深紅至近紅外碳點光熱特性研究進展

吳 君， 曲松楠，2，3*

（1.澳門大學應用物理及材料工程學院 教育部聯合重點實驗室， 中國 澳門 999078；2.澳門大學科技學院 物理化學系， 中國 澳門 999078；3.澳門大學 教育部精準腫瘤學前沿科學中心， 中國 澳門 999078）

1 引 言

進入21 世紀以來，隨著人類生活水平的提高和世界人口老齡化加劇，癌癥已成為威脅人類生命安全的重要疾病之一[1]。根據世界衛生組織最新報告，全球每年約有990 萬人死于各種癌癥[2]。因此，尋找有效的腫瘤治療方案已成為必須攻克且非常緊迫的問題。

光熱療法是一種有效的治療方法，利用光熱轉化效率較高的材料將光能轉化為熱能，以殺死癌細胞[3-4]。與傳統手術、放療或化療等治療方法相比，光熱療法因其微創、易控制、環境友好和有效抑制腫瘤轉移等優點，受到科研工作者的廣泛關注[5-6]。此外，光熱療法可以與化療、免疫療法等其他治療手段結合，最大限度地減少潛在副作用并提高患者治愈機會[7-9]。理想的光熱劑（PTA）應滿足以下要求：（1）具有較低的毒性，以確保在生物體內長期停留時的安全性；（2）具有高光熱轉換效率，最大限度地將吸收的光能轉化為熱量；（3）具備腫瘤組織靶向能力，以確保對靶組織/器官的治療效果；（4）具備近紅外光引發的光熱特性，以便于破壞深層次腫瘤細胞。

碳點（CDs）因其寬帶吸收、良好的生物相容性、光穩定性和低毒性等特點，被認為是癌癥治療中光熱劑的潛在候選者[10-12]。實際應用階段，為減弱光激發過程中的高水平光散射和活體組織光吸收，研究人員對長波長吸收和發射特性的碳點（圖1）產生了濃厚興趣，尤其在光譜范圍為650～1 800 nm 的“生物透明窗口”內[13-14]。在這一光譜范圍內，組織的穿透深度更大，成像噪音較低，從而有助于實施體內無創光療操作。目前，已有研究報道了具有極高量子產率（高達90%）的強藍色或綠色熒光碳點[15]。然而，具有高效深紅或近紅外吸收和發射的碳點研究較少，面臨著開發時間短、缺乏規律機制總結的問題。本綜述系統地闡述了一些在考慮深紅至近紅外吸收的同時，合成具有光熱特性碳點的方法。

圖1 2015 年至今紅光/近紅外碳點研究發文量Fig.1 Red/near-infrared CDs research publications from 2015 to present

2 深紅至近紅外碳點合成策略

盡管對深紅/近紅外碳點的合成是近年來的研究熱點，但目前仍處于探索階段。由于碳源的多樣性和制備方法的差異性，單個碳點的結構千變萬化，碳點的發光機理仍不明確[16-17]。此外，關于合成條件如何影響光學特性的詳細信息仍然缺乏，因此我們很難精確控制合成特定類型發光中心的碳點?？梢悦鞔_的是，碳點的光學性質因其結構（尺寸和形狀）和組成（表面官能團和分子熒光團）的不同而存在很大差異。

目前，碳點主要有四種發光機制： 碳核控制發光、表面控制發光、量子尺寸效應和交聯增強發射效應（圖2（a））[18]。以碳核及其表面官能團為碳點結構模型時，考慮到碳核控制發光和表面控制發光的理論，我們可以分別強調調整“核”（擴大sp2共軛域）和改變“殼”（增加表面氧化）等幾種途徑，以實現碳點的吸收和發射紅移。此外，雜原子摻雜和其他能夠改變碳核電子結構和表面態的策略也被看作是實現長波長發光的有效方法。

圖2 （a）碳點的四種發光機制；（b）碳點光熱轉換機制示意圖，以及能級結構中三種常見的激發態電子弛豫方式Fig.2 （a）Four luminescence mechanisms of CDs.（b）Schematic diagram of the photothermal conversion mechanism of CDs， and three common modes of excited state electrons relaxation in energy level structures

