石墨烯量子點(diǎn)制備及生物應(yīng)用技術(shù)研究進(jìn)展

楊思維，丁古巧

石墨烯材料與應(yīng)用聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室

中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

上海烯望材料科技有限公司

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摘要：石墨烯量子點(diǎn)是一種重要的石墨烯衍生物，也是橫向尺寸最小的石墨烯衍生物。石墨烯量子點(diǎn)以其獨(dú)特的半導(dǎo)體性質(zhì)、光學(xué)特性、生物安全性在生物醫(yī)藥、新能源、防偽涂層、光探測等領(lǐng)域得到了極大的關(guān)注。本文回顧了近年來石墨烯量子點(diǎn)制備技術(shù)及其在生物熒光成像、生物熒光檢測與診斷、可視化智能治療等生物應(yīng)用技術(shù)方面的研究進(jìn)展，同時對石墨烯量子點(diǎn)發(fā)展中存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡要的總結(jié)。

1.?前言

作為一種新興的功能材料，石墨烯量子點(diǎn)以其優(yōu)異的理化特性、低細(xì)胞毒性和出色的水分散性正逐漸取代已應(yīng)用使用多年的半導(dǎo)體量子點(diǎn)（例如CdSe，CdTe和CdS等）并成為快速發(fā)展的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一^[1]。在過去的十余年中，石墨烯量子點(diǎn)的研究熱點(diǎn)不斷發(fā)生變化，主要的研究熱點(diǎn)包括合成方法創(chuàng)新、石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)制、石墨烯量子點(diǎn)發(fā)射波長的調(diào)制和量子產(chǎn)率提升。目前，石墨烯量子點(diǎn)制備技術(shù)方面已開發(fā)了主要涵蓋自下而上和自上而下方法的多種合成方法。石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)制方面，在過去的幾年已初步實(shí)現(xiàn)了邊緣結(jié)構(gòu)調(diào)制、晶格摻雜和表面官能團(tuán)的調(diào)節(jié)^[1]。此外，當(dāng)前石墨烯量子點(diǎn)的熒光發(fā)射波長已實(shí)現(xiàn)從深紫外到近紅外（250-800 nm）的可控調(diào)制。且石墨烯量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率也得到了顯著的提升，可在一定程度上滿足各種應(yīng)用的需求^[2]。這一系列的研究進(jìn)展使得石墨烯量子點(diǎn)在生物醫(yī)藥、光電催化，光電轉(zhuǎn)換，新能源等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用價值（圖1）。此篇研究進(jìn)展回顧了近年來石墨烯量子點(diǎn)的制備技術(shù)及其在生物熒光成像、生物熒光檢測與診斷、可視化智能治療等生物應(yīng)用技術(shù)方面的研究進(jìn)展，同時對石墨烯量子點(diǎn)發(fā)展中存在的挑戰(zhàn)進(jìn)行了簡要的總結(jié)。

圖1. 石墨烯量子點(diǎn)的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展^[1]

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2.???石墨烯量子點(diǎn)的定義與相關(guān)性質(zhì)

石墨烯量子點(diǎn)是一種極小尺寸的零維石墨烯碎片（圖2）。石墨烯量子點(diǎn)內(nèi)核由蜂窩狀sp²碳結(jié)構(gòu)所構(gòu)成，其邊緣通常由含氧官能團(tuán)（如羥基、羧基、羰基、環(huán)氧基等）所飽和^[2]。石墨烯量子點(diǎn)所具有的典型sp²晶格結(jié)構(gòu)是其與碳點(diǎn)區(qū)分的重要指標(biāo)之一（碳點(diǎn)通常由sp²/sp³雜化的較高碳化程度內(nèi)核與較低碳化程度的外殼所構(gòu)成，圖2）。在量子尺寸效應(yīng)的作用下，石墨烯量子點(diǎn)的基本物性（如帶隙，能帶位置和態(tài)密度）在很大程度上由量子力學(xué)效應(yīng)所決定^[3]。隨著尺寸的減小，石墨烯量子點(diǎn)的態(tài)密度由連續(xù)能級轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散能級。進(jìn)而當(dāng)石墨烯量子點(diǎn)的尺寸減小到分子或原子尺寸，激子（電子-空穴對）被進(jìn)一步限制，其能帶結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步變得與分子電子結(jié)構(gòu)相同。

圖2. 石墨烯量子點(diǎn)與碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)對比^[4]

