MXenes量子點(diǎn)的制備及其生物應(yīng)用

江吉周，王佳眉，吳 晶，李方軼，鄒逸倫，鄒 菁

(1.武漢工程大學(xué)環(huán)境生態(tài)與生物工程學(xué)院/化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院/分析測(cè)試中心， 武漢 430205；2.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心，自然資源部稀土稀有稀散礦產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430034)

量子點(diǎn) (quantum dots，QDs)，是一種粒徑通常分布在幾納米的零維材料[1].量子點(diǎn)的直徑達(dá)到了納米數(shù)量級(jí)，表面積得到增加，引起了一系列特殊的量子效應(yīng)，從而導(dǎo)致性能發(fā)生獨(dú)特變化[2-3].常見的早期傳統(tǒng)量子點(diǎn)如CdSe QDs、PbSe QDs、Ag2S QDs、ZnSe QDs等[4-5]，由于具有毒性大、生物相容性低的特點(diǎn)，會(huì)對(duì)生物以及環(huán)境產(chǎn)生危害，因此量子點(diǎn)的應(yīng)用受到了限制，研究難以繼續(xù)進(jìn)行.隨著科技的進(jìn)步，C、Si等無機(jī)元素量子點(diǎn)[6-7]，以及g-C3N4QDs[8]、石墨烯 QDs[9]和MXenes QDs[10-11]等納米材料量子點(diǎn)的相繼出現(xiàn)，彌補(bǔ)了早期量子點(diǎn)的大量缺陷，為量子點(diǎn)的發(fā)展開辟了更光明的道路.

MXenes由Barsoum和Gogotsi團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)[12]，它由MAX剝離掉A相刻蝕而來[13].其通式為Mn+1XnTx(n=1～3)，其中M為早期過渡金屬，例如鈦、鉬、銣等；而X是碳或氮元素；T為表面終止基團(tuán)，如—OH、—O和—F[14-16]，這些表面終止基團(tuán)賦予MXenes良好的親水性 (圖S1 (a)).第一例MXenes QDs的成功合成是Xue等[17]通過水熱法將Ti3C2的尺寸大幅度減小，把它制備成量子點(diǎn) (圖S1(b～d)).除了二維材料的固有優(yōu)勢(shì)，尺寸效應(yīng)和表面缺陷給MXenes QDs帶來了更多的優(yōu)點(diǎn)，如熒光特性和令人滿意的生物相容性，這使MXenes QDs在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用得到了大范圍的擴(kuò)展[18].

迄今為止，基于多種不同的合成方式已經(jīng)制造出許多品質(zhì)良好的MXenes QDs，其性能高度增強(qiáng)，并能投入到多種應(yīng)用中.MXenes QDs作為優(yōu)秀的零維納米材料，在生物與醫(yī)藥方面有著廣泛的應(yīng)用前景，如：免疫調(diào)節(jié)、腫瘤治療、生物傳感以及生物體內(nèi)成像[19-21].目前關(guān)于MXenes QDs的綜述并沒有太多，但是MXenes QDs的研究非常重要且一直在向前推進(jìn)，因此有必要撰寫一篇綜述論文，對(duì)MXenes QDs的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié).該文對(duì)MXenes QDs的六種不同的合成方法以及在免疫調(diào)節(jié)、腫瘤治療、生物傳感和生物成像的應(yīng)用進(jìn)行了論述，總結(jié)了MXenes QDs近年來的最新研究進(jìn)展，并對(duì)MXenes QDs合成方式以及毒性研究的發(fā)展前景提出一些新的獨(dú)到見解.這篇綜述將有助于更全面、詳細(xì)、深入的理解MXenes QDs的合成方法以及生物應(yīng)用，促進(jìn)MXenes QDs的合成技術(shù)和生物應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展.

1 MXenes QDs的合成方法

MXenes QDs的合成可以分為自上而下 (Top-down) 和自下而上 (Bottom-up)兩種合成方式 (圖1)[22-24].自上而下的合成方法通常采用塊狀或二維的材料作為前驅(qū)體，裂解來得到量子點(diǎn).自上而下合成法中的水熱/溶劑熱法、超聲法、球磨法以及微爆法都是如此，先將塊狀MAX刻蝕掉A層，制備出片狀MXenes，然后將片狀MXenes轉(zhuǎn)化為量子點(diǎn)形式.自下而上制備的原理是用分子或原子材料作為前驅(qū)體，將M相原子與X相原子組合為分子，最后結(jié)合得到MXenes QDs[23，25]，如熱解法和熔融鹽合成法.自上而下合成法是目前制備MXenes QDs最常見的方法，絕大多數(shù)MXenes QDs的合成都是通過一種或幾種自上而下合成方式的結(jié)合制備出來的.雖然自下而上合成法具有原子利用率高、形貌和尺寸可控性好等優(yōu)勢(shì)，但由于現(xiàn)階段對(duì)于自下而上合成法的相關(guān)研究并不充分，相關(guān)報(bào)道鮮見，因此自下而上合成MXenes QDs的方法值得更加關(guān)注.

