隨著各領(lǐng)域行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，檢測(cè)已經(jīng)不可或缺。面對(duì)海量的檢測(cè)需求、極短的檢測(cè)時(shí)限，傳統(tǒng)方法檢測(cè)緩慢、要求高、操作復(fù)雜的短板已經(jīng)越來(lái)越難以適應(yīng)，新一代更快、更好、更方便的檢測(cè)技術(shù)亟待研發(fā)。即時(shí)測(cè)試(PoCT)具有短耗時(shí)、高集成、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能保證準(zhǔn)確度和一定的敏感度，在食品、檢疫、醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，許多納米材料被用于一種全新的納米 PoCT方法，碳點(diǎn)(CDs)的應(yīng)用就是其中之一。
CDs是一類新型的納米材料，通常是小于10nm的零維納米材料，一般都具有光致發(fā)光的特性。CDs的表面可以通過(guò)化學(xué)修飾附上大量官能團(tuán)如羧基、羥基、胺基等，也可以吸附聚合物鏈如核酸等。CDs具有優(yōu)異的光學(xué)特性、抗菌活性、生物相容性和生物安全性，在體內(nèi)外測(cè)試中被廣泛使用。
本工作就CDs各種獨(dú)特的性質(zhì)綜述了其在生物檢測(cè)方向的應(yīng)用，為開(kāi)發(fā)靈活、廣泛的納米材料PoCT平臺(tái)提供信息。
1、可用于核酸檢測(cè)的CDs制備和表征
1.1 CDs的制備
CDs可通過(guò)多種方法制備，不同的制備方法決定了CDs的微觀結(jié)構(gòu)、大小和量子產(chǎn)率。CDs的來(lái)源豐富，以食物為碳源的食源性CDs也常常受到關(guān)注。QIN等以面粉為原料，微波輔助快速、綠色制備CDs，將Hg2+的檢出限進(jìn)一步下降至 0.5nmol·L-1；YAVUZ等由甜菜糖蜜制備CDs，粒徑為1.3~3.8nm；WANG等以大豆為原料制備了藍(lán)色熒光CDs，量子產(chǎn)率為4.46％；JOTHI等使用米糠制備了自鈍化的亮綠色熒光CDs，量子產(chǎn)率為7.4％。
CDs的制備一般分為自上而下和自下而上兩種方法。
1.1.1 自上而下的制備方法
CDs的自上而下制備方法通常是以碳納米管、碳纖維、石墨、活性炭等宏觀 含碳物質(zhì)為原料，通過(guò)物理或化學(xué)方法分解至納米級(jí)而得到。由于分解物質(zhì)所需條件苛刻，反應(yīng)常在高熱、強(qiáng)酸等極端環(huán)境下發(fā)生，制備過(guò)程較為繁瑣。2004年，XU等在對(duì)熒光單壁碳納米管(SWCNT)的碎片進(jìn)行電泳分析和純化時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了一種熒光碳雜質(zhì)，并首次提出了CDs這種納米尺度的物質(zhì)有望作為新的納米材料而得到應(yīng)用。他們通過(guò)電弧放電法從SWCNT的粗煙灰中分離得到CDs，但此種方法得到的CDs難以純化，量子產(chǎn)率也不是很高。2006年，SUN等通過(guò)激光燒蝕法(LA)制備了熒光CDs，該方法可以產(chǎn)生較為純凈的CDs，量子產(chǎn)率也提高至4％~10％。產(chǎn)生的熒光CDs在固定激發(fā)波長(zhǎng)的光照下能夠呈現(xiàn)多種波長(zhǎng)的發(fā)射光，該方法也逐漸成為目前常用的CDs自上而下制備方法。2020年，KANG等使用脈沖LA一步制備摻硫石墨烯量子點(diǎn)，這種CDs的量子產(chǎn)率為3.89％，光學(xué)性能得到了很大的提升。CALABRO等通 過(guò)液相 LA制備石墨烯量子點(diǎn)，并與化學(xué)氧化法進(jìn)行了比較，認(rèn)為液相LA能夠減少化學(xué)藥品用量，且副產(chǎn)物較少，從而使更快、更綠色制備石墨烯量子點(diǎn)成為可能。