上述過程的發(fā)生使得石墨烯量子點(diǎn)具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，然而，對于石墨烯量子點(diǎn)出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)的典型尺寸的定義目前仍存在很大分歧。表1列舉了不同文獻(xiàn)對石墨烯量子點(diǎn)典型尺寸的定義。由表可知，對石墨烯量子點(diǎn)典型厚度存在單層、1-2層、小于10層甚至1-10層以上等一系列大小不一的定義。另一方面，其典型橫向尺寸也存在從小于10 nm到小于100 nm不等的定義。目前，大多文獻(xiàn)報(bào)道中的石墨烯量子點(diǎn)典型的厚度小于10層，其典型的橫向尺寸小于10 nm。

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3.???石墨烯量子點(diǎn)的制備

石墨烯量子點(diǎn)的制備是其基本物性研究及應(yīng)用研究的基石。目前，石墨烯量子點(diǎn)的制備技術(shù)主要可歸類為以大尺寸碳材料前驅(qū)體的剪切為主要思路的自上而下法和以小分子、生物質(zhì)材料碳化偶聯(lián)為主要思路的自下而上法兩類（圖3）^[3]。這兩類制備技術(shù)在顯示各自優(yōu)勢的同時也存在著或多或少的缺點(diǎn)。

圖3. 石墨烯量子點(diǎn)的不同制備思路^[3]

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3.1.自上而下法

作為獲得石墨烯量子點(diǎn)的最直接方法，自上而下法通過廉價易得的碳材料（石墨、碳納米管、石墨烯等^[3]）的剪切與氧化實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)的制備。具體的實(shí)施方法包括物理剪切^[4]、電化學(xué)剪切^[3]和化學(xué)氧化剪切^[2]等。Zhou等人以多壁碳納米管為工作電極，鉑絲為對電極，以0.1 mol/L四丁基高氯酸胺的乙腈溶液為電解液制備獲得了石墨烯量子點(diǎn)^[14]。所獲得的石墨烯量子點(diǎn)發(fā)光波長位于藍(lán)光波段，量子產(chǎn)率為6.4%；Li等人以石墨為電極，氫氧化鈉/乙醇為電解質(zhì)制備了不同尺寸的石墨烯量子點(diǎn)^[15]。電化學(xué)法制備得到的石墨烯量子點(diǎn)通常具有良好的分散性、高結(jié)晶度，且易于純化。

相比電化學(xué)氧化剪切，化學(xué)氧化法在石墨烯量子點(diǎn)制備方面應(yīng)用更為廣泛。目前主要的化學(xué)氧化反應(yīng)體系借助混酸、自由基、溶劑熱環(huán)境等實(shí)現(xiàn)（圖4）^[8]。其中混酸氧化法是最常用的化學(xué)氧化方案。雖然化學(xué)氧化法被廣泛應(yīng)用于石墨烯量子點(diǎn)的制備，同時該方案制備獲得的石墨烯量子點(diǎn)往往具有較為完整的石墨烯sp²結(jié)構(gòu)，然而該方案存在氧化反應(yīng)安全性低（特別是混酸氧化方案）、酸性廢棄物處理困難、原材料利用率及量子點(diǎn)產(chǎn)率低下、純化困難等一系列問題，因此化學(xué)氧化剪切方案難以滿足日益增長的石墨烯量子點(diǎn)規(guī)?；苽涞男枨?。

圖4.石墨烯量子點(diǎn)制備過程中常見的化學(xué)氧化體系^[3]

3.2.自下而上法

隨著自上而下法的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，自上而下法存在所獲產(chǎn)物量子產(chǎn)率低、制備效率低且含有大量大尺寸副產(chǎn)物等一系列缺點(diǎn)。在石墨烯量子點(diǎn)sp²蜂窩狀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，研究者們開始利用小分子之間的碳化偶聯(lián)來制備石墨烯量子點(diǎn)，該類方法被稱為自下而上法。典型的自下而上法包括有機(jī)合成^[4]、溶劑熱合成^[8]、電化學(xué)合成等^[4]。傳統(tǒng)的自下而上法通常利用有機(jī)小分子（如葡萄糖、蔗糖、乙二胺、尿素、檸檬酸等）實(shí)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)的制備。此外，在綠色化學(xué)目標(biāo)的指引下，大量生物質(zhì)碳源（如榴蓮、雞蛋、稻草等）也被應(yīng)用于石墨烯量子點(diǎn)的自下而上法制備中。水熱法和微波輔助法是生物質(zhì)自下而上法制備方案中常用的技術(shù)。值得一提的是，Liangshi Li課題組通過精確的有機(jī)合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一系列具有確定分子結(jié)構(gòu)的石墨烯量子點(diǎn)的制備^[16]。該課題組的系列研究工作提供了具有明確結(jié)構(gòu)定義的石墨烯量子點(diǎn)材料，為石墨烯量子點(diǎn)基本物性研究奠定了重要基礎(chǔ)（圖5）。

