碳量子點的制備、環境應用和生物毒性

盛優瑩,王賀飛,2*,蘇 燕,沈 可,胡小婕,高彥征(.南京農業大學資源與環境科學學院,江蘇 南京 20095；2.吉林大學,地下水資源與環境教育部重點實驗室,吉林 長春 002；.沈陽環境科學研究院,遼寧 沈陽 067)

碳量子點(CQDs),又稱為碳點或碳納米點,是一種零維碳納米材料,尺寸小于10nm,由超細、分散、準球形的碳納米顆粒組成,具有良好的熒光性能[1].CQDs 的層間距通常約為0.34nm,這與石墨的晶面間距相一致[2].現有的合成CQDs 以碳為基本骨架,表面上具有豐富的含氧基團,如羧基和羥基,并且這些基團的分布不均勻[3].

CQDs 的發現最早可以追溯到2004 年,Xu 等[4]在電泳純化過程中通過電弧放電制備單壁碳納米管的時候,意外得到了熒光碳納米顆粒.與傳統半導體量子點相比,CQDs 的最大優點是低細胞毒性,高生物相容性及很好的環境友好性[5].除此之外,CQDs還具有良好的水溶性和光學性質,其制備成本較低,前驅體來源十分廣泛,西蘭花[6]、竹葉[7]、毛發[8]、甘蔗渣[9]、橙皮[6]等都是良好的制備原料.這些優良性質使得CQDs 廣泛應用于熒光檢測[10]、污染物降解[11]、電化學傳感器[12]等環境領域.此外,與其他的納米材料相似,CQDs 在生產、存儲、運輸、使用、回收等過程中將不可避免地泄露到環境中,造成一定的毒性.明確其生物毒性對于正確理解和評估CQDs 的環境風險,制定合理的回收處理對策具有重要意義.本文著重介紹了CQDs 的制備方法,探討了不同方法的優缺點,同時對CQDs 在環境領域的應用及其生物毒性進行了綜述,以期為選擇合適的CQDs 制備方法、提高產率等提供技術參考,為CQDs 在環境領域的應用提供方法支持.

1 CQDs 的制備

自CQDs 被發現以來,CQDs 的制備方法被廣泛報道,研究人員仍在不斷探索簡便、低成本、尺寸可控、高產量與高質量的制備方法,如何基于用途精準控制合成CQDs 的粒徑是當前亟需突破的難點.目前CQDs 的制備方法主要包含兩類:自上而下法和自下而上法.自上而下的合成法是通過物理和化學方法裂解或破壞富碳材料的結構,隨后純化將尺寸控制在2～10nm,從而得到可有效發光的CQDs;自下而上的合成法是在原子或分子尺度上對碳材料的結構和性能進行設計和裁剪,最終得到CQDs 的方法,這種方法通常是以有機小分子或芳香小分子為前體,在適當的條件下進行熱解或碳化反應,從而形成具有所需尺寸和性質的CQDs[13](圖1).自上而下法通常包括:電弧放電法、電化學法、化學氧化法、激光蝕刻法和機械球磨法等.自下而上法通常有:微波合成法、水熱/溶劑熱合成法、模板合成法、熱解合成法和反膠束法等(圖2).

圖1 CQDs 的結構Fig.1 Structure of CQDs

圖2 CQDs 的優點及其在環境領域應用Fig.2 Advantages of CQDs and their applications in environmental field

1.1 自上而下法

1.1.1 電弧放電法 電弧放電法是最早的CQDs制備方法.將原料顆粒放置在由陰陽兩極組成的反應室中,施加高電壓以產生弧放電,電弧的高溫和高能量會將原料顆粒加熱至極高溫度,使其發生熱解和炭化反應,以此制成CQDs.2021 年,Chao 等[14]利用水中電弧放電制備CQDs,得到的CQDs 尺寸分布在1～5nm 范圍內,量子產率為16%,并且制得的CQDs可用于評估培養細胞的活力.電弧放電法適用于不同種類的生物質原料,并且制得的CQDs 具有較好的熒光特性,但該方法耗能較高,分離純化過程較為復雜,難以應用于工業化生產.