電化學(xué)或化學(xué)制備法能在保證一定量子產(chǎn)率的條件下，實(shí)現(xiàn)CDs的表面功能化。在常壓和常溫下，CDs可通過(guò)強(qiáng)氧化劑以氧化還原反應(yīng)的方式制備，這樣的制備方式能在一定程度上控制CDs的顆粒大小，將氨基、羧基、羥基等功能基團(tuán)修飾到CDs上，故上述制備方式常常被用于納米生物傳感器的制作。
超聲波是一種波長(zhǎng)極短的機(jī)械波，具有較強(qiáng)的能量。利用超聲波的機(jī)械破碎性 質(zhì)制作CDs僅需要氧化劑和超聲波設(shè)備，故被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的制備方法。PARK等將食物垃圾的乙醇溶液用40kHz超聲波處理45min后離心，得到了綠色熒光的CDs。但當(dāng)在有氧環(huán)境下超聲處理 CDs時(shí)，附著在CDs上的熒光會(huì)因強(qiáng)烈的氧化作用而猝滅，導(dǎo)致量子產(chǎn)率的急劇下降，仍需要進(jìn)一步使用水熱法以形成新的熒光基團(tuán)。
1.1.2 自下而上的制備方法
熱分解法是目前最有可能實(shí)現(xiàn)大批量CDs工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法之一。它通過(guò)加熱裂解含碳前體，在短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)生 CDs。工業(yè)化生產(chǎn)中可以通過(guò)控制反應(yīng)的酸度、溫度、回流時(shí)間、碳化度等來(lái)控制CDs產(chǎn)物的熒光特性。MA等建立了一種以乙二胺四乙酸(EDTA)為前體通過(guò)熱分解法制備石墨烯量子點(diǎn)的方法，該方法操作簡(jiǎn)單、無(wú)溶劑、前體耐受性強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)間短、成本低和可擴(kuò)展生產(chǎn)。此外，以檸檬酸為前體的CDs也可以使用熱分解法進(jìn)行制備。
水熱法是指通過(guò)水熱碳化(HTC)技術(shù)制備CDs，是目前最常用的CDs制備方法。該方法是將有機(jī)前體密閉于高溫高壓容器中進(jìn)行一定時(shí)間的碳化。水熱法制備的CDs在紫外光的照射下能夠顯示出多種穩(wěn)定的發(fā)射熒光，熒光發(fā)射的波長(zhǎng)和所使用的有機(jī)前體具有一定的關(guān)系。一步水熱法最早建立于2013年，GUO等利用檸檬酸鈉和碳酸氫銨一步制備了熒光碳量子點(diǎn)，將CDs制備的量子產(chǎn)率提高至68％。
微波可為前體分子中化學(xué)鍵的斷裂提供能量，常常與熱分解法或水熱法聯(lián)用。ROMERO等將微波法和水熱法結(jié)合制備 CDs，YU等將微波法與熱分解法結(jié)合制備酸度敏感的綠色CDs。
模板法制備CDs一般包含兩步：①在模板中煅燒制備所需的CDs；②蝕刻去除支撐物。LIU等以二氧化硅微球作為模板載體，以甲階酚醛樹(shù)脂為前體，2mol·L-1氫氧化鈉溶液蝕刻48h除去二氧化硅微球，制備了多色CDs，量子產(chǎn)率為14.7％。
1.2 CDs探針的功能化設(shè)計(jì)策略
1.2.1 核酸包被的CDs探針
