液堿性的增強(qiáng)，較寬的能級(jí)會(huì)逐漸變窄。Kong等以N-(β-氨基乙基)-γ-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷和檸檬酸為碳源制備了pH響應(yīng)型碳點(diǎn)。隨著pH從1.0增加到12.0，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度穩(wěn)定地增加到幾乎是pH為1.0樣品5倍的水平，并且在405 nm的激發(fā)下，峰值位置從520 nm藍(lán)移到463 nm。他們認(rèn)為，吸收的羥基可以鈍化碳點(diǎn)的表面缺陷，形成表面改性的保護(hù)殼層從而使碳點(diǎn)被隔離，降低了非輻射復(fù)合速率從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度增加和發(fā)射峰藍(lán)移。而H+可以破壞羥基鈍化的保護(hù)殼層，在碳點(diǎn)表面產(chǎn)生新的缺陷，并通過(guò)延長(zhǎng)共軛鏈的長(zhǎng)度和擴(kuò)大碳點(diǎn)的尺寸導(dǎo)致熒光猝滅和發(fā)射峰紅移。由于pH的變化，官能團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化可能導(dǎo)致碳點(diǎn)的靜電電荷發(fā)生改變，從而使費(fèi)米能級(jí)發(fā)生變化[53]。Choudhury等以檸檬汁為碳源通過(guò)一步熱解法合成碳點(diǎn)。他們研究發(fā)現(xiàn)，pH條件的改變可以顯著改變碳點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而影響半導(dǎo)體激光器中涉及的電子躍遷類型。這種效應(yīng)可能是由于存在于碳點(diǎn)表面的含氧官能團(tuán)的去質(zhì)子化引起的能級(jí)變化，并導(dǎo)致一些化學(xué)性質(zhì)不同的碳點(diǎn)形成[64]。Zhao等以綠色天然材料海帶為主要碳源，乙二胺為氮摻雜劑，采用微波法合成的碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度在3.0～8.0的pH范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，在370 nm的激發(fā)下，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度隨著pH的增加而降低。在較低的pH下，碳點(diǎn)表面發(fā)生質(zhì)子化，氫鍵結(jié)合引起的羥基官能團(tuán)的強(qiáng)烈振動(dòng)耦合可導(dǎo)致其能級(jí)加寬。因此，碳點(diǎn)在酸性條件下的熒光強(qiáng)度很強(qiáng)。但在堿性條件下，去質(zhì)子化過(guò)程中氫鍵效應(yīng)的消除可能導(dǎo)致振動(dòng)耦合的減少和更多的離散能級(jí)，從而導(dǎo)致碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度降低[54]。因此，我們認(rèn)為碳點(diǎn)表面發(fā)生的質(zhì)子化或去質(zhì)子化可能會(huì)引起碳點(diǎn)的碳核和表面官能團(tuán)之間的相互作用發(fā)生改變，微觀上表現(xiàn)為碳點(diǎn)的能級(jí)發(fā)生變化，宏觀上則表現(xiàn)為碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度或發(fā)射波長(zhǎng)的改變。

圖2 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制——能級(jí)變化

2.2 碳點(diǎn)聚集

碳點(diǎn)聚集也是碳點(diǎn)對(duì)pH響應(yīng)的重要機(jī)制之一。pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在酸性或堿性條件下其表面會(huì)發(fā)生質(zhì)子化或去質(zhì)子化，一些碳點(diǎn)受此影響會(huì)在酸性條件下表現(xiàn)出自組裝聚集，從而影響了碳點(diǎn)本身的光學(xué)性質(zhì)，如圖3所示。Xu等以H3PO4為原料，在低溫60 ℃條件下一步氧化蔗糖制備了具有良好量子產(chǎn)率的磷酸功能化碳點(diǎn)，并研究了其在不同pH下的熒光可逆性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，在3.0～13.0的pH范圍內(nèi)碳點(diǎn)的光致發(fā)光和紫外-可見吸收光譜是可逆的，并且首次在酸性條件下直接觀察到碳點(diǎn)的自組裝聚集。隨著pH從2.0增加到13.0，碳點(diǎn)的最佳發(fā)射和激發(fā)峰都發(fā)生了紅移。他們認(rèn)為,在酸性條件下，碳點(diǎn)迅速聚集成較大的顆粒，表面的含氧官能團(tuán)緩慢氧化，導(dǎo)致光致發(fā)光強(qiáng)度降低。而在堿性條件下，碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)互變異構(gòu)迅速發(fā)生，類似于作為碳點(diǎn)核心的酚羥基和醌殘基之間的異構(gòu)化，可以被視為一個(gè)大的共軛體系，由于氫化/脫氧過(guò)程發(fā)生得很慢而導(dǎo)致光致發(fā)光強(qiáng)度降低[55]。Sun等以苯二胺為碳源通過(guò)微波法合成了發(fā)紅光的碳點(diǎn)，并系統(tǒng)地測(cè)量了該碳點(diǎn)在4.0～11.0的不同pH下的zeta電位。研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH從5.0增加到11.0，碳點(diǎn)的zeta電位從17 mV明顯下降到-12 mV。同時(shí)結(jié)合透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)隨著pH的降低出現(xiàn)了碳點(diǎn)的聚集。結(jié)合透射電鏡、zeta電位和碳點(diǎn)在較低pH下熒光猝滅的結(jié)果，可以得出在酸性條件下，較低的zeta電位意味著更少的碳點(diǎn)聚集，這可歸因于碳點(diǎn)表面羧基和羥基的去質(zhì)子化和減少的非共價(jià)分子相互作用[51]。最近，Atailson等研究也發(fā)現(xiàn)，碳點(diǎn)表面的zeta電位降低會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)之間的斥力降低，從而增加了團(tuán)聚的趨勢(shì)[56]。因此，我們認(rèn)為pH的改變會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和碳點(diǎn)之間表面官能團(tuán)的相互作用發(fā)生改變，宏觀上表現(xiàn)為碳點(diǎn)表面的zeta電位發(fā)生改變，而zeta電位值的變化可能會(huì)影響在質(zhì)子化或去質(zhì)子化條件下碳點(diǎn)的自組裝聚集程度。