1.1.2 電化學法 電化學法是一種制備CQDs 的常用方法.在這個過程中,石墨等碳基材料通常被用作工作電極,并在調節電壓和電流的過程中發生氧化還原反應,從而將大塊碳基材料剝離形成細小的碳納米顆粒,即CQDs. Kang 等[15]以石墨棒為陰極和陽極,NaOH/EtOH 為電解液,控制電流為 10～200mA/cm2,制得了顆粒尺寸可控、具有穩定和較強熒光效應的CQDs,量子產率約為12%.同時,用酸電解液作為對照試驗,結果表明堿性環境是形成CQDs的關鍵因素.Li 等[16]采用不同的無機溶液為電解質,以石墨棒為前驅體制備CQDs,結果發現在硝酸溶液中剝離的CQDs 平均尺寸更大,為3.15nm,形貌也更易于區分.電化學法制備工藝成本低、操作簡便,是一種綠色的CQDs 合成方法.

1.1.3 化學氧化法 化學氧化法是將CQDs 前驅體與硝酸、過硫酸銨等氧化劑混合在一起,在適當的溫度和反應時間下反應,制備CQDs 的方法.Boruah等[17]以廢棄生物質甘蔗渣、芋頭皮和大蒜皮為前體材料,將樣品置于300℃的惰性氣體中碳化,并利用30%的過氧化氫對氧化處理碳化樣品,最終制得CQDs,結果表明三種生物質材料的量子產率芋頭皮(26.20%)>大蒜皮(13.80%)>甘蔗渣(4.45%).Dong等[18]以活性炭為碳源,硝酸為氧化劑,用化學氧化法制得了尺寸在3～4nm、表面羥基豐富的CQDs,量子產率>10%.可見,活性炭制備CQDs 具有低成本、高收率、制備方便的優勢.然而,化學氧化法常需用到強氧化性或強腐蝕性的反應物,制備過程有一定的安全隱患,對反應條件的要求較高.

1.1.4 激光蝕刻法 激光蝕刻法利用激光束照射含碳前驅體,從前驅體中剝落出碳納米顆粒,接著將碳納米顆粒進一步純化從而得到CQDs.相對于其他方法,激光蝕刻法具有耗時少、操作簡單等優點,在激光燒蝕過程中,激光束聚焦在原材料上,通過局部的高溫和高壓作用,可將原材料直接切割成納米顆粒,避免了雜質的引入[13].2006 年,Sun 等[19]首次利用該方法成功制備出了CQDs,在900℃、75kPa 的氬氣流中,他們將石墨粉和水泥混合而成的碳前驅體攜帶水蒸氣進行激光燒蝕,并將所得樣品置于硝酸水溶液中回流12h,最終制得CQDs,量子產率為4%～10%.快速、高效、高量子產率是CQDs 制備的重要目標,于是Cui 等[20]采用分束器將單束激光分成雙束,這不僅縮短了激光燒蝕時間,還提高了燒蝕產量;更重要的是,通過雙束脈沖激光燒蝕法獲得的CQDs 比單束脈沖激光燒蝕法獲得的CQDs 更加均勻,且量子產率高達35.4%.

1.2 自下而上法

1.2.1 微波合成法 微波合成法因其簡單、省時的優點越來越受到人們的關注,其基本原理是利用微波輻射來驅動碳源的炭化反應,并通過控制微波輻射功率、溫度等反應條件實現CQDs 的生產.2009年,Zhu 等[21]將不同量的聚乙二醇(PEG-200)和糖類物質(葡萄糖、果糖等)加入蒸餾水中,形成透明溶液,然后將溶液放入500W 的微波爐中加熱2～10min,隨著時間的推移,溶液由無色變為黃色,最后變為深棕色,預示著首次成功利用微波合成法制得CQDs.如圖3 所示,Hu 等[10]將1g 干橙皮粉末與10mL 乙二醇混合,用900W 的微波爐加熱1min 后,溶液由橙黃色變為褐色,表明CQDs 的形成.

圖3 微波合成法制備CQDs 流程[6]Fig.3 Microwave synthesis process for preparation of CQDs

1.2.2 水熱/溶劑熱合成法 水熱/溶劑熱合成法是制備CQDs 十分常見的一種方法,在高溫高壓的條件下,于適當的溶劑中使用聚合物或碳源進行炭化反應,便可形成CQDs. Jagannathan 等[22]以玉米芯為原料,通過水熱合成法制得白色熒光CQDs,量子產率為53.46%,該CQDs 的光致發光強度對Pb2+、Cu2+、Fe3+和Cr3+等金屬離子表現出良好的傳感特性.Zhou 等[23]以等量的檸檬酸和谷胱甘肽為前驅體,通過溶劑熱合成法在200℃的溫度下加熱10min,制得平均尺寸為3nm、量子產率為80.3%的CQDs.