圖1 MXenes QDs的合成 (自上而下合成法和自下而上合成法)Fig.1 Synthesis of MXenes QDs (Top-down and Bottom-up methods)

1.1 MXenes QDs自上而下的制備方法

1.1.1 水熱/溶劑熱合成法制備MXenes QDs 水熱法制備MXenes QDs的方法由Xue等[17]率先使用.其制備方式是使用層狀Ti3C2，然后通過改變水熱反應(yīng)溫度 (100～150 ℃) 來得到不同形貌的膠體狀Ti3C2QDs (圖S2(a～b)).水熱法制備的大多數(shù)Ti3C2QDs為單層，在氨水的調(diào)節(jié)下，水熱環(huán)境可以鈍化Ti3C2QDs的表面，從而Ti3C2QDs的熒光特性得到增強(qiáng).Xu等[26]通過水熱法合成了摻雜硫元素和氮元素的Nb2C QDs，該方法得到的Nb2C QDs高度剝離且分散性良好，加入Cu2+后發(fā)光迅速淬滅.在不產(chǎn)生生物毒性的濃度下，Nb2C QDs可大規(guī)模應(yīng)用在Cu2+的特異性檢測(cè)和生物成像過程中.后來Kong等[27]又對(duì)水熱法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，通過一步水熱合成MXenes QDs的方式制備得到了TiCN QDs.一步水熱法得到的TiCN QDs的平均直徑約為2.7±0.2 nm，厚度為3.2±0.3 nm.得到的TiCN QDs可以作為一種選擇性熒光探針檢測(cè)Fe3+離子，這證明了該方法對(duì)自來水中Fe3+檢測(cè)中的適用性.該方法操作簡(jiǎn)便，得到的MXenes QDs選擇性好，準(zhǔn)確度高，重現(xiàn)性強(qiáng)，但在縮短反應(yīng)時(shí)間方面仍有較大的發(fā)展空間，值得重視并進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行研究.

溶劑熱法通常利用乙醇，二甲基甲酰胺 (DMF) 和二甲基亞砜 (DMSO) 等有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)，對(duì)MXenes進(jìn)行加熱來得到MXenes QDs.Xu等[28]采用溶劑熱法，以Ti3C2為前驅(qū)體，在乙醇、DMF和DMSO中分別制備了e-Ti3C2QDs，f-Ti3C2QDs和s-Ti3C2QDs，它們的平均直徑分別為2.5±0.2、3.3±0.2和1.8±0.1 nm.得到的Ti3C2QDs多為單層，且厚度在1.0～2.5 nm范圍內(nèi).該方法得到的量子點(diǎn)尺寸與溶劑有顯著的依賴關(guān)系，它們的尺寸大小不同可能是由于溶劑的極性、沸點(diǎn)和氧化程度共同作用的結(jié)果.這種MXenes QDs在Fe3+檢測(cè)、熒光染色方面有著較出色的應(yīng)用前景，可大規(guī)模投入使用.Feng等[29]使用DMF為反應(yīng)溶劑，氨輔助溶劑熱法制備得到平均粒徑為6.2 nm的氮摻雜+，如圖S2 (c) 所示.該量子點(diǎn)有著出色的光致發(fā)光特性，可適用于Cu2+的特異性檢測(cè).溶劑熱法可以更好地控制MXenes QDs的尺寸，分散和形貌[3]，因此，溶劑熱合成法相比于水熱合成法，可得到尺寸更小、更均勻的MXenes QDs，更適合廣泛應(yīng)用于MXenes QDs的制備.