使用核酸包被納米材料是近年來(lái) PoCT技術(shù)的新趨勢(shì)，一些研究表明核酸能夠通過(guò)氫鍵、π-π堆疊或疏水作用與 CDs相互結(jié)合，從而被連接在一起。GARCÍAＧMENDIOLA等基于CDs開(kāi)發(fā)了一種一次性電化學(xué)DNA生物傳感器，用于識(shí)別聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)樣品中的基因突變，該CDs通過(guò)乙二醇雙(2-氨基乙基醚)四乙酸(EGTA)熱分解法制備，能夠有效固定DNA并保持其雜交能力。MILOSAVLJEVIC等以檸檬酸作為碳源，以聚乙二醇(PEG)作為封端劑，增強(qiáng)了CDs的光學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，將 DNA與 CDs溶液混合制備得到了CDs＠DNA復(fù)合物，并對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)、光學(xué)以及電泳性能的表征。
雖然單鏈DNA能夠通過(guò)簡(jiǎn)單混合的方法固定到富含羧基的CDs表面上，但這種固定方法不是牢固而不可逆的。WEI等用單鏈DNA包被CDs，利用單鏈DNA與丙烯酰胺(AM)的高親和力使其與CDs產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，當(dāng)樣本中存在AM時(shí)單鏈DNA優(yōu)先與AM結(jié)合，將其從CDs中爭(zhēng)奪下來(lái)，從而暴露CDs產(chǎn)生熒光。這種競(jìng)爭(zhēng)性“關(guān)-開(kāi)”的發(fā)光機(jī)制，或許可以通過(guò)對(duì)比檢測(cè)對(duì)象與核酸探針、核酸探針與CDs之間作用力大小進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而用于更多的檢測(cè)方法中。
1.2.2 雜原子摻雜的CDs探針
雜原子摻雜能夠通過(guò)改變CDs固有的電子特性、增加表面活性位點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)和改善CDs的熒光特性，這在細(xì)胞成像和微生物檢測(cè)等微量分析中非常重要。為了獲得更好的生物成像效果以及更高的熒光強(qiáng)度，氮和硫原子常常被摻雜進(jìn)CDs中。LI等以尿素和半胱氨酸為碳源、氮源及硫源，采用水熱法制備氮硫摻雜的CDs，并測(cè)定菇類食品中維生素B2，檢出限達(dá)到5.0×10-8mol·L-1。WEI等以水熱法制備了氮硫摻雜的CDs，其光致發(fā)光性能在不同的酸度、高含量氯化鈉和不同金屬離子的環(huán)境中均穩(wěn)定保持，能被用于MCF-7和K562細(xì)胞質(zhì)中的多色成像。ROMERO等采用化學(xué)氧化法制備氮硫摻雜的CDs，并用于廢水中高碘酸根的檢測(cè)，其量子產(chǎn)率達(dá)到22％，這甚至超過(guò)了一些水熱制備的成像用CD。LIU等利用氮硫摻雜的CDs完成了對(duì)酸度和溫度(10~70℃)的傳感，并建立了一種定位于 細(xì)胞核的RNA選擇性成像技術(shù)，進(jìn)一步對(duì)氮硫摻雜CDs與DNA或RNA的親和力進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)氮硫摻雜可以使CDs特異性結(jié)合RNA而不是DNA，這一發(fā)現(xiàn)能被用于基于CDs的RNA特異性探針的設(shè)計(jì)。