圖5. 通過有機(jī)合成技術(shù)制備石墨烯量子點(diǎn)^[16]

利用有機(jī)小分子進(jìn)行石墨烯量子點(diǎn)自下而上法制備方面，熊煥明課題組以尿素和對苯二胺為原料通過水熱法制備了多種發(fā)光波長的石墨烯量子點(diǎn)^[17]。其中紅光石墨烯量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率為24%。該方法制備的石墨烯量子點(diǎn)具有穩(wěn)定的熒光性能且展現(xiàn)出高量子產(chǎn)率，最高量子產(chǎn)率達(dá)94%。利用生物質(zhì)碳源進(jìn)行石墨烯量子點(diǎn)自下而上法制備方面，丁古巧課題組與寧波大學(xué)王剛課題組利用鉑催化劑對榴蓮進(jìn)行水熱處理，實(shí)現(xiàn)了晶格S摻雜的石墨烯量子點(diǎn)的制備^[18]。該量子點(diǎn)中S原子以噻吩結(jié)構(gòu)存在于sp²晶格中（圖6），具有良好的光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性及超高的量子產(chǎn)率。該工作同時研究了水熱反應(yīng)過程的詳細(xì)機(jī)理，明確了生物質(zhì)碳源在復(fù)雜反應(yīng)條件下量子點(diǎn)的合成機(jī)制。

圖6. 利用榴蓮實(shí)現(xiàn)的S摻雜石墨烯量子點(diǎn)自下而上制備^[18]

雖然自下而上法解決了自上而下法存在的一些問題，但是其自身也面臨著石墨烯量子點(diǎn)碳化過程中的聚集、尺寸調(diào)制和產(chǎn)物均一性調(diào)制困難、副產(chǎn)物復(fù)雜等一系列問題。通常來說，自下而上法制備獲得的石墨烯量子點(diǎn)需要再進(jìn)行如過濾、離心、透析、凝膠電泳和柱色譜的后處理?？傊┝孔狱c(diǎn)的制備技術(shù)在近年來雖得到了長足的發(fā)展，但相較于已實(shí)現(xiàn)相對成熟規(guī)模化制備技術(shù)的其他石墨烯衍生物，石墨烯量子點(diǎn)的公斤級以上制備仍存在技術(shù)瓶頸，這一現(xiàn)狀嚴(yán)重阻礙了石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展。

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4.???石墨烯量子點(diǎn)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)（如CdSe、CdTe等）由于其可調(diào)節(jié)的熒光發(fā)射波長、高量子產(chǎn)率等一系列優(yōu)勢，在需要穩(wěn)定的強(qiáng)熒光應(yīng)用領(lǐng)域使用了很長的時間。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的高毒性限制了它們在臨床條件下的實(shí)際應(yīng)用。相較而言，石墨烯量子點(diǎn)優(yōu)異的化學(xué)惰性、生物相容性以及較低的制備成本使其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。目前，石墨烯量子點(diǎn)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用主要圍繞其典型的熒光性能展開，具體包括生物熒光成像、生物熒光檢測與診斷、可視化智能治療等。

4.1.生物熒光成像

借助石墨烯量子點(diǎn)的熒光特性，實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞、細(xì)胞、組織水平的熒光成像是石墨烯量子點(diǎn)最為重要和研究投入最多的應(yīng)用領(lǐng)域之一。作為石墨烯量子點(diǎn)最早得到研究的應(yīng)用場景之一，細(xì)胞水平的熒光成像是實(shí)現(xiàn)多樣化生物熒光成像的基礎(chǔ)，同時也為進(jìn)一步的熒光診斷、可視化智能治療等技術(shù)的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。孫靜等人通過在石墨烯量子點(diǎn)中引入晶格N原子，實(shí)現(xiàn)了石墨烯量子點(diǎn)量子產(chǎn)率的大幅提升，進(jìn)一步的研究表明，該結(jié)構(gòu)的石墨烯量子點(diǎn)在細(xì)胞質(zhì)中穩(wěn)定存在，可實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)胞水平熒光成像^[19]。