1.1.2 超聲法制備MXenes QDs 超聲合成法通常使用超聲波對(duì)反應(yīng)物質(zhì)進(jìn)行破碎來得到尺寸更小的產(chǎn)物，超聲的過程可分為探頭超聲和水浴超聲兩種，相較于水浴超聲法，探頭超聲法壓碎強(qiáng)度更大，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作水平的要求更高、并且得到的材料更分散[3，30].Chen等[31]通過超聲與水熱相結(jié)合的方法合成了Ti3C2QDs.原子力顯微鏡 (AFM)
圖像表明，該Ti3C2QDs的平均粒徑為8.5 nm，平均厚度為1.02 nm，即通過超聲水熱法成功制備了Ti3C2QDs (圖S3 (a～c)).Ti3C2QDs與TiO2形成II型異質(zhì)結(jié)，從而通過定向電荷傳輸實(shí)現(xiàn)了有效的電荷分離，為PEC檢測(cè)提供了一種靈敏度高、特異性好、檢測(cè)限低的綠色電極.Yu等[32]開發(fā)了一種有效的無氟方法來制備MXenes QDs，先對(duì)Ti3AlC2前驅(qū)體進(jìn)行探頭超聲處理來刻蝕掉Al，然后對(duì)Ti3C2粉末進(jìn)行水浴超聲，兩次不同的超聲結(jié)合使用得到了具有出色生物相容性的Ti3C2QDs，兩步超聲法制備Ti3C2QDs不僅安全簡(jiǎn)單，而且得到的Ti3C2QDs表面被大量陰離子修飾，使其在近紅外區(qū)具有強(qiáng)而寬的吸收.研究結(jié)果表明，該Ti3C2QDs可作為高效的納米劑用于光熱療法來進(jìn)行腫瘤治療.Wang等[33]將超聲法與插層法相結(jié)合，TMAOH作為客體嵌入來破壞Ti3AlC2中的Ti—Al鍵，同時(shí)TMA+插入到間隙中，層切割和分層同時(shí)發(fā)生，得到具有優(yōu)異光學(xué)特性的Ti3C2QDs (圖S3(d)).超聲插層法得到的Ti3C2QDs表現(xiàn)出與碳點(diǎn)非常相似的光學(xué)行為，有著強(qiáng)烈的光致發(fā)光特性，該方法也同樣適用于制備Nb2C QDs和Ti2C QDs，進(jìn)一步拓寬MXenes QDs材料在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.Xu等[34]通過超聲和離心相結(jié)合的方式對(duì)Ti3AlC2前驅(qū)體進(jìn)行液相剝離，得到了具有超快超窄脈沖的Ti3C2QDs.這種量子點(diǎn)的非線性光學(xué)響應(yīng)使其具有高頻特性和高穩(wěn)定性，可用于制備超窄光纖激光器.在目前制備MXenes QDs的方式中，超聲合成法往往與其他方法結(jié)合使用，如超聲水熱、超聲溶劑熱、超聲插層等.超聲波處理可以在溶劑中引起聲空化和沖擊波，同時(shí)，脫氣加熱抑制了MXenes的氧化，導(dǎo)致分層并加速二維MXenes碎裂為量子點(diǎn)形態(tài)[35-36]，因此，超聲水熱法合成MXenes QDs是目前最常見的超聲合成方式.

1.1.3 球磨法制備MXenes QDs 球磨法是通過在手套箱中將前體與鋼球進(jìn)行研磨，來改變物質(zhì)的形態(tài)和尺寸，從而得到理想產(chǎn)物的合成方式.如圖S4 (a～b) 所示，Zhang等[37]將層狀Ti3C2與P、Si、C、S等固態(tài)單質(zhì)共同研磨，得到了附著在固態(tài)元素上的Ti3C2QDs，與其他單質(zhì)上的Ti3C2QDs相對(duì)比，附著在Si上的Ti3C2QDs尺寸最小，其粒徑分布在2～5 nm；而附著在P上的Ti3C2QDs雖然不具備最優(yōu)尺寸，但應(yīng)用最為廣泛，可用作Na+電池陽極材料.與先刻蝕再球磨的合成方式不同的是，Pandey等[38]先將Ti3AlC2球磨為納米級(jí)粒子，再使用LiF-HCl對(duì)其刻蝕，得到了平均粒徑約為10 nm的Ti3C2QDs，如圖 S4 (c～d) 所示.研究發(fā)現(xiàn)，Ti3C2QDs與CsPbBr3QDs結(jié)合為復(fù)合量子點(diǎn)后建立電子耦合，熒光強(qiáng)度得到了大幅度增強(qiáng).比較這兩種方法發(fā)現(xiàn)先刻蝕再球磨的方法產(chǎn)量高、易操作，但由于Ti—O—P/C/S/Si鍵難以分離，只能合成MXenes QDs和固態(tài)元素的復(fù)合材料；相比之下，先球磨再刻蝕的方法更適用于MXenes QDs的大規(guī)模合成.