其他雜原子的摻雜也能夠改變CDs的 光學(xué)特性和檢測(cè)對(duì)象特異性，例如磷氯摻雜的CDs能夠特異性檢測(cè)Fe3+，氮磷摻雜的CDs能夠在血清和尿液中檢測(cè)Cd2+。環(huán)境因素也能改變CDs的檢測(cè)性能，由于水熱法合成的CDs表面能夠通過(guò)共價(jià)鍵連接豐富的羧基、酚羥基等酸性基團(tuán)，它們可逆的質(zhì)子化和去質(zhì)子化造成了電子能級(jí)的變化，并直接導(dǎo)致了CDs熒光性質(zhì)的改變。氮氟摻雜的CDs在pH13時(shí)能夠檢測(cè)硅，而在pH8時(shí)則能夠檢測(cè)汞。利用酸度對(duì)雜原子摻雜CDs的影響，路雯婧等合成了pKa為5.32的鐵摻雜CDs，能夠通過(guò)熒光強(qiáng)度的變化線性地檢測(cè)細(xì)胞內(nèi) pH在4.4~6.2內(nèi)的變化。溫度變化也能夠通過(guò)熱力學(xué)的粒子效應(yīng)影響CDs的熒光性質(zhì)，當(dāng)溫度上升時(shí)粒子振動(dòng)增加，碰撞頻率增加，當(dāng)CDs相互靠近時(shí)其熒光會(huì)被淬滅，體系中的熒光強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)下降。陳文靜等合成的氮硫摻雜的CDs利用這一原理，在20~55℃內(nèi)通過(guò)測(cè)量415nm處的熒光強(qiáng)度來(lái)線性反映溫度的變化。
諸多文獻(xiàn)也提示其他雜原子摻雜能夠調(diào)節(jié)和改善CDs熒光特性，如磷、氮、硫、硼等。結(jié)果發(fā)現(xiàn)CDs的光學(xué)性質(zhì)和檢測(cè)對(duì)象特異性能夠通過(guò)表面雜原子修飾的方法進(jìn)行優(yōu)化，不同的原子摻雜可以給CDs增添不同的檢測(cè)對(duì)象和功能，酸度等環(huán)境因素也能夠影響CDs和檢測(cè)對(duì)象之間的互相作用。
1.3 CDs的表征技術(shù)
與其他的納米粒子表征方法相同，CDs的粒子形貌一般通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)、透射電子顯微鏡(TEM)等手段進(jìn)行表征。
AFM是一種利用探針尖端與樣品表面相互作用而成像的顯微方法，可提供CDs的二維和三維圖像。TEM利用電子束與 CD樣品相互作用產(chǎn)生的散射來(lái)生成明暗圖像，以觀察CDs的粒徑。DONG等制備了抗菌量子點(diǎn),并用AFM和TEM的方法進(jìn)行了表征，結(jié)果顯示CDs的高度約４nm，粒徑約５nm,在二維圖像中呈圓形。
部分具有熒光性質(zhì)的CDs常常需要對(duì)其光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行表征。傅立葉變換紅外光譜(FT-IR)是一種常見(jiàn)的化學(xué)結(jié)構(gòu)分析方法，制備后的CDs可通過(guò)這種方法進(jìn)行表征，獲取其表面的化學(xué)基團(tuán)信息，從而決定之后的修飾方式。MEHTA等通過(guò)FT-IR分析制備的CDs得知其表面有豐富的O-H、C-H、C＝O、C＝C、C-N和C-O 基團(tuán)。X射線晶體衍射結(jié)果表明其中含有湍層碳和石墨碳。
紫外-可見(jiàn)吸收光譜法以及熒光光譜法也常被用作CDs的表征手段。根據(jù) MEHTA等的表征結(jié)果，制備的CDs的紫外可見(jiàn)光吸收波長(zhǎng)為250nm和300nm，熒光激發(fā)波長(zhǎng)為368nm，熒光發(fā)射波長(zhǎng)為475nm。
對(duì)于多色量子點(diǎn)，也可以通過(guò)紫外吸收峰的位置進(jìn)行區(qū)別。JIANG等制備了紅綠藍(lán)3色的光致發(fā)光CDs，并采用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法對(duì)制備的熒光量子點(diǎn)進(jìn)行表征。3種CDs的紫外-可見(jiàn)吸收光譜顯示其吸收峰位置類似，表明其具有類似的性質(zhì)，并在不同波長(zhǎng)處具有各自的熒光發(fā)射。