3 光熱特性碳點調控策略

光熱療法（PTT）是一種有效的、非侵入性的癌癥治療過程，通過光照射可控地產生熱能來殺死癌細胞。上述討論的深紅至近紅外碳點有可能滿足作為光熱劑的要求。

圖2（b）展示了碳點光熱轉換的基本機制。當碳點受到適當波長的光激發時，即入射光能量高于帶隙躍遷能量時，由于光子的作用，電子從基態（S0）躍遷到激發單線態（S1）。當電子從最低振動能級S1弛豫時，主要通過以下三種途徑回到基態。 分別是：（1）以發射熒光的方式，以輻射能的形式耗散掉。 （2）通過非輻射弛豫過程，例如以熱的形式耗散掉。這兩種途徑適用于大部分情況。（3）通過系間穿越，誘導三重態激子從S1躍遷到T1，然后以磷光或自由基的形式返回到S0。

熒光發射（輻射躍遷）和熱量耗散（非輻射躍遷）是處于S1最低振動能級的電子返回基態的兩個主要途徑，這兩個途徑之間相互競爭。因此，熒光猝滅有助于增強碳點的非輻射弛豫過程[4,19]。聚集體的分子運動也可以增強碳點的非輻射躍遷[20]。此外，增加碳點的深紅至近紅外吸收，增大吸光度，也可以增強非輻射弛豫過程。然而，如何在提高近紅外吸收的同時保持低熒光或磷光量子產率和活性氧（ROS）產生率仍然存在問題。

4 深紅至近紅外碳點光熱特性調控策略

為了滿足有效的體內光熱治療要求，碳點的深紅至近紅外吸收需要紅移并增強，輻射躍遷的概率則需要降低。如前所述，碳點的光學特性與其當前的結構和表面狀態密切相關，而這些結構和表面狀態與表面缺陷和電子云密度分布有內在聯系。本節詳細考慮了導致碳點吸收帶隙變窄的能級調控策略。當吸收帶隙減小時，光捕獲能力增強，通過非輻射弛豫的能量耗散過程變得更加有利。因此，光到熱的轉換變得更加高效，有利于實現更高效的光熱轉換效率。

紅移并增強碳點吸收的主要方法（包括擴展共軛域[21]、表面修飾[22]和雜原子摻雜[23]等）可用于提高光熱轉換效率（圖3）。前兩者可通過增加對深紅/近紅外光的吸收來提高非輻射弛豫過程的概率，從而改善光熱轉換效率。需要注意的是，表面工程策略面臨著修飾基團程度不可控和結構不穩定的問題。此外，修飾后的碳點吸收和熒光光譜極度依賴于分散溶劑，這也進一步體現在光熱性能的調節上。雜原子摻雜可以直接改變碳點內部的能級分布，產生π 型或n 型載流子，增加表面缺陷并提高非輻射躍遷的概率。

圖3 紅移并增強碳點長波長吸收和光熱轉化效率的調控策略Fig.3 Strategies to redshift and enhance long-wavelength absorption and photothermal conversion efficiency of carbon dots

提高碳點光熱轉換效率的方法還有半導體耦合和生物大分子包覆等（圖3）。前者通過引入新的能級結構，增加非輻射弛豫過程的可能性。后者是將碳點與生物大分子結合，提高光熱劑在腫瘤組織的聚集度，同時防止產生的熱量損失，從而提高光熱轉換效率。

下面將對以上五種策略進行詳細介紹。

4.1 碳點的尺寸調控

作為一種特殊的半導體量子點，碳點表現出尺寸依賴性的吸收和熒光特性，這是由于碳核sp2共軛域的延伸導致的能隙變窄。

有效擴展共軛π 域的一種方法是選擇具有較大共軛域的分子作為碳源[24-25]。在我們最近的工作中，我們選擇含有5 個苯環的苝四酸酐分子（PTCDA）作為碳源來制備近紅外碳點[26]?？梢杂^察到，碳點的近紅外吸收和發射（>720 nm）本質上源于PTCDA 與尿素分子共價融合產生的類石墨烯結構。Yuan 等利用三重對稱間苯三酚作為前體合成了具有不同尺寸共軛域的碳點。他們成功地將窄帶吸收峰從460 nm 紅移至582 nm[27]。此外，一些源自植物或動物的生物質也可以構建大的sp2共軛域[28]。Shen 等選擇不同的植物葉片，比如魚腥草、金銀花、紫蘇和紅豆杉，作為前體，在乙醇中進行溶劑熱反應以獲得聚合物碳點[29]。這些碳聚合物點的最大發射峰位于670 nm，并具有約20 nm 的超窄半峰寬。

