Small: 远红外至近红外荧光碳点的制备及其生物应用

碳点(Carbon Dots, CD)是一种新型荧光纳米材料,主要由天然含量丰富、作为生命体重要组成元素的碳构成。与其它碳基材料相比,碳点拥有诸多优良的性能,例如尺寸小、光稳定性好、生物相容性佳、细胞内滞留时间长等。碳点的制备方法主要分为两种:自上而下法和自下而上法。自上而下法以碳纳米管等具有较大结构的碳材料为前驱体,通过激光烧蚀和化学氧化等方法制备。自下而上法是将小分子或聚合物等前驱体脱水和碳化,该方法所使用合成前体来源更为广泛,包含了从天然产物到具有明确结构的化合物。然而,目前所合成的碳点大多数发射蓝光或者绿光,由于组织对光的吸收、光损伤等不足严重限制了其进一步的应用与发展。与之对应,远红外至近红外荧光碳点具备对生物基质损伤小、组织穿透能力强和生物样品自发荧光背景干扰小等优点,在生物医学领域展现出广阔的应用前景。

郑州大学化学学院屈凌波教授、李朝辉教授近年来致力于功能化碳点的合成与应用研究,开展了如碳点化学生物传感、超高荧光量子产率碳点制备、功能化荧光碳点精准制备、碳点生物医学成像等为代表的系列研究工作,提出了基于结构特征传递的碳点逆向设计理论,推动了碳点的精准可控制备和生物医学应用研究进程。

近期,屈凌波教授和李朝辉教授联合华盛顿州立大学杜丹教授在Small上撰文,阐述了远红外至近红外碳点纳米材料的研究进展,介绍了该系列碳点的合成前体和合成策略及其在生物传感、生物成像和治疗等方面的应用。文章首先从自上而下和自下而上两个方面,根据合成前驱体的不同,例如柠檬酸(CA)、苯二胺(PD)、萘、聚噻吩(PT)、氨基酸、糖类等,系统地总结了远红外至近红外碳点的性质和合成方法。接下来,介绍了远红外至近红外碳点在金属离子测定、生物标志物检测等方面的应用,以及在生物成像如单光子成像、双光子成像、光声成像等方面的研究现状,进而总结了其在癌症治疗如光热治疗、光动力治疗、免疫治疗、协同治疗等方面的研究进展。最后,作者提出了该领域目前所面临的挑战以及潜在的研究方向。 该研究工作为远红外至近红外荧光碳点的制备提供了重要参考,有望进一步推动该类型碳点在生物成像、化学生物传感和生物医学治疗等领域的基础与应用研究进展。相关论文在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201901507)上。