1.1.4 微爆法合成MXenes QDs Li[39]用自行設(shè)計(jì)的微爆法制備了Ti3C2QDs.在常溫狀態(tài)的密閉空間下，通過溫差，N2的氣化過程可以使氣體體積膨脹近700倍，因此微爆炸有足夠的破壞力來形成孔隙結(jié)構(gòu).如圖S5 (a)，將液氮 (L-N2) 插入Ti3C2Tx層，然后快速加入100 ℃的熱水.由于溫度的差異，導(dǎo)致微爆炸，從而破壞了Ti3C2Tx的微觀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了具有較強(qiáng)生物相容性的Ti3C2QDs.該Ti3C2QDs呈現(xiàn)具有表面缺陷的圓盤形狀，平均橫向粒度為7.23 nm，可用于腫瘤的抑制和清理 (圖S5(b～c)).微爆炸過程中形成受限空間的途徑可能與Ti3C2Tx的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān).熱水和殘留在Ti3C2Tx層之間的L-N2產(chǎn)生很大的溫差，使L-N2快速氣化和膨脹.此外，它的手風(fēng)琴狀結(jié)構(gòu)可以在加入熱水后形成水封，進(jìn)而形成密閉空間.N2是一種無毒和化學(xué)穩(wěn)定的介質(zhì)，可以蒸發(fā)而不會(huì)留下任何雜質(zhì)，并且該過程不涉及任何化學(xué)反應(yīng).因此與其他方法相比，微爆法是一種安全無毒、操作便捷、成本優(yōu)廉、適合大規(guī)模制QDs的合成方式，有望在未來廣泛應(yīng)用.

1.2 MXenes QDs自下而上的制備法

1.2.1 熱解法制備MXenes QDs Wang等[40]采用熱解法，合成了Mo2C QDs/碳多面體 (Mo2C QDs/C) 復(fù)合材料，并將其用于微波吸收.首先以鉬酸、乙酸鋅和2-甲基咪唑?yàn)榍膀?qū)體，通過水熱法制備得到Mo/ZIF-8；然后在700 ℃下，對(duì)Mo/ZIF-8進(jìn)行熱解；最后通過酸性蝕刻去除鋅，得到Mo2C QDs/C復(fù)合材料 (圖S6(a)).研究結(jié)果表明，熱解法制備得到的Mo2C QDs/C復(fù)合材料不僅能繼承其母體的多面體輪廓，而且Mo2C QDs在碳基表面均勻分布 (圖S6(b)).復(fù)合材料呈現(xiàn)出較好的阻抗匹配、較強(qiáng)的反射損耗 (-60.4 dB) 和較寬的帶寬 (14.5 GHz)，在2.0～18.0 GHz范圍表現(xiàn)出很好的微波吸收效果，優(yōu)于以往研究的大多數(shù)硬質(zhì)合金復(fù)合材料.

1.2.2 熔融鹽合成法制備MXenes QDs Cheng等[41]通過熔融鹽合成法獲得了Mo2C QDs/碳納米片(Mo2C QDs/C)復(fù)合材料.如圖S6(c) 所示，將乙酰丙酮鉬和蔗糖溶解在乙醇水溶液中，在70 ℃下持續(xù)攪拌，然后將溶液與NaCl粉末混合后于800 ℃煅燒，待管式爐冷卻至室溫后，用超純水洗滌然后通過離心處理除去產(chǎn)品中的大顆粒和塊狀物質(zhì)，得到尺寸約為2～3 nm的Mo2C QDs.與可逆氫電極 (RHE) 相比，在0.3 V下，Mo2C QDs/C納米片在室溫狀態(tài)具有出色的NH3吸收率 (11.3 μg·h-1·mg-1Mo2C)，并且在氮?dú)膺€原反應(yīng)的環(huán)境中有著極高的法拉第效率 (7.8%).更重要的是，15N2為氮源的同位素實(shí)驗(yàn)觀察到大量的氫被劇烈釋放，可以證實(shí)合成的氨來自于N2的直接供給，也就是說Mo2C QDs/C納米片復(fù)合材料可用作高效氮還原.熔融鹽合成法制備得到的Mo2C QDs/C復(fù)合材料與傳統(tǒng)的Mo2C納米片和負(fù)載型Mo2C納米片相比，作為氮還原催化劑還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) Mo2C QDs/C納米片的鑲嵌結(jié)構(gòu)能夠有效地抵抗氫溢出引起的脫落和失活.2) 超小尺寸的高活性表面使Mo2C QDs能夠吸附和活化N2.3) 碳納米片中均勻且低分散密度的Mo2C QDs可以有效地降低催化劑表面氫溢出的覆蓋范圍，從而為N2向催化劑表面擴(kuò)散提供更多的機(jī)會(huì).即研究表明，Mo2C QDs/C納米片復(fù)合材料具有優(yōu)異的氮還原反應(yīng)活性，可以作為高效和穩(wěn)定的N2固定催化劑，在氮還原方面有著廣泛的潛在應(yīng)用前景.