如果使用非共軛或低共軛小分子作為反應原料，則需要更高程度的碳化和脫水縮合來擴展sp2共軛域。檸檬酸與鄰苯二胺、DMF、尿素、乙酰胺或甲酰胺等不同氮源的組合是合成碳點的經典配對。具體來說，當暴露于高溫和高壓條件下時，羧基和氨基發生脫水作用，并以酰胺鍵的形式聚合，形成共軛網絡。我們之前的研究表明，碳點中共軛域的擴展程度可以通過在該反應中引入不同的溶劑來調節[30]。分別使用水、甘油和DMF 作為反應溶劑，碳點的平均直徑由1.7 nm 增加到4.5 nm，并伴隨吸收和熒光光譜的紅移。為了減少反應溶劑的影響，Wei 等在無溶劑條件下選擇了不同的氮基前體，合成了具有增強的長波長吸收和發射特性的碳點（圖4）。通過表征和比較，他們發現碳點的光學特性并不強烈依賴于碳點的粒徑，而是取決于石墨化程度[31]。

圖4 4 個石墨化程度逐漸提高的碳點樣品的可能結構示意圖以及能級和電子躍遷圖解［31］Fig.4 Schematic diagrams of possible structures of the four CDs samples and illustration of energy level and electronic transition［31］

碳點的吸收和發射也可以通過自組裝或聚集的方式發生紅移。由于其豐富的表面官能團，碳點可作為“構建塊”組裝成由氫鍵和靜電相互作用等分子間作用力驅動的更復雜的結構。這些“超碳點”結構中相鄰碳點的表面態能級在空間上重疊，碳核心結構的擴大導致能級的改變和電子躍遷的重排，將發光中心調整到近紅外區域[32]。Li等通過靜電相互作用和氫鍵誘導藍光發射的碳點自組裝，構建了一種具有光熱特性的超碳點，其吸收范圍在470～1 000 nm 之間[33]。該光熱轉換過程歸因于耦合表面態能級內激發電子的非輻射弛豫。然而，由于基于分子間作用力的組裝結合力較弱，得到的超碳點結構不穩定且容易被破壞。Wu 等研究了通過共價鍵鍵合的熔合碳點[34]。這些熔合的碳點聚集體在550～700 nm 之間的寬光譜范圍內的吸收明顯增強，并且出現了一個明顯的近紅外吸收峰。由于熔合碳點引入了新的窄帶吸收能級，在655 nm 激光激發下，光熱轉換效率也得到增強。

4.2 表面基團修飾

除了碳點的量子尺寸效應外，表面化學基團、表面缺陷和附著在碳點表面的熒光分子簇等也對其光學特性產生重要影響。具體來說，使用含有吸電子基團（例如S=O/C=O）的分子或聚合物來修飾“殼”，有助于產生額外的離散能級。這樣，電子就能夠從“核”轉移到“殼”，從而增強近紅外吸收和發射。

Umami 等基于含時密度泛函理論（TD-DFT）研究了不同含氧官能團對碳點結構及其電子和光學性質的影響[35]。研究結果表明，羰基（C=O）是降低碳點最低未占分子軌道能量和能隙的最有效方法（見圖5）。

氧化和還原處理也可以顯著改變碳點的表面狀態。根據表面缺陷控制發光模型，氧化會引起表面缺陷的產生，這些缺陷會俘獲激子，導致最低未占分子軌道（LUMO）和最高占據分子軌道（HOMO）之間的能隙減小，從而使發光峰紅移并增強。例如，Ding 等通過硅膠柱色譜分離的一系列發光碳點的結構分析表明，這些碳點的粒徑相似，但表面狀態，特別是氧化程度，逐漸變化，導致發射峰從440 nm紅移至625 nm[36]。與傳統的半導體量子點不同，碳點的能帶與表面基團和結構相關。隨著表面氧化程度的增加，熒光光譜會紅移。此外，使用強氧化劑對碳點進行后處理也能實現類似的紅移效應。Zhang等報道了一種通過2-碘氧基苯甲酸的后氧化作用在碳點中引入氧相關缺陷的簡便方法，其中一些氮原子被氧原子取代。這些氧相關缺陷中的非配對電子重新排布了氧化后碳點（ox-CDs）的電子結構，從而產生了新的近紅外吸收帶[37]。