圖3 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制——碳點(diǎn)聚集

2.3 質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移

pH值變化導(dǎo)致碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的質(zhì)子化或去質(zhì)子化也會(huì)引起官能團(tuán)和碳點(diǎn)發(fā)射位點(diǎn)之間的質(zhì)子轉(zhuǎn)移，從而影響碳點(diǎn)的光致發(fā)光。如圖4所示，碳點(diǎn)表面官能團(tuán)去質(zhì)子化后留下的O-通過(guò)共價(jià)鍵相連在碳點(diǎn)表面，碳點(diǎn)通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移改變其自身的表面態(tài)，從而對(duì)其自身光學(xué)性能產(chǎn)生影響，中間插圖為激發(fā)態(tài)電子向碳點(diǎn)表面正電荷發(fā)射的簡(jiǎn)單示意圖。Qian等采用溶劑熱法處理四氯化碳和乙二胺合成了非晶態(tài)氮摻雜碳點(diǎn)。結(jié)果表明，在pH為5.0～13.5的范圍內(nèi)，在最佳激發(fā)條件下碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度與pH值成反比。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH的降低碳點(diǎn)的吡啶氮原子逐漸被質(zhì)子化，質(zhì)子可能從質(zhì)子化的氮原子轉(zhuǎn)移到共軛碳結(jié)構(gòu)從而增強(qiáng)了碳點(diǎn)的熒光[65]。Lv等以對(duì)苯二胺為前驅(qū)體，在酸性溶液中水熱反應(yīng)10 h，制備出一種具有強(qiáng)橙光發(fā)射、pH和過(guò)氧化氫雙重響應(yīng)的碳點(diǎn)。在酸性條件下，隨著pH值降低，在430 nm的激發(fā)光下，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度急劇降低，這可歸因于碳點(diǎn)表面的氨基質(zhì)子化增加了—NH3+和碳點(diǎn)之間的分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移能力[57]。Wang等以間苯二胺為碳源，在濃H2SO4存在下采用溶劑熱法合成了熒光量子產(chǎn)率為36% 的碳點(diǎn)。在450 nm的激發(fā)光下，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度在pH為3.0～12.0范圍內(nèi)逐漸降低，并在6.0～10.0范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系。深入研究發(fā)現(xiàn)，隨著pH增加，碳點(diǎn)熒光猝滅的機(jī)制可歸因于氨基中的孤對(duì)電子向碳點(diǎn)的正電荷發(fā)射。在高pH值下，碳點(diǎn)的激發(fā)態(tài)電子可以從最高占據(jù)分子軌道(HOMO)躍遷到最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)，然后氨基的基態(tài)電子由于其HOMO能級(jí)高于碳點(diǎn)而轉(zhuǎn)移到碳點(diǎn)的HOMO能級(jí)，導(dǎo)致明顯的熒光猝滅。相比之下，當(dāng)質(zhì)子化發(fā)生時(shí)，孤對(duì)氨基不可用于電荷轉(zhuǎn)移，碳點(diǎn)的LUMO能級(jí)中的受激電子直接回到碳點(diǎn)的HOMO能級(jí)，從而使其熒光強(qiáng)度得以恢復(fù)[58]。此外，Liu等首次揭示了pH響應(yīng)型碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度與其特定表面結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系。他們認(rèn)為羧基通過(guò)激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移影響碳點(diǎn)的非輻射與輻射復(fù)合之比，從而導(dǎo)致其熒光強(qiáng)度的變化。與此同時(shí)，α-H在β-二羰基烯醇化物中的解離增加了碳點(diǎn)共軛體系的離域程度，導(dǎo)致熒光紅移且強(qiáng)度降低。因此，碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度可通過(guò)改變羧基和β-二羰基之比進(jìn)行切換，從而獲得較理想的pH響應(yīng)。這項(xiàng)工作有助于更好地理解碳點(diǎn)pH響應(yīng)的熒光機(jī)制，為可控調(diào)節(jié)其pH響應(yīng)提供了一種有效的策略，并進(jìn)一步促進(jìn)了基于碳點(diǎn)的pH傳感器的合理設(shè)計(jì)[59]。以上結(jié)果表明，在質(zhì)子化和去質(zhì)子化作用下，碳點(diǎn)表面的質(zhì)子可能被轉(zhuǎn)移到帶負(fù)電荷的基團(tuán)上，并且在適當(dāng)波長(zhǎng)的光照射下，吸收能量躍遷到激發(fā)態(tài)的電子可能會(huì)向碳點(diǎn)表面的正電荷發(fā)射。無(wú)論是質(zhì)子亦或是電荷的轉(zhuǎn)移，都改變了碳點(diǎn)的表面態(tài)，因此可以認(rèn)為質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移改變了pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的光學(xué)性能。