圖7. （a–d）未經(jīng)紅光發(fā)射石墨烯量子點(diǎn)處理的細(xì)胞僅顯示DAPI染色的細(xì)胞核，在近紅外波段無信號。（e-h）被DAPI和紅光發(fā)射石墨烯量子共標(biāo)記的細(xì)胞其細(xì)胞質(zhì)在近紅外波段顯示清晰的。（i-k）紅光發(fā)射石墨烯量子點(diǎn)標(biāo)記后的細(xì)胞在流式細(xì)胞分析中的應(yīng)用，準(zhǔn)確率達(dá)到100%^[20]。

在進(jìn)一步的研究中，研究者著眼于利用石墨烯量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)更大尺度下組織水平的活體熒光成像及更小尺度下亞細(xì)胞水平的生物熒光成像。這兩類成像技術(shù)對臨床診斷技術(shù)開發(fā)、疾病發(fā)生機(jī)理研究的發(fā)展具有重要意義。

組織水平熒光成像方面所面臨的主要困難在于實(shí)現(xiàn)紅光/近紅外發(fā)光波段石墨烯量子點(diǎn)的獲得。眾所周知，生物體自身熒光以藍(lán)綠光為主，因此多數(shù)藍(lán)綠光發(fā)光波段的石墨烯量子點(diǎn)在應(yīng)用于組織水平的熒光成像時將面臨信號難以與生物體自身熒光相區(qū)分的問題。與此同時，短波長的藍(lán)綠色熒光低下的組織穿透深度也阻礙了目標(biāo)組織在活體生物體外的有效熒光成像。為了解決該問題，研究者們針對紅光/近紅外發(fā)光石墨烯量子點(diǎn)的制備開展了大量的工作。Kumawat等人使用微波輔助方法處理芒果葉片的乙醇提取物獲得了紅色發(fā)光的石墨烯量子點(diǎn)^[20]。所制備的石墨烯量子點(diǎn)在生物成像中被證明是有效的近紅外響應(yīng)熒光探針，該量子點(diǎn)可選擇性地自定位在細(xì)胞質(zhì)中（圖7）；Jiechao Ge課題組制備了紅光/近紅外發(fā)射的石墨烯量子點(diǎn)，并證明了該量子點(diǎn)在體外熒光成像方面的重要意義^[21]。同時，該研究工作為基于石墨烯量子點(diǎn)的高效腫瘤可視化光動力治療提供了重要的材料學(xué)基礎(chǔ)。

圖8. 石墨烯量子點(diǎn)在腫瘤細(xì)胞自噬泡中的富集^[21]

亞細(xì)胞水平熒光成像方面，前期研究工作表明，石墨烯量子點(diǎn)主要通過濃度擴(kuò)散及內(nèi)吞過程自由分散于細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，不具有顯著的亞細(xì)胞水平選擇性。這使得利用石墨烯量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)亞細(xì)胞水平的原位熒光監(jiān)控存在困難。因此，實(shí)現(xiàn)基于石墨烯量子點(diǎn)的亞細(xì)胞水平熒光成像所面臨的主要問題在于通過合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予石墨烯量子點(diǎn)特定的亞細(xì)胞水平選擇性。上海交大醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院范先群課題組與微系統(tǒng)所丁古巧課題組發(fā)現(xiàn)晶格內(nèi)N原子有序摻雜的石墨烯量子點(diǎn)可選擇性地富集于腫瘤細(xì)胞的自噬泡中（圖8），該研究工作不僅明確了腫瘤細(xì)胞在攝入石墨烯量子點(diǎn)之后的自我保護(hù)機(jī)制，同時也促進(jìn)了腫瘤可視化智能治療技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)^[22]；張忠平課題組制備了陽離子修飾的石墨烯量子點(diǎn)，該量子點(diǎn)具有追蹤細(xì)胞核中DNA和RNA的獨(dú)特能力（圖9），該量子點(diǎn)在分別與雙鏈DNA（dsDNA）和單鏈RNA（ssRNA）結(jié)合后可發(fā)出光譜上可區(qū)分的熒光信號^[23]。

圖9.（a）修飾后的石墨烯量子點(diǎn)與細(xì)胞核內(nèi)DNA和RNA相互作用的示意圖。dsDNA作用下石墨烯量子點(diǎn)發(fā)出綠色熒光，而ssRNA作用下石墨烯量子點(diǎn)發(fā)出紅色熒光。（b）石墨烯量子點(diǎn)處理的三種細(xì)胞系的熒光顯微照片。（c）石墨烯量子點(diǎn)處理的HeLa細(xì)胞同時被488和543 nm激發(fā)后的共聚焦顯微照片^[23]。