由于采用了“自下而上”的合成策略，部分碳點的光致發光現象源自合成原料中的不完全碳化分子團，這被稱為分子熒光團控制的發光。簡單來說，碳點具有前驅體特性繼承性，因此可以有目的地選擇近紅外染料或有機物進行修飾以進行光學特性調控。Zhang 等通過2,3-DAPN熒光團的表面質子化制備了高純度的近紅外發射碳點（～620 nm）[38]。2,3-DAPN 是由前驅體鄰苯二胺衍生而來，其質子化改變了碳點的表面性質，并將發射峰從550 nm 紅移至620 nm。在本綜述中，可以同時考慮選用具有光熱特性的材料（例如聚多巴胺、黑磷等）來合成碳點[39-41]。例如，Chang 等制備了一種聚多巴胺修飾的碳點（CDs/PDA）。這種修飾極大地促進了碳點與多巴胺之間的相互作用，從而提高了光激發電荷載流子的非輻射重組。與此同時，由于光吸收的增強和適當的相互作用，相較于純碳點和純多巴胺材料，所得到的 CDs/PDA 復合材料在光熱轉換方面表現出更高的效率[42]。

4.3 雜原子摻雜

將雜原子引入“核”或“殼”是調節吸收和熒光光譜的另一種方法。非金屬原子或金屬原子可以整合到碳點結構中，從而重新排布碳點能級結構。

當摻雜具有高電負性和高電子豐度的非金屬原子（例如F[43]、N[44]、S[45]等）時，由于雜原子的推/拉電子效應，碳點內的電子密度發生改變，有利于碳點的吸收和熒光光譜紅移。其中，氮摻雜因為氮原子的半徑和價電子數與碳原子的半徑和價電子數相似而被廣泛研究。為了研究不同氮摻雜濃度對碳點光學性質的影響，Rahmawati 等使用X 射線光電子能譜和理論計算證實，增加氮含量會使吸收光譜擴大到可見光區域，并且光熱轉換效率也得到提高[46]，如圖6 所示。這是因為碳點表面引入了更多的官能團，從而降低了帶隙。Calabro 及其同事使用不同的含氮前驅體合成了氮摻雜石墨烯量子點（N-GQD），其總體摻雜濃度由反應條件控制[47]。監測光譜變化表明，高濃度的吡啶氮摻雜有利于發射峰的藍移。此外，氮摻雜位置也影響碳點內部的帶隙結構。氮原子可以以吡啶氮、吡咯氮、石墨氮或氨基氮的形式取代位于碳核中心或邊緣的一部分碳原子。Sarkar 等基于芘和暈苯的組裝設計了不同氮摻雜類型的碳點模型，并在排除量子尺寸效應的影響下進行了研究[48]。TDDFT 計算結果表明，石墨氮摻雜可以在HOMOLUMO 之間產生新能級，降低電子能隙；而其他摻雜類型不能有效改變電子能級。

圖6 在石墨-N 和吡咯-N 存在下具有不同 N/C 原子比的氮摻雜碳點模型及能級結構示意圖［46］。 （a）在石墨-N 和吡咯-N的存在下，具有不同 N/C 原子比的氮摻雜碳點模型；（b）各碳點模型的占位和未占位分子能級圖；（c）每種碳點模型的計算吸收光譜；（d）各碳點的蒸發效率及統計分析；（e）各碳點的光熱轉換機制Fig.6 N-CDs models and energy level structures with varied N/C atomic ratios in the presence of graphitic-N and pyrrolic-N［46］.（a）N-CD models with varied N/C atomic ratios in the presence of graphitic-N and pyrrolic-N.（b）Energy diagram of the occupied and unoccupied molecular energy levels of each CD model.（c）Calculated absorption spectra of each CD model.（d）Evaporation rate of N-CDs.（e）Proposed mechanism of photothermal conversion using N-CDs

