華盛頓大學張米琴團隊Adv. Mater.：石墨烯量子點及其在生物成像、生物傳感和治療中的應用

【引言】

石墨烯量子點（GQDs）是以碳為基礎的納米粒子，具有優異的化學、物理和生物特性，使其在納米醫學的廣泛應用中脫穎而出。GQDs獨特的電子結構賦予了這些納米材料強大和可調的光致發光（PL）功能，用于熒光生物成像和生物傳感；高負載能力的芳香族化合物的小分子藥物傳遞；吸收入射輻射的能力，用于光熱和光動力療法的殺滅癌癥技術。

【成果簡介】

近日，華盛頓大學張米琴教授團隊（通訊作者）帶領下，首先綜述了GQDs的理化性質、光學性質、電子性質、磁性性質和生物學性質，討論了近年來GQDs的研究進展，重點介紹了GQD合成方法的研究進展；根據依靠自上而下或自下而上過程的技術，將這些方法分類。隨后，將討論GQDs的應用，包括通過光學和磁性方式的生物成像，體內外生物傳感，以及通過藥物傳遞、基因傳遞和光動力療法（PDT）的治療方法。還對GQD研究的當前局限性和未來方向也進行了深入的分析。相關成果以題為“Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy”發表在了Adv. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?石墨烯量子點（GQD）的合成、物理性質及在生物系統中的應用等方面的研究進展

圖2 石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子點和碳量子點的結構差異示意圖

圖3 通過理論模型計算了尺寸和邊緣構象對GQDs能帶隙的影響

a）不同尺寸和邊緣構型的GQDs的結構。標簽“AM”和“ZZ”指的是邊緣類型，整數表示芳環的數量。

b）能帶隙隨橫向尺寸和邊緣類型的變化。以下字母表示使用的建模方法：格林函數和屏蔽庫侖相互作用（GW）和局部密度近似（LDA）。

圖4 GQDs的PL譜隨摻雜性質和程度的變化而變化

a）GQDs和氮摻雜GQDs（NGQDs）的照片。NGQD標簽后面的數字表示在NH₃氣氛下以min為單位的輻照時間。

b）NH₃氣氛下合成的NGQDs的PL光譜，隨著氮原子摻入GQDs內部，NGQDs發生藍移。

c）芳香胺官能化的GQDs的PL光譜。N_ar/N表示芳香胺類與總胺類的比例。隨著芳香胺官能化的增加，光譜中出現了明顯的紅移。

d）原始GQDs和e）摻硼GQDs在不同激發波長下的UV-vis（黑色）和PL光譜（彩色）。硼被摻入結構時，會出現輕微的紅移。

圖5?評估GQDs的生物相容性

a）A549細胞暴露于三種不同濃度的GQDs后細胞代謝活性的評價。

b）靜脈注射GQDs后4周，對大鼠重要器官進行組織學評估。

c）在黑暗中，在不同濃度的GQDs和GQDs與以下物質反應可以改變細胞活力：苯肼（PH），苯甲酸酐（BA）和2-溴-1-苯乙酮（BrPE）。

d）在輻射下，在不同濃度的GQDs和GQDs與以下物質反應可以改變細胞活力：苯肼（PH），苯甲酸酐（BA）和2-溴-1-苯乙酮（BrPE）。

圖6?通過自上而下和自下而上的方法合成GQD的最新進展示意圖

圖7?液相剝離合成GQDs的表征

a）液相剝離和GQDs合成機理的示意圖。

b）HD-GQDs和c）LD-GQDs在不同激發波長下的PL光譜。

圖8?微波合成GQDs

a）N-GQD和b） NS-GQD的微波合成示意圖，顯示了GQDs與胺基和硫基官能團的官能化。

圖9?氮摻雜的GQDs用于細胞和組織成像

a）單光子熒光（OPF）和雙光子熒光（TPF）的PL發射光譜。

b,c）HeLa細胞在800 nm激發下的b）亮場和c）熒光圖像（比例尺= 10 μm）。

d）使用不同厚度的組織體模進行雙光子熒光成像（TPFI）的裝置示意圖。

e）TPFI和單光子熒光成像（OPFI）在組織體模中的N-GQDs滲透深度（比例尺= 100 μm）。

圖10?氮和硼雙摻雜的GQDs用于NIR-II生物成像

a）透射電子顯微鏡圖像，顯示直徑5 nm的單分散顆粒。右上方的插圖顯示了指示石墨烯的晶格條紋，而左下方的插圖是溶液中GQDs的照片，顯示了它們的出色溶解性。

b）當被808 nm激光源激發時，顯示NIR-II發射的N-B-GQDs的PL光譜。插圖顯示水溶液中N-B-GQDs的光學圖像和PL圖像。

c）通過評估SF763、4T1和B16F10細胞與N-B-GQDs孵育72小時后的活力，對N-B-GQDs進行體外細胞毒性研究。采用學生雙側t檢驗進行統計分析（** p <0.01，*** p <0.001）。

d）活體小鼠的體內NIR-II成像。左上方的面板是裸鼠的照片，最上方的隨后的面板描繪了注射了磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）但沒有任何造影劑的小鼠的PL圖像。第二排和第三排圖像描述了靜脈注射N-B-GQDs后的PL圖像的時程。最下面一行的圖像突出顯示了血管中的PL。