1.2.3 模板合成法 模板合成法主要包括兩個步驟:(1)將合適的介孔模板或者硅球作為支撐材料,在其中煅燒生長CQDs;(2)通過蝕刻的方式去除支架材料,最終得到純凈的CQDs[24].Zong等[25]以N-十六烷胺作為表面活性劑,以四乙氧基硅烷(TEOS)作為前體,以氨作為催化劑制備了介孔二氧化硅球體,并將其作為模板材料.此后,將介孔二氧化硅球體浸漬于復合鹽和檸檬酸的混合溶液中,在300℃下高溫熱解2h,利用氫氧化鈉刻蝕去除介孔二氧化硅支撐體,得到尺寸在1.5～2.5nm、量子產率為23%的親水性CQDs.2013年,Yang等[26]首次利用軟-硬模板合成法分別采用1,3,5-三甲基苯(TMB)、二胺苯(DAB)、芘(PY)和菲啰啉(PHA)4 種不同的前驅體作為碳源,利用共聚物Pluronic P123 作為軟模板和有序介孔二氧化硅(OMS)SBA-15 作為硬模板制備可調控尺寸、組成和結晶度的CQDs.該方法有利于制備出尺寸分布均勻的CQDs,但是制備過程較為復雜,且刻蝕模板的過程可能會有殘余,為后續CQDs 的提純帶來不便.

2 CQDs 在環境領域的應用

2.1 污染物檢測

2.1.1 CQDs 的光學性質 CQDs 一般具有光學吸收特征.不同方法合成的CQDs 吸收波長不同,但通常在200～400nm 的紫外光區有一個或多個吸收峰.該吸收帶是由 CQDs 中 C＝C 鍵的 π-π*躍遷(200～260nm 光吸收帶)或C＝O/C＝N 鍵的n?π*躍遷(280～350nm 光吸收帶)所致.此外,表面基團的種類和含量、π 共軛結構域的大小、碳核中氧/氮含量的變化等因素也會影響CQDs 的光學吸收特性.

傳統的有機熒光染料存在使用壽命短、光穩定性差等問題,CQDs 作為一種新興的納米材料,因其獨特的結構和優異的熒光性能,逐漸成為熒光檢測領域的研究熱點.CQDs 的熒光(即光致發光)特性是指其結構中的電子在一定光源輻射條件下躍遷到激發態,處于激發態的電子不穩定,會再次躍遷到低軌道狀態并釋放出可見光(圖4).CQDs 的熒光機制仍未完全闡明,獲得較廣泛認可的主要有兩類機制[27].一種機制認為CQDs 的光致發光效應是由其結構中相互隔離芳香結構(sp2)的共軛p 軌道電子的帶隙躍遷引起的.第二類熒光機制認為CQDs 的熒光特性源于其表面的sp2和sp3雜化碳和其他功能化缺陷位點, sp2雜化結構的缺陷位點誘導其表面產生能量陷阱,通過表面修飾后即可產生熒光發射特性.多樣化的表面缺陷賦予CQDs 較寬的熒光發射譜,其中可見光光譜的藍色和綠色區域最為普遍.因此,CQDs 熒光性能受粒徑大小、含氧量的多少、溶劑的種類以及介質pH 值大小等因素的影響.此外,CQDs 的熒光特性具有獨特的激發光依賴性(可調諧性),即其發射光的波長和強度會隨著激發光波長的改變而發生變化.當激發光波長增加時,CQDs 的發射光波長會發生紅移;在最佳的激發波長之前,發射光的強度會隨著激發光波長增加而不斷增加;但是隨著激發光波長增加,發射光的強度會逐漸減弱(圖4(a)和(b)).