使用硫摻雜也可以獲得高光熱轉化效率的近紅外響應碳點。例如，Bao 等報道了一種由檸檬酸和尿素通過一步溶劑熱處理合成的近紅外碳點[49]。通過這種方法獲得的硫和氮共摻雜近紅外碳點可以在相對較低功率的655 nm 激光照射下以59%的光熱轉化效率有效地產生熱量，從而使其成為體內癌癥光熱治療應用的候選材料。研究還表明，對碳點結構進行硫和硒元素的共摻雜也有助于吸收光譜的紅移。Lan 等成功制備了硫、硒共摻雜碳點，用作多功能光熱劑，可用于雙光子熒光成像和光熱治療[50]。其實驗結果證明，摻雜后的碳點發射峰分別在731 nm 和820 nm 處，同時具有約58.2%的高光熱轉換效率，與金納米粒子相比也具有競爭力。

金屬原子也可以摻入碳點，例如鉻（Cr）、錳（Mn）、鋅（Zn）等，以及一些稀土金屬原子。由于金屬原子具有空軌道和較高的電子密度，它們常常與碳點表面的親電基團形成配位鍵，從而顯著改變能級結構。理論上，與大多數非金屬原子相比，金屬離子（如Fe、Ni、Cu、Mn 等）的摻入可以大幅改變能級帶隙，進而增強或使碳點吸收峰紅移，從而實現良好的光熱轉換效果。

Zhang 等制備了Cr6+配位碳點。他們觀察到碳點的吸收峰增強，伴隨著從360 nm 到450 nm 的紅移。同樣地，發射峰也從445 nm 紅移至565 nm[51]。Tian 等通過一步水熱處理（圖7）合成了鎳和氮共摻雜碳點（Ni-CDs）。這種碳點在近紅外-Ⅱ區表現出明顯的吸收，且在1 064 nm 激光激發下具有高達76.1%的光熱轉換效率[52]。

圖7 近紅外二區生物窗口中用于PTI/PAI/MRI 引導的腫瘤光熱治療的Ni-CDs 制備［52］Fig.7 Illustration on the preparation of Ni-CDs for PTI/PAI/MRI-guided PTT of tumor in the NIR-II biowindow［52］

將稀土金屬離子整合到碳點結構中是另一種策略。摻雜后的碳點不僅繼承了稀土原子本身的近紅外激發和發射特性，而且低摻雜濃度也很好地中和了稀土金屬離子的生物毒性。具有代表性的工作是， Hasan 及其同事制備了摻釹（Nd3+）或銩（Tm3+）的石墨烯量子點（Nd-GQD 或 Tm-GQD）[53]。盡管摻雜原子的百分比（Nd/Tm）小于1，但與原始石墨烯量子點相比，808 nm 激發下的近紅外吸收和熒光均得到增強。

4.4 半導體耦合

半導體耦合是一種調整碳點帶隙的新策略。一般來說，碳點屬于寬帶隙半導體，因此電子和空穴的分離比較困難。然而，通過與合適的半導體耦合，可以有效調整碳點的帶隙（半導體的導帶能量低于碳點），使電子和空穴的分離更加有效。目前，許多研究人員已經成功地通過這種方法制備了具有近紅外吸收和高光熱轉化率的碳點復合材料。此外，如果耦合半導體本身也具有較強的光熱轉換能力，其產生的光生電子可以通過系間竄越（ISC）重新進入碳點的導帶，從而實現能量轉移，增強非輻射弛豫的可能性。

最近，Yu 等通過碳點與硫化銅（CuS）的耦合，在808 nm 激光照射下實現了39.7%的光熱轉換效率，是CuS 自身光熱轉換效率的1.9 倍[54]。Lu等（圖8）在空心管狀氮化碳表面負載了碳點（CDs/TCN），這種碳點的引入促進了光生載流子的分離和轉移速度[55]。Jiang 等通過水熱法制備了形貌均勻、表面負載氧化銅（CuO）的光熱碳納米球（CuO@CNSs），發現其光熱轉換效率為10.14%，也高于碳納米球（6.7%）[56]。Song 等制備了β-環糊精功能化的Fe3O4/碳納米顆粒（HFCNPs），發現其光熱轉換效率為27.5%，也高于CNP 和Fe3O4納米顆粒[57]。