圖4 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制——質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移

pH響應(yīng)型碳點(diǎn)作為碳點(diǎn)家族的重要成員之一，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)熒光機(jī)制的研究可以幫助我們更好地對(duì)其進(jìn)行可控制備和性能調(diào)控。本文結(jié)合大量的文獻(xiàn)研究，將pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制總結(jié)為碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化改變了碳點(diǎn)的表面態(tài)，導(dǎo)致碳點(diǎn)的碳核和表面官能團(tuán)之間的相互作用發(fā)生改變，或者影響了碳點(diǎn)之間的相互作用，從而可能表現(xiàn)為碳點(diǎn)自身能級(jí)變化、自組裝聚集或表面質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移等熒光機(jī)制。除上述這些機(jī)制外，有可能存在諸如碳點(diǎn)能級(jí)變化和碳點(diǎn)聚集、碳點(diǎn)能級(jí)變化和質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移、碳點(diǎn)聚集和質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移以及碳點(diǎn)能級(jí)變化、碳點(diǎn)聚集和質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移的協(xié)同機(jī)制。在這些機(jī)制的協(xié)同作用下，宏觀上表現(xiàn)為碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度或者發(fā)射波長(zhǎng)發(fā)生改變。有關(guān)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的這些熒光機(jī)制，還需要在實(shí)驗(yàn)上做進(jìn)一步的探討。

3 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

pH響應(yīng)型碳點(diǎn)因其優(yōu)異的生物相容性和低毒性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

目前主要應(yīng)用于pH傳感、生物成像和癌癥治療等領(lǐng)域，如圖5和表2所示。

圖5 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

表2 pH響應(yīng)型碳點(diǎn)及其復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用

注：PgP：聚乙二醇-g-(甲酰苯甲酸/半胱胺/溴乙胺)-共軛聚(二甲氨基乙基丙烯酸-甲基丙烯酸共羥乙基酯)；CDs-Pt(Ⅳ)-PEG：碳點(diǎn)-順鉑(Ⅳ)-聚乙二醇藥物遞送系統(tǒng)；CA-CDs：碳點(diǎn)與海藻酸鈣復(fù)合的水凝膠薄膜；MSNs-SS-CDP-AA：碳點(diǎn)通過(guò)二硫鍵連接到介孔二氧化硅納米顆粒(MSN)表面組成的智能納米載體；SCDs-MT：超碳點(diǎn)與線粒體靶向肽復(fù)合物；Ce6@IDCDs：chlorin e6與具有光敏性和pH響應(yīng)性碳點(diǎn)的復(fù)合物。