2 MXenes QDs的應(yīng)用

2.1 免疫調(diào)節(jié)

MXenes QDs具有免疫調(diào)節(jié)的作用.在再生醫(yī)學(xué)中，傳統(tǒng)的免疫激活會(huì)促使移植的干細(xì)胞排斥并導(dǎo)致干細(xì)胞療法降低，而MXenes QDs這種新型生物材料的生物相容性有助于彌補(bǔ)干細(xì)胞治療在組織修復(fù)和炎癥等疾病治療方面的轉(zhuǎn)化差距.Ti3C2QDs對(duì)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生而來的成纖維細(xì)胞具有較強(qiáng)的生物相容性 (圖S7(a))，Ti3C2QDs不僅可以促進(jìn)移植細(xì)胞的免疫耐受，同時(shí)支持干細(xì)胞的存活和增殖.圖S7(b)為制備得到的多孔殼聚糖-Ti3C2QDs (CS-MQD)，形成CS-MQD以后，創(chuàng)建出的3D水凝膠理化性質(zhì)得以增強(qiáng)，可用于干細(xì)胞輸送和組織修復(fù)[42].與石墨烯和MXenes水凝膠復(fù)合材料相比，MXenes QDs機(jī)電性能，包括最大溶脹度和機(jī)械彈性模量有所改善[43-44].合成的CS-MQD與單獨(dú)的殼聚糖相比，具有更強(qiáng)的形狀記憶，以及更高的自愈合、注射性、拉伸性和靈活性 (圖S7(c)).這對(duì)可注射復(fù)合組織支架很重要，即MXenes QDs在促進(jìn)干細(xì)胞的治療方面顯現(xiàn)出卓越前景[42].

2.2 腫瘤治療

MXenes QDs可以利用紅外光的照射對(duì)體內(nèi)腫瘤進(jìn)行治療，與以往的治療方式相比，MXenes QDs治療效果更好而且副作用更低.雖然MXenes本身也可以用于腫瘤治療，但是MXenes QDs這種超小型納米材料近紅外吸收以及生物相容性更好，作為光熱治療的光熱劑，其光熱轉(zhuǎn)換效率更高，效果更能得到廣泛好評(píng).V2C QDs與工程外來載體結(jié)合后更容易進(jìn)入靶向癌細(xì)胞并滲透到細(xì)胞核中，在近紅外區(qū)的照射下，細(xì)胞核溫度升高，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性并破壞遺傳物質(zhì)，加速癌細(xì)胞的死亡[45]，從而達(dá)到清除腫瘤、治愈疾病的目的 (圖2).除了V2C QDs，Ti3C2TxQDs在808 nm處的消光系數(shù)高達(dá)52.8 L·g-1·cm-1，光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)52.2%，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)光聲成像和顯著的腫瘤光聲傳遞效應(yīng).此外，Ti3C2TxQDs在體外和體內(nèi)沒有引起明顯的毒性反應(yīng)，表明它們?cè)谀[瘤治療方面具有很高的臨床應(yīng)用潛力[32].

Li等[39]采用微爆炸法成功制備的Ti3C2TxQDs同樣對(duì)癌細(xì)胞具有明顯的抑制和殺傷作用，不同于之前利用MXenes QDs的光熱轉(zhuǎn)化特性來清除癌細(xì)胞的方式，該量子點(diǎn)中的Ti3+可以與腫瘤微環(huán)境中的H2O2反應(yīng)，產(chǎn)生過量的羥基自由基，增加腫瘤微血管通透性從而協(xié)同殺傷癌細(xì)胞.在不損傷正常組織的情況下，Ti3C2TxQDs對(duì)異種移植腫瘤模型的抑制率可高達(dá)91.9%，Ti3C2TxQDs的體內(nèi)治療對(duì)HeLa腫瘤異種移植物表現(xiàn)出卓越的腫瘤抑制和殺傷能力，同時(shí)對(duì)正常組織或器官不會(huì)產(chǎn)生副作用，這為腫瘤治療提供了更安全有效的策略.