圖8 碳點對TCN 光學性質和帶隙的影響［55］。TCN 和CDs/TCN 復合材料帶隙能的紫外可見漫反射光譜（a）和（αhν）2 與光子能量（hν）的關系圖（b）；TCN 和CDs/TCN-3.5%復合材料的Mott-Schottky 圖（c）和能帶結構圖（d）Fig.8 The effect of CDs on the optical properties and the bandgaps of the TCN［55］.UV-Vis DRS（a） and plots of （αhν）2 versus photon energy（hν）（b） for the band gap energies of TCN and CDs/TCN composites.Mott-Schottky plots（c） and band structure diagrams（d） of TCN and CDs/TCN-3.5% composites

4.5 生物大分子包覆

基于生物大分子的光熱劑，包括基于細胞的光熱劑、基于蛋白質的光熱劑、基于核苷酸的光熱劑和基于多糖的光熱劑，以其光熱效率高、涂層簡單、免疫原性低等優點優于其他光熱劑復合系統[58]。其原理是，通過合理構建基于生物大分子的藥劑，可延長其體內停留時間，并降低熱量耗散速率。近年來，已有不少關于生物大分子（如蛋白質、脂質體、DNA 等）分散/復合納米顆粒的研究文獻[59-60]。Shinde 等報道了一種使用大豆卵磷脂包覆紅色熒光碳點的案例，應用在基于成像的協同光熱治療和光動力治療上[61]。與原始碳點和脂質相比，包覆后的碳點展現出更有效、更穩定的光熱傳導能力（圖9）。此外，在考慮發生在碳點與碳點之間的電子轉移的同時，我們也應考慮一些碳點和大分子復合物中的電子轉移，這可能是另一種增強碳點光熱轉換效率的策略。

圖9 脂質、碳點和脂質涂層碳點（LRCD） 的光熱性能［61］Fig.9 The photothermal performance of lipid， RCDs and the lipid-coated RCDs （LRCDs）［61］

5 碳點在腫瘤部位的富集方式

納米材料在腫瘤組織的特異性富集是進行腫瘤活體無損診斷和靶向治療的先決條件。實現這一目標主要依賴兩種機制：被動靶向和主動靶向。被動靶向利用增強滲透和滯留（EPR）效應，而主動靶向則通過在納米材料上裝載腫瘤標志物的識別配體來實現。

增強光熱劑在腫瘤部位的富集效率也是增強抗癌-光熱治療療效的重要策略之一。本章對碳點在腫瘤部位的富集方式進行了總結。

5.1 被動靶向

腫瘤血管是納米藥物進入腫瘤組織的主要途徑。EPR 現象的主要原因是實體瘤組織中新生血管較多，血管間隙寬闊，結構穩定性差以及缺乏淋巴引流[62-63]。碳點被動靶向的主要方式是利用腫瘤血管的高滲透性，跨越血管內皮細胞屏障，直接進入腫瘤基質，從而使碳點在生物體內產生自然分布差異，達到靶向效果。這與碳點或碳點復合物的尺寸有很大關系。Yang 等發現，通過增加碳點的尺寸，即利用血紅素使其自組裝成球形納米平臺，能大大提高EPR 富集效果[64]。Sun 等將氨基化碳點與二茂鐵二甲酸進行簡便交聯，獲得的Fc-CD NPs 因其提升的材料尺寸，相比于游離碳點，在腫瘤組織中展現出更好的富集效果[65]。Menilli等分別通過氧化石墨烯（GO）和石墨烯量子點（GQD）組裝納米分子，發現GQD 納米系統由于尺寸較小，也表現出更大的腫瘤部位富集能力[66]。因此，組裝適當尺寸的碳點聚集體或載藥平臺是實現碳點被動靶向腫瘤的良好策略。

另外，還可以利用腫瘤部位的特殊環境，如酸性（pH 值6～7）、酶環境和細胞內還原環境，以實現碳點在腫瘤組織中的富集和進一步滲透。 Sun等通過將光敏性碳點與Cu2+組裝，利用Cu2+在腫瘤微環境下被還原為Cu+的特性，誘導組裝體解離，從而使碳點能夠擴散到腫瘤的深層組織[67]。我們認為，瘤內注射光熱劑也是一種納米材料靶向腫瘤的方式，但本章不涉及這種方式的討論。

5.2 主動靶向

納米材料也可以通過轉胞吞作用進入實體瘤。據研究，約有97% 的納米顆粒是通過內皮細胞的主動運輸過程進入腫瘤[68]。因此，碳點的主動靶向在腫瘤治療中具有深遠的意義。