圖4 CQDs 的熒光性能[58-59]Fig.4 The fluorescence performance of CQDs

2.1.2 熒光檢測 重金屬的持續積累和污染會對自然環境造成嚴重危害,影響土壤、水體和大氣的環境質量.及時監測環境中重金屬含量對制定相應的環境保護措施,減少對生態系統及人體健康風險有重要意義.重金屬離子對溶液中CQDs 的靜電吸附、配位等作用均會影響CQDs 的熒光性能,進而實現污染物檢測目的.目前CQDs 對Cu2+、Hg2+、Ag+、Cr3+、Fe3+、Mn2+等重金屬離子的檢測都有較高的靈敏度.以Hg2+檢測為例,Gao 等[28]使用檸檬酸分別與1,2-乙二胺和N-(b-氨乙基)-g-氨丙基反應,合成量子產率為65.5%的CQD-1 與量子產率為55.4%的CQD-2,以探究不同金屬離子對CQD-1 和CQD-2的熒光猝滅程度,評價CQD-1 和CQD-2 對Hg2+的選擇性.如圖5 所示,在水溶液和活細胞中加入20μmol/L 的Hg2+后,CQD-1 的熒光強度迅速猝滅80%,CQD-2 的熒光強度猝滅55%,觀察1h 后均保持穩定;在所有測試的金屬離子中,Hg2+對CQD-1 和CQD-2 的熒光猝滅作用最大.Tang 等[29]通過酒糟的簡單熱處理,合成了在光激發下可以發出銳利紅光的碳量子點(R-CQDs),在420nm 的固定激發波長下,隨著Cr3+濃度從0 增加到80μmol/L,R-CQDs 的熒光發射強度(或峰值振幅)逐漸減小,當Cr3+加入到含有R-CQDs 的乙醇溶液中時,可以觀察到R-CQDs 的熒光發射猝滅效果(圖6).

圖5 Hg2+對CQD-1 和CQD-2 的熒光猝滅作用[28]Fig.5 The fluorescence quenching effect of Hg2+ on CQD-1and CQD-2

圖6 R-CQDs 的相對發光強度及熒光光譜[29]Fig.6 Relative luminescence intensity and fluorescence spectra of R-CQDs

除了被直接應用于熒光檢測,CQDs 還可與有機污染物結合,改變CQDs 結構及熒光強度,實現對這些物質的檢測.CQDs 檢測有機污染物的原理主要包括以下幾個方面:(1)靜電吸附作用,CQDs 和許多有機污染物表面通常帶有一定的電荷,CQDs 可以通過靜電吸附作用,將有機污染物吸附在CQDs 表面;(2)π-π 堆積作用,CQDs 具有類似于有機分子的碳骨架結構,可以通過π-π 堆積作用與含有芳香環的有機污染物發生相互作用,這種作用可以增強有機污染物的吸附和檢測效果;(3)熒光共振能量轉移,當CQDs 與有機污染物接近時,它們之間可能發生熒光共振能量轉移,會導致CQDs 的熒光被猝滅或減弱,從而可用來檢測有機污染物的存在;(4)反應活性,CQDs 具有較高的反應活性,可以與某些有機污染物發生化學反應.同時,反應可能會改變CQDs 的表面性質、能帶結構等,導致熒光強度的變化,從而實現有機污染物的檢測.李義梅等[30]以L-酪氨酸為氮供體,以淀粉為碳源,通過一步水熱法制備了氮摻雜碳量子點(N-CQDs),當四環素濃度在 1.6～16μmol/L 范圍和6～100μmol/L 范圍內時,其與NCQDs 的熒光猝滅的強度呈現較好的線性關系,檢出限為0.45μmol/L,依此構建了N-CQDs 熒光探針測定四環素的方法.李美玉等[31]以5-氨基-1H-四氮唑和聚乙二醇(400)為前驅體合成了NADESs,再通過一步溶劑熱法以無水乙醇為溶劑成功制備出富氮碳量子點5-ATZ/PEG400N-CQDs,在環烷酸濃度0.03～0.09mol/L 范圍內,5-ATZ/PEG400N-CQDs 的熒光淬滅率與環烷酸濃度呈線性關系,擬合度R2=0.971.實驗還利用三維熒光進一步確定了5-ATZ/PEG400N-CQDs 與環烷酸廢水作用后的熒光中心和熒光強度的變化,推測出環烷酸與5-ATZ/PEG400N-CQDs 表面的功能基團發生了化學反應,從而導致5-ATZ/PEG400N-CQDs 的熒光性能發生了改變.

2.1.3 電化學傳感器 CQDs 表面有著豐富活潑的官能團,具有良好的導電能力,可以促進電極與液面的電子轉移發生以形成電信號,因此常被應用于電化學傳感器中.