圖2 V2C QD的核靶向低溫光熱治療示意圖[45]Fig.2 Schematic diagram of V2C QDs for nucleus-target low temperature photothermal therapy[45]

2.3 生物傳感

QDs的熒光特性使其可以應(yīng)用于傳感[46-47]，在生物傳感領(lǐng)域主要應(yīng)用于檢測(cè)酶、抗原、部分激素等蛋白質(zhì).

在圖S8(a～b) 中，Cai[48]基于MXenes QDs的光熱轉(zhuǎn)換特性，構(gòu)建了一種先進(jìn)的近紅外光熱免疫分析方法，可以在安裝在近紅外成像攝像頭上對(duì)目標(biāo)前列腺特異性抗原(PSA)進(jìn)行特異性檢測(cè).Ti3C2QDs被封裝在脂質(zhì)體后可對(duì)生物體中的PSA進(jìn)行定性或半定量篩選，Ti3C2QDs被用作光熱轉(zhuǎn)換納米材料，脂質(zhì)體納米容器被用來放大光熱免疫分析的可檢測(cè)信號(hào)，在近紅外激光照射下，Ti3C2QDs將光能轉(zhuǎn)化為熱能，并在手持溫度計(jì)上獲得與分析物濃度相對(duì)應(yīng)的溫度變化.該方法不需要昂貴的儀器和專業(yè)技術(shù)人員，也不需要天然酶的參與，與傳統(tǒng)的光熱免疫分析相比較，Ti3C2QDs免疫分析速度快，成本低，可適用于大規(guī)模生產(chǎn)，并為當(dāng)前的蛋白質(zhì)檢測(cè)技術(shù)和生物安全診斷提供了新的方法.

除了用于近紅外光熱免疫分析，水熱法制備的Ti3C2QDs具有優(yōu)異的耐鹽性、抗光漂白性和水溶液分散穩(wěn)定性[49].這種量子點(diǎn)在不使用復(fù)雜的常規(guī)比色堿性磷酸酶檢測(cè)系統(tǒng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)堿性磷酸酶活性 (ALP) 的靈敏熒光分析 (圖S8(c～d)).該方法可成功地用于測(cè)定ALP，隨著堿性磷酸酶濃度從0增加到50 U·L-1，Ti3C2QDs的熒光強(qiáng)度逐漸降低.在0.1至2.0 U·L-1范圍內(nèi)，猝滅效率F/F0與堿性磷酸酶濃度之間具有良好的線性關(guān)系，檢測(cè)下限為0.02 μL.ALP還可以作為胚胎干細(xì)胞裂解物中的生物標(biāo)志物，通過Ti3C2QDs對(duì)ALP的準(zhǔn)確分析，為胚胎干細(xì)胞的鑒定以及實(shí)時(shí)監(jiān)控酶活性提供了一種簡(jiǎn)單的替代方法.

由于MXenes QDs的吸收帶比MXenes更寬，TiO2IOPCs/Ti3C2復(fù)合薄膜在280～900 nm范圍內(nèi)具有光電流效應(yīng)，在350 nm時(shí)內(nèi)部功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)26%.從而能夠定向傳輸電荷以實(shí)現(xiàn)有效的電荷分離，為第二類異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)傳感器 (PEC) 提供具有高穩(wěn)定性、高靈敏度的綠色電極[27].當(dāng)添加谷胱甘肽 (GSH) 時(shí)，PEC光電流增加，但加入抗壞血酸、葡萄糖、尿酸和Fe3+后，光電流幾乎沒有變化.Chen等還測(cè)量了其他干擾物質(zhì)作為對(duì)比參考.結(jié)果表明，除了GSH，其他物質(zhì)對(duì)PEC干擾很小.即該P(yáng)EC對(duì)GSH具有更好的吸附和結(jié)合能力，這意味著Ti3C2QDs脈沖電化學(xué)傳感裝置對(duì)GSH的檢測(cè)有很好的選擇性.