2、基于CDs的PoCT方法的應(yīng)用
2.1 食品安全
食品的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有污染的可能，原料質(zhì)量不佳、農(nóng)藥殘留、違規(guī)添加、摻假等現(xiàn)象是較為常見(jiàn)的食品安全問(wèn)題，嚴(yán)重影響消費(fèi)者的健康，因此快速的 PoCT方法亟待建立。
有機(jī)磷類化合物如甲基對(duì)硫磷、草甘膦、敵敵畏等是常用的一大類農(nóng)藥，微量的有機(jī)磷農(nóng)藥就能導(dǎo)致嚴(yán)重的腸胃道反應(yīng)、臟器衰竭甚至死亡，目前還沒(méi)有針對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥有效的解毒劑，其在食物中的殘留越來(lái)越得到人們的關(guān)注。LI等以巰基乙酸單乙醇胺為前體制備氮硫共摻雜的 CDs，用于檢測(cè)蘋果表面的甲萘威。WANG等采用微波輔助熱解工藝由羊毛制備CDs，量子產(chǎn)率達(dá)到16.3％，并成功在谷物樣品中完成草甘膦的檢測(cè)。敵敵畏是一種廣為人知的農(nóng)用殺蟲(chóng)劑，曾被大量用于農(nóng)業(yè)而導(dǎo)致嚴(yán)重的農(nóng)藥殘留。敵敵畏是乙酰膽堿酯酶(AChE)的不可逆抑制劑，會(huì)導(dǎo)致突觸間隙內(nèi)乙酰膽堿的含量升高，產(chǎn)生尼古丁和毒蕈堿癥狀，死亡率極高。HOU等使用季銨化CDs構(gòu)建了一種量子產(chǎn)率高達(dá)34.2％的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)敵敵畏傳感器，并在卷心菜和果汁中進(jìn)行了驗(yàn)證。
原料檢測(cè)是保證食品安全的重要環(huán)節(jié)，如水的檢測(cè)等。ZHOU等將CDs作為納米探針檢測(cè)復(fù)雜基質(zhì)如湖水中的Hg2+和生物硫醇。韓愛(ài)霞等利用廢棄的 豌豆莢作為碳源，合成了能被Hg2+高效淬滅的氮摻雜CDs，并得到了線性的熒光滴定工作曲線。硅烷修飾的CDs具有與氮 摻雜相似的性質(zhì)，一些硅烷修飾的CDs也能夠檢測(cè)Hg2+ 、Fe3+和Cr(Ⅵ)。這些研究提示了相似原子修飾的CDs可能具有相似的檢測(cè)功能。鄰苯二甲酸二丁酯是一種塑化劑，常被用于生產(chǎn)聚氯乙烯材質(zhì)的各種食品藥品包裝，它不易與塑料共價(jià)結(jié)合而進(jìn)入食品中造成污染。鄰苯二甲酸二丁酯是潛在的致癌物，也具有生殖毒性，孕婦暴露于鄰苯二甲酸二丁酯環(huán)境中易導(dǎo)致新生兒體重降低。徐志祥等用水熱法以抗壞血酸前體制備CDs，隨后與胺化的核酸適配體連接，制備了雙發(fā)射CDs標(biāo)記核酸適配體，通過(guò)熒光比值法建立了食品中鄰苯二甲酸二丁酯的超靈敏快速檢測(cè)方法，并以此申請(qǐng)了專利。LIU等將CDs與 MnO2納米片結(jié)合作為檢測(cè)抗壞血酸的熒光探針，檢出限達(dá)42nmol·L-1。付海燕等采用水熱法制備碳量子點(diǎn)，利用其熒光性質(zhì)檢測(cè)食物中的摻假淀粉，并在咖啡中進(jìn)行了驗(yàn)證。