3.1 pH傳感

pH熒光探針一直都是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域重要的細(xì)胞或生物體內(nèi)pH的檢測(cè)手段，近年來(lái)，將碳點(diǎn)作為熒光探針應(yīng)用于pH傳感也受到了研究人員的廣泛關(guān)注。Gao等以對(duì)苯二胺和硫脲為碳源制備了具有溶酶體靶向功能的碳點(diǎn)熒光探針。在360 nm激發(fā)下，所制備的碳點(diǎn)在4.0～8.0的pH范圍內(nèi)熒光強(qiáng)度逐漸減弱，且在4.0～7.4的pH范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，該碳點(diǎn)有望成為一種優(yōu)良的pH熒光探針[66]。Liu等以鄰苯二胺為前驅(qū)體，通過(guò)二次碳化制備了具有良好水分散性的碳點(diǎn)，該碳點(diǎn)表現(xiàn)出明顯的pH依賴性。在450 nm激發(fā)下，隨著pH從3.92增加到7.0，碳點(diǎn)(Scy-CDs)熒光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，如圖6(a)所示。圖6(b)為在4.0～7.0 的pH下碳點(diǎn)熒光強(qiáng)度的線性擬合。碳點(diǎn)的pKa值為5.30，而這恰好與正常溶酶體pH值范圍一致。此外，在較低的酸性條件下，碳點(diǎn)的熒光發(fā)生猝滅后，加入半胱氨酸(Cys)或同型半胱氨酸(Hcy)熒光會(huì)完全恢復(fù)，表現(xiàn)出靈敏的“開-關(guān)-開”的熒光現(xiàn)象，該傳感器可用于細(xì)胞內(nèi)溶酶體的pH檢測(cè)[67]。Yang等以木質(zhì)素為碳源、氫氧化鎂和乙二胺分別為摻雜劑和鈍化劑，一步水熱法成功制備了鎂氮共摻雜碳量子點(diǎn)(Mg，N-CQDs)。制備的Mg，N-CQDs在紫外燈照射下發(fā)射綠色熒光，熒光量子產(chǎn)率高達(dá)46.38%。在405 nm激發(fā)下，當(dāng)碳點(diǎn)溶液的pH從12.0～5.4變化時(shí)，Mg，N-CQDs的熒光顏色從藍(lán)色變?yōu)榫G色, 進(jìn)一步將pH值從5.4降低到2.2時(shí)，其溶液的熒光顏色又從綠色變?yōu)辄S色。隨著pH值從12.0降低到2.2，Mg，N-CQDs的最大吸收峰從400 nm移動(dòng)到480 nm。同時(shí)，Mg，N-CQDs的熒光強(qiáng)度隨著pH從7.0降低到2.2而逐漸降低。這種現(xiàn)象可能是由于Mg，N-CQDs邊緣的金屬配體在酸性條件下發(fā)生改變，這種改變使其能夠在細(xì)胞內(nèi)pH檢測(cè)中更好地發(fā)揮作用[80]。Li等設(shè)計(jì)了一種基于聚集誘導(dǎo)發(fā)射選擇性檢測(cè)四環(huán)素(TCs)和pH的新型熒光探針。作者以中性紅和硫脲為原料，采用一鍋水熱法合成了具有紅色熒光、低細(xì)胞毒性和優(yōu)異光穩(wěn)定性的碳點(diǎn)。制備的碳點(diǎn)對(duì)pH表現(xiàn)出良好的傳感能力，在3.0～5.0的pH范圍內(nèi)，碳點(diǎn)的光致發(fā)光強(qiáng)度略有變化。隨著pH從5.0增加到9.0，光致發(fā)光強(qiáng)度急劇下降, 同時(shí)溶液的顏色從粉紅色變?yōu)辄S色。該pH響應(yīng)型碳點(diǎn)表現(xiàn)出令人滿意的可逆性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及對(duì)氫離子濃度的特異性。碳點(diǎn)的這些性質(zhì)有利于雙模pH傳感的實(shí)現(xiàn)和細(xì)胞內(nèi)pH的檢測(cè)[68]。此外，Safavi，Guo，Chang以及Zhang等課題組也分別在pH傳感領(lǐng)域做了相關(guān)的研究工作，并取得了一些很有意義的研究成果[50,69-71,81-82]。

圖6 (a)在450 nm 激發(fā)下，Scy-CDs(0.04 mg·mL-1)在水中的發(fā)射光譜(pH從7.0降低到3.92)；(b)在556 nm 處的發(fā)射下，Scy-CDs 的pH依賴性熒光強(qiáng)度變化[67]。