劉明威等[32]以殼聚糖為交聯劑,在玻碳電極(GCE)表面固定羧基化石墨相氮化碳(C-g-C3N4)和CQDs,制得CQDs/C-g-C3N4/GCE,電極活化后,將林可霉素(LIN)的適配體(Apt-DNA)和二茂鐵標記的DNA(Fc-DNA)修飾至電極表面,構建形成了新型的電化學發光適體傳感界面.傳感器對LIN 具有良好的特異性識別能力,應用于牛奶LIN 的檢測,線性檢測范圍為 0.10ng/mL～100.00μg/mL,檢出限為0.03ng/mL.Feng 等[33]以木聚糖基碳量子點為綠色原位還原劑,制備了 CQDs 覆蓋的金納米顆粒(Au@CQDs),以導電性好的MXene 為固定基體,形成具有良好導電性和電催化性能的Au@CQDs-MXene 納米復合材料,將其負載在玻璃碳電極上,成功制備了一種用于亞硝酸鹽監測的電化學傳感器,在最優條件下,該傳感器的線性檢測范圍為 1～3200μmol/L,檢出限為0.078μmol/L,該傳感器可用于自來水和咸菜中亞硝酸鹽含量的檢測.Jahanbakhshi等[34]通過水熱合成法,以木薯粉為前驅體合成CQDs,接著將純水加入CQDs 和硝酸銀混合溶液中,利用紫外光照射將銀納米顆粒(AgNPs)嵌入CQDs表面,最后將AgNPs/CQDs 納米雜化物澆鑄在玻璃碳電極上,制成安培法過氧化氫(H2O2)傳感器,在最佳條件下,傳感器的H2O2檢測線性范圍為0.2～27.0μmol/L,檢出限約為80nmol/L.

2.2 環境污染物的去除

2.2.1 光催化劑 光催化劑能夠利用光能激發反應過程中的電子和空穴,從而引發一系列氧化還原反應,有效降解有害物質.制備低成本、無毒、高效的光催化劑對于環境污染物的降解至關重要.因其高比表面積和表面含氧官能團的存在,CQDs 在污染物吸附和光催化反應中具有廣泛的應用潛能,能夠顯著強化污染物的光降解過程[35].

負載CQDs 后,TiO2能增強對污染物的吸附能力,拓寬其在可見光范圍內的光響應能力,并促進光生電子與空穴的分離,對甲基藍、羅丹明B、甲基橙等多種有機污染物均有良好的光催化降解能力,利用少量的能量即可將有機物分解為H2O 和CO2[36].梁慧琴等[37]利用混酸回流法制備了一種發黃藍光的CQDs,然后采用一步水熱法將CQDs 負載于TiO2制備了復合光催化劑,實驗結果表明,與純TiO2相比,用CQDs 改性的TiO2對苯酚的去除率可提高60%.Ke 等[38]利用水熱合成法制成了具有明顯轉換性能的CQDs,接著通過溶膠-凝膠法成功制備了CQDs修飾的TiO2光催化劑.在可見光照射下,120min 內,CQDs-TiO2復合光催化劑降解亞甲基藍的效率高達90%,是純TiO2的3.6 倍.2.2.2 復合膜 復合膜是由多種材料組成的層狀結構,具有特定的物理、化學和生物特性.復合膜上的表面活性部分可以吸附環境污染物,如重金屬離子、有機物質,這種吸附作用可以有效地去除污染物,并防止其再次釋放到環境中.

Mabborang 等[39]利用電紡法合成了CQDs-聚丙烯腈/聚己內酯納米復合膜,用于吸附重金屬離子Cu2+,該復合膜隨接觸時間、吸附容量的增加,在63.45mg/g處達到最大吸附效率90.74%.以啤酒廢料,即糟粕和廢酵母為碳源,利用水熱合成法制備氮摻雜的CQDs,接著將其包埋在聚乙烯醇基質中,測試結果顯示,亞甲基藍可以有效地從水溶液中吸附到復合水凝膠中,隨后可以通過紫外輻射完全降解[40].通過微波加熱過程制備零維CQDs 納米顆粒后,將PVA 和CQDs 納米顆粒結合形成PVA/CQDs 納米復合薄膜,吸附過程的實驗表明,在室溫下,PVA/CQDs納米復合材料能夠在40min 內從水溶液中高效去除大濃度的亞甲基藍染料(30mg/L),去除率約為97.1%,且其使用5 次后吸附效率依舊保持穩定[41].

3 CQDs 的生物毒性

毒性是評估納米材料在生物體內應用安全性的重要指標之一,許多研究表明,CQDs 在一定濃度下對細胞和生物體可能具有一定的毒性效應,這些效應可能包括細胞凋亡、氧化應激、細胞膜破壞和炎癥反應等.雖然碳本身并不具備固有的毒性,但由于CQDs 在各個領域應用廣泛,它們將不可避免流入環境中,并對環境造成生態安全威脅,因此需要全面評估其對各種生物系統的潛在危害效應[42].