碳點的主動靶向性一般指其與靶標結合的能力, 主要依靠將一些目標分子（如抗體、多肽、核酸適體等）偶聯在碳點表面，使碳點具有一定的識別腫瘤的特異性。Zhang 等（圖10）通過整合Mn 和Cu 摻雜碳點、葡萄糖氧化酶和細胞攝取聚合物，實現了納米粒子進一步靶向癌細胞，并增加在腫瘤微環境中的保留時間的效果[69]。Wang 等開發了一種新型活性靶向治療診斷劑。將適配體AS1411 和石墨烯量子點結合，發現它可以同時高特異性地標記腫瘤細胞，并以相對較低的劑量通過,協同作用誘導靶向癌細胞死亡[70]。Li 等通過酰胺反應將EpCAM 抗體（抗EpCAM）和Pt（IV）接枝到聚多巴胺碳點（PDA-CD）上，進行成像引導的化學光熱協同治療，并將其通過靶向EpCAM 呈遞至肝腫瘤細胞[71]。

圖10 （a）γ-PGA@GOx@Mn，Cu-CDs NPs 介導的饑餓療法和光療示意圖；（b）γ-PGA@GOx@Mn，Cu-CDs NPs 介導的類饑餓療法、光療和免疫療法示意圖［69］Fig.10 （a）Schematic illustration of starving and phototherapy mediated by γ-PGA@GOx@Mn，Cu-CDs NPs.（b）Schematic illustration of starving-like therapy， phototherapy， and immunotherapy mediated by γ-PGA@GOx@Mn，Cu-CDs NPs［69］

最近，Wang 等對EPR 理論進行了補充，首次指出了納米藥物滲透到腫瘤組織的另一道防線，即存在于腫瘤血管外側的一層致密基底膜屏障[72]，這種基底膜導致納米藥物在腫瘤血管外形成了“血池”樣的結構?；诖耍覀冋J為通過將碳點與可降解基底膜的酶進行組裝，或可顯著降低“血池”的數量，并提高碳點藥物的擴散效率。

6 結 論

目前，碳點的光熱特性研究還存在很多挑戰，如碳點的光熱轉換效率低、在近紅外區域難以吸收以及在腫瘤部位富集困難等。這些限制了碳點在臨床醫學研究中的應用。本綜述旨在提出解決這些問題的策略。

針對碳點的近紅外光熱效率較低，我們提出了5 種解決方案：（1）通過調整碳點的共軛域尺寸，產生新的能級，獲得具有近紅外吸收和良好光熱性能的碳點；（2）通過碳點的表面工程使表面能帶彎曲，從而吸收紅移，增強光熱效應；（3）通過摻雜不同元素獲得新的能帶，提高碳點的近紅外光熱能力；（4）電子可以通過半導體耦合的方式在不同半導體的價帶和導帶之間轉移，最終起到縮小帶隙和提高載流子分離效率的作用；（5）通過生物大分子包覆，降低熱量損耗并實現電子與生物大分子之間的傳遞，進而增強近紅外吸收和光熱轉換效率。事實上，大多數已有光熱特性碳點的合成策略報道集中在雜原子摻雜和半導體耦合等方式上。尺寸調整和表面修飾通常只能紅移或增強碳點的長波長吸收，但仍然以熒光為主要弛豫方式，而以熱形式為主的非輻射弛豫很少得到增強。生物大分子包覆碳點的方法發展時間短，但通常能夠同時提升碳點在腫瘤組織的富集和治療效果。

針對碳點靶向腫瘤問題，我們提出了3 種策略。第一種是通過調整碳點的尺寸來增強EPR效應。第二種是通過將碳點與某些物質（如抗體、核酸適體等）偶聯，實現對腫瘤細胞的特異性結合和主動靶向。第三種是將碳點與基底膜分解酶結合，在基底膜屏障上制造“窗口”，實現光熱劑的高效滲透。

碳點的臨床研究仍需關注許多問題。我們認為每種策略都有各自的優點和缺點，需要具體問題具體分析。

我們希望這篇綜述能為碳點光熱特性調控和光熱治療應用提供一些指導和見解，同時啟發研究者們在碳點領域的新發現。最后，我們致力于建立一體化的碳點腫瘤識別和光熱治療體系，為碳點的早期臨床應用做出貢獻。

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