比率熒光探針能夠有效地消除外界環(huán)境的干擾，因此可準(zhǔn)確測(cè)量細(xì)胞及細(xì)胞器內(nèi)的pH，目前已有一些基于碳點(diǎn)的比率型pH熒光探針的報(bào)道。例如，Wang等報(bào)道了一種使用3-氨基苯基硼酸(3-APBA)作為唯一前驅(qū)體，通過(guò)一步溶劑熱法合成氮和硼共摻雜的碳點(diǎn)。碳點(diǎn)在單個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)下顯示出兩個(gè)發(fā)射峰，并且這兩個(gè)發(fā)射峰以相反的趨勢(shì)響應(yīng)pH值的變化，因此作者將碳點(diǎn)作為比率式pH熒光探針應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)pH的檢測(cè)[83]。Xu等以苯二胺和殼聚糖為前驅(qū)體，采用水熱法合成了碳點(diǎn)。在380 nm的單波長(zhǎng)激發(fā)下，在439 nm和550 nm處顯示出雙發(fā)射峰。并且隨著pH值的增加，碳點(diǎn)在439 nm處的熒光強(qiáng)度略有下降，而在550 nm處的熒光強(qiáng)度明顯增加，兩個(gè)發(fā)射峰表現(xiàn)為相反的變化趨勢(shì)。研究表明，該碳點(diǎn)具有出色的pH敏感性和抗干擾能力，可以用做比率熒光探針來(lái)測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)溶酶體的pH值，同時(shí)還可進(jìn)行細(xì)胞成像[72]。

3.2 生物成像

pH響應(yīng)型碳點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于生物成像，它可以作為熒光標(biāo)記物，在改變pH的情況下表現(xiàn)為熒光強(qiáng)度的變化或者熒光顏色的改變，并以此來(lái)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞的生理狀況。Kong等報(bào)道了一種基于碳點(diǎn)的無(wú)機(jī)-有機(jī)熒光探針的設(shè)計(jì)和合成。這是基于碳點(diǎn)的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化納米系統(tǒng)對(duì)活細(xì)胞和組織中的pH進(jìn)行雙光子熒光成像和生物傳感的首次報(bào)道[84]。Shi等制備了可以應(yīng)用于人宮頸癌(HeLa)細(xì)胞共聚焦熒光成像的碳點(diǎn)，并研究了硼摻雜碳點(diǎn)的pH依賴性熒光成像。硼摻雜碳點(diǎn)(0.6 mg/mL)和HeLa細(xì)胞在37 ℃下孵育0.5 h，然后分別在3種不同的磷酸鹽緩沖液(pH=3.5，7.4，10.0)中孵育。研究發(fā)現(xiàn)，在pH 為10.0的磷酸鹽緩沖液中，硼摻雜碳點(diǎn)染色的HeLa細(xì)胞顯示出強(qiáng)藍(lán)色熒光，且熒光亮度隨著pH降低而明顯降低[55]。Shen等制備了量子產(chǎn)率高達(dá)68% 的碳點(diǎn)，當(dāng)pH從1.0提高到13.0時(shí)，碳點(diǎn)水溶液迅速由透明/無(wú)色變?yōu)辄S綠色，且無(wú)聚集和沉淀。相反，當(dāng)將碳點(diǎn)溶液調(diào)節(jié)到酸性條件時(shí)，該溶液顏色又變成透明/無(wú)色。基于碳點(diǎn)的低細(xì)胞毒性和優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，已將其成功應(yīng)用于細(xì)胞成像。在405 nm激發(fā)下，可以從HeLa細(xì)胞觀察到碳點(diǎn)樣品的藍(lán)色發(fā)射[85]。Choi等利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)機(jī)理構(gòu)建了pH/氧化還原活化熒光碳點(diǎn)(FNP)，該碳點(diǎn)可通過(guò)熒光“開-關(guān)”監(jiān)測(cè)癌細(xì)胞的消除。當(dāng)谷胱甘肽(GSH)的二硫鍵被還原、苯甲酸亞胺在酸性條件下被裂解時(shí)，F(xiàn)NP(IR825)在腫瘤細(xì)胞中的內(nèi)化產(chǎn)生了生物成像能力。為了研究FNP(IR825)對(duì)谷胱甘肽水平和酸性條件的信號(hào)效應(yīng)，Choi等使用激光共聚焦顯微鏡在不同細(xì)胞系中進(jìn)行了觀察。研究發(fā)現(xiàn)，在MDCK細(xì)胞中沒(méi)有觀察到熒光，在MDA-MB-231細(xì)胞中猝滅效應(yīng)僅在酸處理時(shí)喪失，而在處理過(guò)的MDA-MB-231細(xì)胞中添加谷胱甘肽和酸證實(shí)了IR825的完全釋放。同時(shí)Choi等還發(fā)現(xiàn)，他們的智能納米載體可以在近紅外激光照射下殺死小鼠體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞。如圖7所示，用FNP(IR825)和近紅外光譜處理的MDA-MB-231細(xì)胞出現(xiàn)死亡細(xì)胞數(shù)量增加(紅色)的變化，而在近紅外光譜處理的MDCK細(xì)胞中沒(méi)有觀察到顯著變化(綠色)。因此，這個(gè)可調(diào)系統(tǒng)可用于評(píng)估基于FNP顏色變化的給藥系統(tǒng)的效率，該系統(tǒng)依賴于細(xì)胞環(huán)境，同時(shí)用于光熱治療引導(dǎo)的生物成像以跟蹤治療進(jìn)度[73]。Gao等制備了具有溶酶體靶向功能的pH響應(yīng)型碳點(diǎn)。該碳點(diǎn)可以被細(xì)胞吸收然后進(jìn)入溶酶體中，并應(yīng)用于體外和體內(nèi)pH變化的監(jiān)測(cè)。脂多糖(LPS)可以模擬細(xì)胞內(nèi)炎癥，作者通過(guò)對(duì)昆明小鼠背部的3個(gè)不同位置皮下注射LPS、LPS+CDs、磷酸鹽緩沖液(PBS)+CDs，進(jìn)一步探索了CDs在LPS誘導(dǎo)的炎癥模型中可視化pH變化的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CDs可以作為跟蹤體內(nèi)pH變化的熒光探針應(yīng)用于生物成像中[66]。到目前為止，pH響應(yīng)型碳點(diǎn)作為熒光探針已被廣泛應(yīng)用于體內(nèi)或體外生物成像，對(duì)活細(xì)胞、細(xì)胞器以及體內(nèi)炎癥的監(jiān)測(cè)具有重要的生物學(xué)意義。目前，現(xiàn)有的文獻(xiàn)中很少有單獨(dú)使用碳點(diǎn)作為細(xì)胞器或組織中pH監(jiān)測(cè)的熒光探針，因此需要我們進(jìn)一步開發(fā)具有靶向性的pH響應(yīng)型碳點(diǎn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)pH進(jìn)行更加精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)。