4.2.生物熒光檢測與診斷

在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞、亞細(xì)胞、組織水平的熒光成像基礎(chǔ)上，研究者們借助對石墨烯量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的修飾，逐步實(shí)現(xiàn)了大量重要疾病標(biāo)志物的生物熒光檢測，進(jìn)而開發(fā)了多樣化的疾病診斷技術(shù)。細(xì)胞內(nèi)活性氧化物質(zhì)（ROS）的評估可極大地加深人們對細(xì)胞代謝/增殖過程以及腫瘤發(fā)生機(jī)制的了解，同時有助于腫瘤診斷技術(shù)的開發(fā)。丁古巧課題組制備了Se摻雜的石墨烯量子點(diǎn)并成功實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)ROS代謝過程的原位熒光監(jiān)控^[24]。在此研究工作的基礎(chǔ)上，丁古巧課題組在石墨烯量子點(diǎn)中引入環(huán)三磷腈結(jié)構(gòu)^[25]，該結(jié)構(gòu)在細(xì)胞內(nèi)ROS的氧化作用下可使石墨烯量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率從12%大幅提升至63%。密度泛函理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明環(huán)三磷腈環(huán)在被氧化后導(dǎo)致了石墨烯量子點(diǎn)電子云的強(qiáng)烈極化進(jìn)而大幅提升了石墨烯量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率。該量子點(diǎn)被進(jìn)一步應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)ROS水平的長效評估，準(zhǔn)確率為98.3%。進(jìn)一步的研究表明，該結(jié)構(gòu)的石墨烯量子點(diǎn)對多種腫瘤細(xì)胞具有優(yōu)異的識別性能，腫瘤細(xì)胞、體細(xì)胞共培養(yǎng)體系下腫瘤細(xì)胞的識別率達(dá)到90%。血液內(nèi)循環(huán)腫瘤細(xì)胞模型中該量子點(diǎn)對腫瘤細(xì)胞的識別率達(dá)到82.33%（圖10）；Jingyu Shi等人報(bào)道了一種結(jié)合石墨烯量子點(diǎn)與金納米顆粒的新型熒光共振能量轉(zhuǎn)移生物傳感器^[26]。該傳感器能夠?qū)瘘S色葡萄球菌的特異性基因序列進(jìn)行定量檢測。通過對比加入目標(biāo)物前后的整個體系的熒光變化，可對目標(biāo)基因序列進(jìn)行定量檢測，針對金黃色葡萄球菌的檢出限為1 nM。

圖10. 三聚磷腈環(huán)摻雜的石墨烯量子點(diǎn)的生物安全性及其在腫瘤檢測領(lǐng)域的應(yīng)用演示^[25]

IsraaAl-Ogaidi等人利用石墨烯量子點(diǎn)開發(fā)了一種化學(xué)發(fā)光免疫芯片，該芯片實(shí)現(xiàn)了卵巢癌標(biāo)志物CA-125的定量檢測^[27]。IsraaAl-Ogaidi等人首先將石墨烯量子點(diǎn)和CA-125捕獲抗體（cAB）依次連接于氨基改性的玻璃片表面，隨后利用牛血清白蛋白阻斷未反應(yīng)的活性位點(diǎn)，在待檢測物與玻璃片結(jié)合后，加入辣根過氧化物酶（HPR）結(jié)合的捕獲抗體（Ab-HPR）。Ab-HPR能夠催化過氧化氫產(chǎn)生活性氧，并與魯米諾（Luminol）反應(yīng)產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。該芯片對CA-125的檢出限為0.05 U mL^-1（圖11）。

圖11. 基于石墨烯量子點(diǎn)的化學(xué)發(fā)光免疫芯片工作原理示意圖^[27]

4.3.可視化智能治療

在實(shí)現(xiàn)基于石墨烯量子點(diǎn)的生物成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究者們進(jìn)一步開展了石墨烯量子點(diǎn)在疾病可視化治療領(lǐng)域的相關(guān)探索。其中，針對腫瘤治療領(lǐng)域的應(yīng)用探索是該研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。Jiechao Ge課題組證明了所制備的紅光/近紅外發(fā)射石墨烯量子點(diǎn)可作為一種新型光動力治療試劑用于腫瘤光動力治療中^[21]。該石墨烯量子點(diǎn)可通過多態(tài)敏化過程產(chǎn)生單線態(tài)氧（¹O₂），¹O₂量子產(chǎn)率高達(dá)1.3，證明了該石墨烯量子點(diǎn)可用于腫瘤的可視化光動力治療（圖12）。