目前CDs常用于金屬離子的檢測(cè)，在食品安全方向的應(yīng)用較少，多集中于化學(xué)檢測(cè)而缺少生物檢測(cè)。檢測(cè)對(duì)象也偏重于水源、果蔬、包裝等組成成分單一或無(wú)需復(fù)雜加工的食品或食品包裝。對(duì)于加工后食品樣本的檢測(cè)研究較少，這可能是由于復(fù)雜的食品加工方法使得樣本的組成增加，一種CDs可能會(huì)結(jié)合多種靶標(biāo)，導(dǎo)致嚴(yán)重的假陽(yáng)性結(jié)果，從而使檢測(cè)特異性 降低，無(wú)法滿足食品安全檢測(cè)的需要。因此，CDs的功能化方法及其檢測(cè)對(duì)象的分類歸納、機(jī)制的研究就顯得非常重要，這或許是成功預(yù)測(cè)CDs表面修飾和檢測(cè)對(duì)象之間聯(lián)系的突破口。
2.2 檢疫與臨床檢測(cè)
檢疫是防止疾病傳播、物種入侵的重要手段，隨著海內(nèi)外貿(mào)易的不斷發(fā)展，快速準(zhǔn)確的檢測(cè)方法亟待建立。CDs是一種便于制備、經(jīng)濟(jì)、綠色，具有PoCT潛力的新型納米材料,常被應(yīng)用于微生物標(biāo)志物的即時(shí)檢測(cè)。CHEN等利用EDTA采用水熱法制備了量子產(chǎn)率高達(dá)43.6％的 CDs，將鋱以配位鍵的方式結(jié)合到CDs上，對(duì)CDs進(jìn)行功能化，上述用鋱?jiān)庸δ芑腃Ds可以特異性結(jié)合炭疽生物標(biāo)志物2,6-吡啶二羧酸(DPA)。RONG等以氯化錳和檸檬酸為原料，采用熱解法制備藍(lán)色熒光的錳摻雜 CDs(Mn-CDs)，將上述 CDs滴在圓形濾紙上后干燥，得到的熒光試紙也可以特異性結(jié)合DPA。該試紙?jiān)谧贤鉄粝履苡弥悄苁謾C(jī)軟件拍攝成像定量，檢出限為1μmol·L-1。在研究上述Mn-CDs時(shí)還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)錳的摻雜量上升時(shí)，CDs的量子產(chǎn)率也逐漸增加，當(dāng)錳摻雜達(dá)到25％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，Mn-CDs的量子產(chǎn)率達(dá)到最大(13.5％)，相較于摻雜 前 的 8.3％，具有顯著的增強(qiáng)效果。參考CHEN和RONG等的研究，ZHOU等用同為鑭系元素的銪替代鋱對(duì)CDs進(jìn)行功能化，也能夠用于檢測(cè) DPA。用上述銪摻雜的CDs設(shè)計(jì)了雙比例光學(xué)探針，建立了DPA的比色和熒光視覺(jué)檢測(cè)方法，檢出 限分別為10.6nmol·L-1和1μmol·L-1。上述研究發(fā)現(xiàn)，鑭系元素功能化的CDs都能夠特異性識(shí)別DPA，并且具有近似的檢出限，這再次提示了用相似元素對(duì)CDs進(jìn)行功能化可能能夠使其具有類似的檢測(cè)功能。
流行病病原體也是檢疫重要的檢測(cè)對(duì)象。WANG等以CDs與核酸適配體結(jié)合定量檢測(cè)鼠傷寒沙門氏菌，檢出限為50CFU·mL-1。以抗原和單克隆抗體為基礎(chǔ)衍生出的免疫分析技術(shù)現(xiàn)已成為PoCT的主流，在此次新型冠狀病毒疫情中發(fā)揮了重要作用。選用富含氨基的碳源合成的氨基化CDs能夠結(jié)合酰胺化的蛋白，張春林等利用氨基葡萄糖合成氨基化CDs，采用化學(xué)偶聯(lián)法將其與大腸桿菌抗體連接，相同的方法也有望用于CDs與抗原的連接，以提供更快速、易于獲得的抗原試劑盒。
作為PoCT的一種應(yīng)用，床邊檢測(cè)逐漸成為臨床檢測(cè)方向的新趨勢(shì)。CDs的快捷性、簡(jiǎn)便性使其在血液檢查中非常受歡迎，同時(shí)其較小的分子尺寸、良好的生物相容性、低毒性和強(qiáng)熒光性質(zhì)使其成為一種良好的生物成像材料。