圖7 在pH為7.4和6.8時(shí)，分別在MDCK正常細(xì)胞和MDA-MB-231癌細(xì)胞中使用pH/氧化還原活化熒光碳點(diǎn)得到的細(xì)胞成像圖[73]。

3.3 癌癥治療

3.3.1 藥物遞送

研究表明，碳點(diǎn)在藥物遞送的應(yīng)用中可以作為納米載體或納米載體的封端劑，同時(shí)還可以增加載體的載藥量。Zhang等研究了一種基于pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的pH和氧化還原雙重響應(yīng)的CDs-Pt(Ⅳ)-PEG給藥系統(tǒng)，如圖8所示。作者以檸檬酸和氨水為碳源，采用一步水熱法合成碳點(diǎn)，順鉑(Ⅳ)作為藥物前體，醛官能化的單甲氧基聚乙二醇(mPEG-CHO)與碳點(diǎn)-順鉑(Ⅳ)共軛形成對(duì)pH響應(yīng)的苯甲酸亞胺鍵，CDs-Pt(Ⅳ)-PEG藥物遞送系統(tǒng)對(duì)癌細(xì)胞的細(xì)胞毒性與順鉑相當(dāng)，而對(duì)正常細(xì)胞的副作用顯著降低。此外，該系統(tǒng)通過(guò)高對(duì)比度熒光成像實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞的識(shí)別。這種基于碳點(diǎn)的給藥系統(tǒng)可以提高藥物的利用效率，減少正常生理?xiàng)l件下的副作用。在癌細(xì)胞MGC-803中用CDs-Pt(Ⅳ)-PEG體系分別在7.4和6.8的pH下處理發(fā)現(xiàn)，CDs-Pt(Ⅳ)-PEG體系在pH為 6.8的條件下比pH 為7.4時(shí)具有更明顯的抑制作用[74]。此外，F(xiàn)eng的團(tuán)隊(duì)也做了類似的研究工作，并得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[86]。隨后Wang等通過(guò)將非線性聚乙二醇、殼聚糖和石墨碳點(diǎn)整合到單個(gè)納米粒子中，設(shè)計(jì)了一類生物相容性聚乙二醇-殼聚糖@碳點(diǎn)雜化納米凝膠，用于雙光子熒光(TPF)生物成像和近紅外光雙響應(yīng)藥物釋放以及協(xié)同治療。碳點(diǎn)的復(fù)合增強(qiáng)了雜化納米凝膠對(duì)疏水性抗癌藥物的負(fù)載能力，殼聚糖可以誘導(dǎo)雜化納米凝膠對(duì)pH敏感的溶脹/解溶脹，從而在pH為5.0～7.4的重要生理范圍內(nèi)調(diào)節(jié)藥物的釋放，并對(duì)包埋的pH響應(yīng)型碳點(diǎn)進(jìn)行表面調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)熒光pH傳感，具有熱敏性的非線性聚乙二醇可以通過(guò)嵌入的碳點(diǎn)在近紅外輻射下產(chǎn)生的局部熱來(lái)促進(jìn)藥物釋放。體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雜化納米凝膠通過(guò)化學(xué)-光熱聯(lián)合治療的協(xié)同效應(yīng)表現(xiàn)出了很高的治療效果[87]。Sarkar等以蘆薈葉凝膠為碳源制備了pH響應(yīng)型碳點(diǎn)，并設(shè)計(jì)制備了海藻酸鈣(CA)水凝膠膜，旨在控制抗生素萬(wàn)古霉素在胃腸道(GI)中的遞送。與CDs相比，CA/CDs膜的載藥量從38%提高到89%。此外，加入β-環(huán)糊精后萬(wàn)古霉素的吸收能力提高了96%。萬(wàn)古霉素通過(guò)CA/CDs膜的釋放在pH 1.5時(shí)更明顯，這接近胃的pH值，并且發(fā)現(xiàn)在pH 1.5和β-環(huán)糊精共存時(shí)萬(wàn)古霉素的釋放速率降低，在120 h內(nèi)達(dá)到56%。CA/CDs水凝膠膜在pH 1.5和β-環(huán)糊精共存時(shí)的高藥物吸收能力和較低的釋放速率可作為萬(wàn)古霉素胃區(qū)控釋的給藥載體，為口服萬(wàn)古霉素提供一種潛在的選擇[75]。Jiao等通過(guò)二硫鍵將pH響應(yīng)型熒光碳點(diǎn)引入到介孔二氧化硅納米粒子表面，研制了一種智能納米載體用于氧化還原響應(yīng)的藥物控釋和體內(nèi)生物成像。使用多柔比星(DOX)作為模型藥物以評(píng)估氧化還原反應(yīng)的體外藥物釋放，結(jié)果表明，所制備的MSNs-SS-CDPAA/DOX在pH 7.4和pH 5.0的磷酸鹽緩沖液中顯示出高度氧化還原響應(yīng)的藥物釋放，并具有實(shí)時(shí)成像能力以監(jiān)測(cè)癌癥治療過(guò)程中的細(xì)胞行為[76]。以上結(jié)果表明，pH響應(yīng)型碳點(diǎn)可以作為納米載體或納米載體的封端劑在藥物遞送中發(fā)揮重要作用。