圖12.（a）在不同區(qū)域皮下注射石墨烯量子點(diǎn)后的明場圖像和（b）紅色熒光圖像。激發(fā)波長為502-540 nm，收集的熒光通道為695-775 nm。（c）在第1、9、17和25天進(jìn)行各種處理后的小鼠照片。（PDT：石墨烯量子點(diǎn)注射并實(shí)施光照射；C1：僅注射石墨烯量子點(diǎn)；C2：僅光照射。）（d）不同治療后隨時間下的腫瘤生長曲線^[21]。

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上海交大醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院范先群課題組與微系統(tǒng)所丁古巧課題組在發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞攝入石墨烯量子點(diǎn)后的自噬保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于晶格內(nèi)N原子有序摻雜石墨烯量子點(diǎn)和自噬抑制藥物連用的腫瘤可視化智能治療方案^[28]。細(xì)胞、動物活體實(shí)驗(yàn)評估結(jié)果表明，通過石墨烯量子點(diǎn)和自噬抑制藥物聯(lián)用，可實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的靶向高效殺滅。裸鼠皮下腫瘤模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述治療方案在15天中使腫瘤體積顯著減?。[瘤體積縮小75%），相比傳統(tǒng)化療藥物其效率提升3-4倍。與此同時，由于高效的靶向能力，治療過程中毒副作用顯著下降。在動物模型中未發(fā)現(xiàn)明顯全身毒性和器官損傷。該項(xiàng)研究為當(dāng)前腫瘤治療技術(shù)中遇到的實(shí)時監(jiān)控、高靶向率治療、抗耐藥性三大難點(diǎn)提供了新的思路和有效的解決方案。

在其他疾病的可視化治療領(lǐng)域，石墨烯量子點(diǎn)同樣也展現(xiàn)了超凡的應(yīng)用前景。Jeremy J. Mao等人證明了石墨烯量子點(diǎn)在干細(xì)胞三系分化中的重要作用^[29]；Han Seok Ko等人證明了石墨烯量子點(diǎn)能夠穿透血腦屏障并有效抑制帕金森綜合征中的α-共核蛋白形成纖維化聚集體（圖13），從而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的保護(hù)，阻止了帕金森綜合征的發(fā)展^[30]。

圖13.石墨烯量子點(diǎn)與α-共核蛋白的相互作用^[30]

5.???挑戰(zhàn)與展望

綜上所述，本文簡要回顧了近年來石墨烯量子點(diǎn)的制備技術(shù)及其在生物熒光成像、生物熒光檢測與診斷、可視化智能治療等生物醫(yī)藥領(lǐng)域的研究進(jìn)展。十余年的發(fā)展使石墨烯量子點(diǎn)在諸多領(lǐng)域獲得了系列突破，然而該領(lǐng)域的研究仍面臨著諸多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。首先，石墨烯量子點(diǎn)的規(guī)?；煽刂苽浼夹g(shù)仍有待進(jìn)一步開發(fā)，相較于已實(shí)現(xiàn)相對成熟規(guī)?；苽浼夹g(shù)的其他石墨烯衍生物，石墨烯量子點(diǎn)的公斤級以上制備仍存在技術(shù)瓶頸，這一現(xiàn)狀嚴(yán)重阻礙了石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用技術(shù)發(fā)展；其次，石墨烯量子點(diǎn)發(fā)光機(jī)制模型仍存在諸多分歧，這使得石墨烯量子點(diǎn)光學(xué)性能的調(diào)制仍以“試錯法”為主要方法；再次，石墨烯量子點(diǎn)分子生物學(xué)層面的生物作用機(jī)制仍不明確，Han Seok Ko等人的相關(guān)研究工作證明了石墨烯量子點(diǎn)分子生物學(xué)層面的生物作用機(jī)制研究有助于相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)；最后，具有實(shí)際應(yīng)用市場價值的石墨烯量子點(diǎn)生物醫(yī)藥應(yīng)用技術(shù)仍有待發(fā)展。這不僅是石墨烯量子點(diǎn)所面臨的重要現(xiàn)實(shí)問題，同樣也包括石墨烯在內(nèi)的諸多新型功能材料所面臨的共性問題。

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