鎘被廣泛用于各種工業(yè)制品的生產(chǎn)中，它不是人體的必需元素，從被污染的空氣、水和食物中攝入過(guò)量的鎘會(huì)引起鎘中毒。鎘中毒的常見(jiàn)臨床表現(xiàn)為貧血、腎臟損傷，骨質(zhì)中的鈣被鎘置換引起骨軟化和骨質(zhì)疏松，嚴(yán)重時(shí)能夠?qū)е鹿钦酆屯赐床?。此外，鎘中毒還有潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)。為了避免從水源攝取過(guò)量的鎘，NIU等設(shè)計(jì)了由CDs與金納米團(tuán)簇(AuNCs)組成 的納米雜化物，以測(cè)定湖水中的鎘，通過(guò)組氨酸和丙氨酸水熱法制備發(fā)藍(lán)色光的 CDs，用11-巰基十一烷酸(MUA)封端的發(fā)紅色光的AuNCs對(duì)其進(jìn)行功能化，從而特異性識(shí)別鎘離子，此外該CDs還能夠檢測(cè)人血清中的抗壞血酸。裴元生等用 CDs修飾玻碳電極后鍍鉍膜，用于檢測(cè)地下水中鎘和鉛，質(zhì)量濃度為0.25mg·L-1時(shí)能報(bào)告非常高的峰電流。劉意等利用 氮硼共摻雜的CDs檢測(cè)溶液中的鎘，利用熒光增強(qiáng)效應(yīng)準(zhǔn)確建立了光強(qiáng)與鎘含量的關(guān)系，為鎘定量檢測(cè)提供了新思路.HUANG等將氮鈷共摻雜的熒光磁性 CDs作為人體血清中膽固醇和尿酸的比率熒光探針，可作為快速的臨床診斷方法。CHELLASAMY等將CDs熒光檢測(cè)與智能手機(jī)結(jié)合，通過(guò)智能手機(jī)上比色傳感器陣列閱讀系統(tǒng)對(duì)老年人血漿中的多巴胺進(jìn)行檢測(cè)。
CDs具有良好的生物相容性和低毒性。XU等通過(guò)水熱法制備碳量子點(diǎn)以穩(wěn)定釓納米探針，可作為核磁共振成像(NMRI)的造影劑，也能通過(guò)熒光成像。ZHANG等使用干酵母微波熱解得到綠色的發(fā)光CDs，并進(jìn)行葉酸功能化來(lái)對(duì)葉酸受體陽(yáng)性的癌細(xì)胞進(jìn)行成 像。KALYTCHUK等使用氮硫摻雜的CDs光致發(fā)光的壽命推算被測(cè)細(xì)胞的溫度，為癌癥熱療提供了準(zhǔn)確的組織溫度測(cè)量方法。新成像技術(shù)是診斷醫(yī)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)目標(biāo)，CDs可以通過(guò)口服或注射的方法進(jìn)入體內(nèi)并被運(yùn)送到病灶處進(jìn)行顯影。NIU等利用蛋白質(zhì)ＧCDs在大腦中有著顯著的成像效果來(lái)檢測(cè)早期的血腦屏障損傷，并估計(jì)溶栓后癥狀性顱內(nèi)出血的情況。DAS等使用聚乙二醇辛基苯基醚作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，以吡咯和苯胺為前體，制備了氮摻雜的CDs，它能夠在實(shí)現(xiàn)熒光成像的同時(shí)具有良好的光熱效應(yīng)，在980nm近紅外光下誘導(dǎo)人口腔癌細(xì)胞發(fā)生熱消融效應(yīng)，既能夠完成檢測(cè)又能夠準(zhǔn)確可控地殺滅癌細(xì)胞，是一種新穎的癌癥熱療方法。此外，將CDs添加入組織再生支架中，在維持支架機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，還能增加其抑菌和監(jiān)測(cè)能力，一些添加了CDs的支架材料還具有誘導(dǎo)組織增殖和定向分化的作用。
3、總結(jié)與展望