2.4 生物成像

生物成像是現(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中為了了解生物體內(nèi)的組織與結(jié)構(gòu)的一種有效的研究技術(shù)，它可以通過快速簡(jiǎn)便的方法為研究人員提供清晰直觀的生物信息[50-52].QDs是明亮的光致穩(wěn)定熒光團(tuán)，具有寬的激發(fā)光譜，在由材料尺寸控制的波長(zhǎng)下具有窄的高斯發(fā)射[53-54]，其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和亮度使其成為活體動(dòng)物定位和成像的理想材料[56].迄今為止，有關(guān)領(lǐng)域已經(jīng)研究了許多半導(dǎo)體量子點(diǎn)在生物成像上的應(yīng)用，但是它們通常光穩(wěn)定性差、含有毒性且毒性較難精準(zhǔn)評(píng)估，限制了它們實(shí)際在生活中的應(yīng)用[57-60].與早期的半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，MXenes QDs由于毒性低、有著更好的光穩(wěn)定性和生物相容性，可以更安全地應(yīng)用在成像中，對(duì)于進(jìn)一步拓寬其生物應(yīng)用具有重要意義.Xue等[17]通過水熱法首次合成了Ti3C2QDs，Ti3C2QDs與RAW264.7細(xì)胞一起培養(yǎng)4 h后，Ti3C2QDs通過RAW264.7細(xì)胞的內(nèi)吞過程被吸收，將細(xì)胞引入體外后使用共聚焦顯微鏡進(jìn)行生物成像，由于Ti3C2QDs的熒光特性，共焦圖像分別在405、488和543 nm激發(fā)時(shí)顯示出明亮的藍(lán)色、綠色和紅色，在共焦發(fā)光圖像中，Ti3C2QDs染色主要存在于細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞核區(qū)域發(fā)光點(diǎn)非常弱 (圖S9 (a))，這表明Ti3C2QDs可以容易地滲透到細(xì)胞中但不會(huì)到達(dá)細(xì)胞核，從而避免了遺傳物質(zhì)的破壞.圖S9 (b～d) 展示了剃毛小鼠背部皮下植入不同形狀聚乙烯醇 (PVA)/Nb2C QDs復(fù)合水凝膠的熒光圖像，證明了Nb2C QDs具有良好的生物相容性和熒光特性[61].將PVA/Nb2C QDs注入小鼠體內(nèi)后，熒光偽彩色圖像顯示了相應(yīng)水凝膠的位置和完整形狀.不同形狀PVA/Nb2C QDs復(fù)合水凝膠輪廓清晰，并和周圍組織之間存在明確邊界.即Nb2C QDs能夠進(jìn)行植入式生物材料體內(nèi)成像，滿足未來對(duì)可植入成像生物材料越來越大的開發(fā)需求，進(jìn)一步證明MXenes QDs作為熒光探針的潛力.V2C QDs被精氨酸 (RGD) 和TAT肽修飾后封裝在脂質(zhì)體 (稱作：V2C-TAT@Ex-RGD)，在近紅外二級(jí)生物窗口處表現(xiàn)出強(qiáng)烈的光熱效應(yīng)，具有良好的熒光成像，光聲成像 (PAI) 和磁共振成像 (MRI) 能力 (圖S9 (e))，并不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞損傷 (圖S9 (f))[45].這些研究表明，MXenes QDs可以安全應(yīng)用于清晰成像，進(jìn)而在生物成像領(lǐng)域有著光明的發(fā)展趨勢(shì).

3 結(jié)論與展望

該文總結(jié)了MXenes QDs的合成方法以及相關(guān)的生物應(yīng)用.MXenes QDs的合成方法主要分為自上而下以及自下而上兩種方式.自上而下的合成方法是指使用塊狀或初始狀態(tài)的反應(yīng)前驅(qū)體裂解從而形成量子點(diǎn)，包括水熱/溶劑熱法、超聲合成法、球磨法以及微爆法.自下而上的合成技術(shù)是指使用分子或原子態(tài)物質(zhì)作為前驅(qū)體結(jié)合形成量子點(diǎn).自下而上的合成技術(shù)并不像自上而下的方法一樣常見，主要有熱解法和熔融鹽合成法.最早以及最廣泛被制備應(yīng)用的是Ti3C2QDs，后來Mo2C QDs、TiCN QDs、V2C QDs以及Nb2C QDs逐漸進(jìn)入人們視野，并由于大量?jī)?yōu)異的性能得到了業(yè)內(nèi)人士廣泛關(guān)注.MXenes QDs具有優(yōu)秀的親水性、令人滿意的生物相容性以及光學(xué)電學(xué)性質(zhì)，這使其在傳感、生物成像、腫瘤治療、光電催化、電池等方面得到廣泛應(yīng)用.該文針對(duì)MXenes QDs的六種合成方法，免疫調(diào)節(jié)、腫瘤治療、生物傳感以及生物成像四種應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，系統(tǒng)總結(jié)了MXenes QDs從第一次被發(fā)現(xiàn)到目前廣泛應(yīng)用于生物領(lǐng)域的整個(gè)研究歷程，為后續(xù)MXenes QDs的探索提供科學(xué)引導(dǎo).