圖11?用硼摻雜的GQDs處理小鼠的腹部橫斷面的體內T1加權MR圖像

用硼摻雜的GQDs處理小鼠的腹部橫斷面的體內T1加權MR圖像，并在靜脈內注射后的各個時間點獲得動態的時間分辨MR成像。箭頭指示各種器官：心臟（H），肝臟（L），腎臟（K），脾（Sp）和胃（St）。給藥后68分鐘，心臟和胃部顯示出最大的對比度。

圖12?基于DNPTYR-GQD的H2S傳感PL開啟納米探針

a）GQD-DNPTYR的合成和PL猝滅機理的示意圖。

b）GQD-DNPTYR處理后1小時（左數第二），H₂S存在25分鐘（左數第三）且未在GQD-DNPTYR中孵育的MCF-7細胞的共聚焦圖像（最左）。存在H₂S和PMA（最右側）。GQD-DNPTYR發出綠色熒光，NucBlue發出藍色熒光。比例尺=10 μm。

圖13?紙插入GQD基傳感器的示意圖

a）能夠（黃色）并且不能（紅色）猝滅GQDs的酚類化合物的例子。

b）用于照亮紙樣的裝置示意圖。

c）連接USB端口的UV LED的電路。

d）含有嵌入GQDs的硝化纖維紙帶在印刷蠟分隔的圓形區域的示意圖。

e）使用中的傳感器系統的圖像。 屏幕顯示通過相機檢測到的熒光點讀取的樣品。

f）典型的是/否（ON/OFF）結果的示意圖。

圖14?GQDs的治療應用

可以通過π軌道堆疊將化學治療藥物加載到GQDs的基面上。阿霉素（DOX）是一種典型的小分子化學治療藥物（左上）。 邊緣基團與陽離子肽結合可使GQDs帶正電荷，使其與帶負電荷的DNA或RNA形成復合物用于基因治療（右上）。GQDs可以作為光敏劑，在特定波長（底部）照射時產生活性氧。在光動力療法中，已證明GQDs是有效的光敏劑。

圖15?MTX輸送的GQDs

a）通過水熱法合成N-GQD，形成MTX-?(N-GQD)復合物以及胞內釋放的示意圖。

b）培養48小時后評估MTX-?(N-GQDs)的體外細胞毒性。MCF-7細胞暴露于不同濃度的游離MTX（暗條）和MTX-?(N-GQDs)（淺色條）。與MTX-?(N-GQDs)相比，MTX生存力的統計顯著性分別由*和**表示，分別為p <0.05和p <0.01。

c）不含MTX的N-GQDs的細胞毒性評估。

圖16?PDT的GQDs

a）使用500 W氙氣燈照射后，GQDs、Ppix和CdTe的光穩定性，以及在470 nm處的吸光率隨時間的變化進行測量。

b,c）小鼠皮下注射GQDs后的b）明場和c）紅色熒光圖像。

d）三組腫瘤隨時間變化的體積（每組n=5）。每組P <0.05。PDT：GQD+輻照，C1：僅GQD，C2：僅光輻照）。

e）各種處理后的小鼠照片（處理標簽后的整數表示首次處理后的天數）。

【小結】

GQD研究的最新進展表明，GQD具有作為生物技術和納米醫學新平臺的潛力。通過新的合成方法研究了摻雜和官能化GQDs的方法，并利用其對光學、電子、磁性和生物學特性的影響，將GQDs應用于醫學領域。為優化GQDs的理化特性，使其具有特定應用的必要特性，開發了新的實驗方法。此外，各種研究都集中在開發安全簡單的“一鍋法”合成方法上，利用一些簡單的前體分子和現成的設備，如家用微波爐。這些成就將GQDs展示為適用于納米醫學的便捷系統。

文獻鏈接：Graphene Quantum Dots and Their Applications in Bioimaging, Biosensing, and Therapy（Adv. Mater.，?2019，DOI:10.1002/adma.201904362）

本文由木文韜翻譯。

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