圖8 CDs-Pt(Ⅳ)-PEG納米給藥系統(tǒng)示意圖[74]

3.3.2 光熱治療/光動(dòng)力治療

光熱治療(PTT)是利用光敏劑在激光照射條件下產(chǎn)生熱療、有效殺死癌細(xì)胞并抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的一種新興癌癥治療方法。碳點(diǎn)由于其優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能，已有研究將其作為PTT試劑。Zhang等以檸檬酸和雙氰胺為前驅(qū)體，采用水熱法制備了一種具有pH響應(yīng)特性的智能碳納米點(diǎn)，用于癌細(xì)胞的選擇性光熱治療。在中性條件下，該碳納米點(diǎn)在紅外區(qū)域附近沒(méi)有吸收，而在弱酸性條件下，碳點(diǎn)發(fā)生聚集并在近紅外區(qū)域附近表現(xiàn)出明顯的吸收，因此可以將其應(yīng)用于腫瘤的光熱治療。實(shí)驗(yàn)表明，碳納米點(diǎn)能夠在溶酶體中選擇性內(nèi)化，智能碳納米點(diǎn)在癌細(xì)胞的溶酶體中內(nèi)化后，癌細(xì)胞中較低的pH環(huán)境導(dǎo)致智能碳納米點(diǎn)更嚴(yán)重的聚集狀態(tài)，與未內(nèi)化智能碳納米點(diǎn)的癌細(xì)胞相比，內(nèi)化了智能碳納米點(diǎn)的癌細(xì)胞可以通過(guò)更大的光收集效應(yīng)來(lái)提高PTT效應(yīng)[77]。類似地，Shen等也以檸檬酸和雙氰胺為前驅(qū)體，采用水熱法并通過(guò)在酸性環(huán)境下自組裝制備了小尺寸pH響應(yīng)型碳點(diǎn)(約5 nm)，調(diào)節(jié)碳點(diǎn)的pH值構(gòu)建了具有高可見和近紅外光吸收的新型SCD，所制備的SCD具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和良好的生物相容性。進(jìn)一步通過(guò)在SCD表面修飾線粒體和癌細(xì)胞靶向肽，以獲得對(duì)癌細(xì)胞選擇性、線粒體靶向的PTT敏感劑。結(jié)果表明，靶向SCD通過(guò)近紅外光熱療法精準(zhǔn)損傷癌細(xì)胞，癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的存活率差異高達(dá)70%，表明該方法具有高特異性選擇[78]。