基于上述的總結(jié)，該文對(duì)MXenes QDs在剝離方法、合成技術(shù)的提升、合成方式的改進(jìn)、N類MXenes QDs的制備及MXenes QDs毒性處理五個(gè)方面進(jìn)行了如下的展望.

1) 雖然目前已有大量性能優(yōu)異的MXenes QDs被合成并實(shí)踐到應(yīng)用中，但由于現(xiàn)如今制備技術(shù)不夠成熟，產(chǎn)率并不令人滿意，未來可以通過新技術(shù)的開發(fā)，在MXenes QDs的制備過程中對(duì)MXenes的剝離尺度進(jìn)行有效控制，從而得到厚度可控的MXenes材料，進(jìn)而大規(guī)模且高產(chǎn)量地制備MXenes QDs.

2) 許多關(guān)于MXenes QDs合成方法并沒有得到足夠多的探索，如自下而上合成技術(shù)中的熱解法、熔融法并沒有太多的合成案例，也沒有得到深入的研究，未來可以加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)存自下而上合成法的研究，或研發(fā)新的自下而上合成技術(shù)來制備MXenes QDs.甚至可以通過新的高科技設(shè)備或技術(shù)對(duì)合成過程中MXenes QDs的尺寸、形貌以及表面缺陷進(jìn)行更精準(zhǔn)的控制，從而獲得理想中的高質(zhì)量的產(chǎn)品.

3) 由于單種技術(shù)合成量子點(diǎn)較為局限，可以嘗試多種方法聯(lián)合制備MXenes QDs，如水熱與超聲結(jié)合等.同時(shí)，已有一些學(xué)者利用安全且簡(jiǎn)單的方式，如微波法以及CVD合成法制備了C、Si等無機(jī)元素量子點(diǎn)，Ag2S、ZnSe等無機(jī)化合物量子點(diǎn)以及g-C3N4、石墨烯量子點(diǎn)，但在MXenes QDs的制備中，微波法和CVD合成的利用仍然是一片空白.在未來，通過微波技術(shù)或CVD技術(shù)制備MXenes QDs還存在很大的發(fā)展空間，這一領(lǐng)域值得廣大科研工作者去探索.

4) 目前制備最多的是Ti3C2QDs，少有學(xué)者注意到Ti2C QDs、V2C QDs等量子點(diǎn)的合成與應(yīng)用；對(duì)N類MXenes QDs的研究更是罕見.但N類MXenes QDs的性能未必會(huì)遜色于C類MXenes QDs，后續(xù)可以對(duì)N類MXenes QDs進(jìn)行制備，并與C類MXenes QDs的尺寸形貌以及性能進(jìn)行對(duì)比研究，這將可能促進(jìn)MXenes QDs生物應(yīng)用的進(jìn)一步拓展.

5) MXenes QDs作為性能優(yōu)越的納米材料，提供了潛在的社會(huì)效益，但它們也可能對(duì)人類健康和環(huán)境狀況構(gòu)成潛在的威脅.就目前看來，MXenes QDs的急性毒性以及潛在毒性對(duì)生物體以及環(huán)境的影響會(huì)限制生活中在生物方面的應(yīng)用. “M”元素的類型、蝕刻和分層方法以及后功能化處理和存儲(chǔ)策略是影響其潛在細(xì)胞毒性的重要因素，并且除了“M”元素，官能團(tuán)的性質(zhì)也會(huì)對(duì)MXenes QDs的潛在毒性造成影響.因此對(duì)MXenes QDs改進(jìn)合成方法、選擇低毒性前體制備MXenes QDs、對(duì)MXenes QDs建立完善的毒性檢測(cè)評(píng)估體系、修復(fù)MXenes QDs毒性效應(yīng)以及MXenes QDs產(chǎn)品的后處理方式等等，都是對(duì)MXenes QDs進(jìn)行后續(xù)研究時(shí)需要進(jìn)一步思考并探索的內(nèi)容.