作為一種新型的納米材料，CDs便于制備、生物相容性好、環(huán)保低毒，同時(shí) CDs的熒光、光熱效應(yīng)顯著，且易于與其他固相載體連接，因而被廣泛應(yīng)用于各類 PoCT方法中。CDs能夠通過(guò)多種途徑制備，其中水熱法制備的CDs色彩多樣、量 子產(chǎn)率高、表面易于功能化。雜原子摻雜的CDs具有更好的量子產(chǎn)率，摻雜了同一類元素的CDs有較為近似的性質(zhì)，但具體機(jī)制仍未可知,有待進(jìn)一步研究。此外，CDs作為造影劑，相對(duì)分子質(zhì)量較小，能夠穿過(guò)血腦屏障完成腦中成像，有利于腦科疾病的預(yù)防和診斷。
目前CDs的成像多應(yīng)用于體外培養(yǎng)細(xì)胞或裸鼠注射試驗(yàn)，并得到了較好的結(jié)果。CDs的合成成本低、應(yīng)用面廣，但目前主要的合成方法停留在實(shí)驗(yàn)室階段，大批量的工業(yè)合成仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。已知的合成方法中熱分解法和水熱法是最便于合成、量子產(chǎn)率最高的方法。通過(guò)擴(kuò)大合成規(guī)模，優(yōu)化和篩選各個(gè)步驟在放大試驗(yàn)中的條件改變，參考其他納米材料的生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整和適應(yīng)，或許是解決CDs工業(yè)化生產(chǎn)的好方法。CDs通常具有較低的生物毒性，但進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的CDs仍有可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡，這主要是因?yàn)楸患?xì)胞內(nèi)化的 CDs可能會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞產(chǎn)生光致?lián)p傷或催化活性氧(ROS)的過(guò)量產(chǎn)生，導(dǎo)致細(xì)胞氧化應(yīng)激，如何鈍化或如何功能化CDs以有效降低其生物毒性值得深入研究。前期不少研究也發(fā)現(xiàn)雜原子摻雜的CDs具有多種多樣的性質(zhì)，但CDs檢測(cè)對(duì)象的篩選往往是通過(guò)偶然發(fā)現(xiàn)或比對(duì)淬滅效果篩選得到的，效率低、普適性差。因此，CDs特異性檢測(cè)的具體機(jī)制亟待研究，通過(guò)比較相似雜原子摻雜CDs的化學(xué)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行功能歸類，可能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的預(yù)測(cè)?，F(xiàn)今高通量也逐漸成為PoCT方法追求的熱點(diǎn),多色CDs的合成和應(yīng)用也為其高通量檢測(cè)方法的誕生奠定了良好的基礎(chǔ)，適用于普通打印機(jī)的CDs墨水也擴(kuò)展了CDs的應(yīng)用方式。隨著對(duì)CDs制備方法和功能機(jī)理的進(jìn)一步研究，CDs的應(yīng)用將越來(lái)越多樣化，更多基于CDs的PoCT檢測(cè)方法值得期待。
作者：高家樂(lè)1，鈕冰1，陳沁1，王艷2
單位：1.上海大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院；
2.上海海關(guān) 動(dòng)植物與食品檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè)》2023年第9期
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