光動(dòng)力治療(PDT)是指在適當(dāng)?shù)墓庠凑丈湎?，光敏劑產(chǎn)生的活性氧(ROS) 具有非常強(qiáng)的細(xì)胞毒性,可以殺滅癌細(xì)胞。Kim等以檸檬酸和1-(3-氨基丙基)咪唑(API)為碳源，通過(guò)微波和透析兩步法合成了負(fù)載chlorine6(Ce6)的咪唑化pH響應(yīng)型碳點(diǎn)(Ce6@IDCDs)。在pH為6.5的條件下，發(fā)現(xiàn)Ce6@IDCDs復(fù)合體系被破壞，這說(shuō)明在該pH值時(shí)脫質(zhì)子化咪唑的質(zhì)子化導(dǎo)致Ce6@IDCDs解體。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，在腫瘤pH環(huán)境下，表面咪唑質(zhì)子化導(dǎo)致封裝在IDCD中的Ce6泄漏，從而產(chǎn)生更多單線態(tài)氧，與pH值為7.4的Ce6@IDCDs相比增加了2.15倍，并且在激光照射下成功地在腫瘤組織中引發(fā)了PDT效應(yīng)。因此，Ce6@IDCDs激光照射很可能成為基于PDT的多種腫瘤免疫治療的強(qiáng)大治療平臺(tái)[79]。

綜上所述，pH響應(yīng)型碳點(diǎn)不僅在監(jiān)測(cè)活細(xì)胞和生物體內(nèi)的pH變化方面具有很好的應(yīng)用前景，而且在癌癥治療方面作為藥物載體或者光敏劑也發(fā)揮著重要的作用。這些報(bào)道為我們進(jìn)一步開發(fā)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在生物醫(yī)學(xué)中的重要應(yīng)用指明了方向。

4 總結(jié)與展望

碳點(diǎn)以其獨(dú)特的熒光特性、低毒性以及良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。本文對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制(以質(zhì)子化和去質(zhì)子化為核心機(jī)制，具體表現(xiàn)為能級(jí)變化、碳點(diǎn)聚集以及質(zhì)子/電荷轉(zhuǎn)移等機(jī)制)及其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用(pH傳感、生物成像以及癌癥治療等)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。雖然有關(guān)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的研究報(bào)道很多，但無(wú)論是熒光機(jī)制，還是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，都有待于進(jìn)一步探索。簡(jiǎn)述如下:

(1)到目前為止，pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的熒光機(jī)制仍然存在爭(zhēng)議，有待進(jìn)一步深入研究。諸如將揭示pH響應(yīng)型碳點(diǎn)熒光機(jī)制的宏觀光學(xué)性質(zhì)和微觀表征有機(jī)結(jié)合起來(lái)，或者利用第一性原理計(jì)算不同pH響應(yīng)型碳點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能級(jí)寬度等來(lái)進(jìn)一步探究其熒光機(jī)制。同時(shí)，在pH響應(yīng)型碳點(diǎn)現(xiàn)有的熒光機(jī)制基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論研究進(jìn)一步挖掘新的機(jī)制。

(2)碳點(diǎn)的表面官能團(tuán)往往影響著碳點(diǎn)的熒光性能，因此我們有必要設(shè)計(jì)一種能夠定量調(diào)控碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的實(shí)驗(yàn)來(lái)更好地研究碳點(diǎn)對(duì)pH響應(yīng)的機(jī)理。深入探討pH響應(yīng)型碳點(diǎn)表面官能團(tuán)和熒光機(jī)制之間的關(guān)系，為發(fā)展和設(shè)計(jì)可利用的pH熒光探針提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論支撐。

(3)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在pH傳感、生物成像以及癌癥治療方面的研究已有很多，然而對(duì)將其應(yīng)用于光熱治療、光動(dòng)力治療以及光熱和光動(dòng)力協(xié)同治療的研究很少，需要對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在光熱/光動(dòng)力治療方面的研究工作做深入的探索。

(4)目前對(duì)于由綠色環(huán)保的生物質(zhì)碳源為前體來(lái)合成pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的報(bào)道較少，應(yīng)該充分發(fā)揮生物質(zhì)碳點(diǎn)先天無(wú)毒性及其藥食同源的優(yōu)勢(shì)，積極探索pH響應(yīng)型生物質(zhì)碳點(diǎn)基多功能熒光探針，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大放光彩。

(5)拓寬pH響應(yīng)型碳點(diǎn)的應(yīng)用范圍，目前其多應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上的生物成像和癌癥治療方面，應(yīng)當(dāng)積極發(fā)展對(duì)pH響應(yīng)型碳點(diǎn)在抗菌材料、傷口愈合以及促進(jìn)成骨等其他領(lǐng)域的應(yīng)用。

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