3.1 CQDs 的毒性效應

目前針對CQDs 的毒性研究已經展開,然而所研究的生物種類仍十分有限,主要聚焦在各類細胞、斑馬魚、部分藻類和小鼠.相較于金屬量子點材料,CQDs 幾乎是無毒的,對環境的危害也比較小,研究表明,低濃度的CQDs 對人類肝癌細胞[43]、人類乳腺癌細胞[44]、大腸桿菌[45]、釀酒酵母[46]、銅綠微囊藻[47]、斑馬魚胚胎[48]無明顯的毒性,但當CQDs 的濃度達到一定量時,就會產生較為明顯的抑制作用.

2018 年,Li 等[49]報道了一種基于自噬調控的全新腫瘤治療方案,方案中用到了葉酸(FA)表面修飾的氮摻雜碳點(FN-CQDs),其量子產率高達91%.方案的治療原理如圖7 所示,FN-CQDs 首先與細胞膜上葉酸受體結合,實現對腫瘤細胞的靶向作用,接著它們以穩定的形式存在于細胞質中的自噬囊泡內,在自噬抑制劑的作用下,FN-CQDs 從自噬囊泡中“釋放”出來,并通過凋亡信號通路誘導細胞死亡.研究顯示,FN-CQDs 與自噬抑制劑的組合使腫瘤細胞生長迅速受到抑制(在24h內),并在26種不同的腫瘤細胞系中具有高效的殺傷效果(在4d 內的殺傷率為63.63%～76.19%).Chousidis 等[50]制備了非摻雜(以檸檬酸作為碳源)、氮摻雜(N-摻雜)和氮硫共摻雜(N,S-摻雜)的CQDs 以探究CQDs 摻雜替代功能基團對斑馬魚胚胎發育的影響.結果顯示,CQDs 對斑馬魚產生明顯的毒性作用(>150μg/mL),而且毒性效應與劑量相關.其中,N,S-摻雜CQDs 的毒性最強(LD50=149.92μg/mL),其次是N-摻雜CQDs(LD50=399.95μg/mL),非摻雜CQDs 是三者中毒性最低的(LD50=548.48μg/mL).生長速率(GR)同樣受到毒性模式的影響(GRN,S-摻雜

圖7 利用CQDs 治療腫瘤的方案原理[49]Fig.7 The principle of using CQDs for tumor treatment

Xiao 等[51]探究了CQDs(N、S 摻雜的CQDs, N摻雜的CQDs,無摻雜的CQDs)和金屬量子點(CdTe QDs、CdS QDs、CuInS2/ZnS QDs)對模式生物蛋白核小球藻的細胞毒性作用.結果發現,暴露96h 后,3種CQDs 的EC50分別為38.56,185.83,232.47mg/L,6種量子點的毒性順序依次為: CuInS2/ZnS QDs<無摻雜的 CQDs

3.2 影響CQDs 生物毒性的因素

與其他納米材料相似,CQDs 的生物毒性受到多種因素的綜合影響,除了生物體類型、外部環境因素外,CQDs 的物理化學性質,包括粒徑與形態、暴露濃度與時間、表面修飾基團與溶解度等因素皆可對其生物毒性大小和機制產生顯著影響.

3.2.1 暴露濃度 當前的許多研究表明,CQDs 的生物毒性與其濃度密切相關.這種濃度依賴特性在使用不同碳源(如碳納米管、蠟燭灰等)制備的CQDs以及經過表面改性或摻雜處理的CQDs 的毒性研究中得到了驗證.這些研究幾乎覆蓋了涉及的各類生物,包括細菌、細胞、藻類和魚類等[53].吳琳等[54]研究發現,低濃度CQDs 對三角褐指藻并無明顯抑制作用,反而促進了生長,而在高濃度下則具有明顯的生長抑制作用,其120h 的EC50值為108.89mg/L.CQDs 對紐扣珊瑚同樣具有明顯的行為抑制作用,在解除暴露后雖有恢復,但高濃度(≥50mg/L)暴露組,仍有部分紐扣珊瑚無法恢復,最終死亡.陳靜等[55]利用微波法成功制備CQDs,研究表明,低濃度(<500mg/L)CQDs 對玉米未顯示出明顯的毒性,但當濃度達到2000mg/L 時,會抑制玉米種子萌發過程中根的伸長;當濃度高于1000mg/L 時,玉米根和葉的鮮重相較于對照組分別減少了57%和38%.將62.5～1000mg/L的CQDs 處理擬南芥后發現, CQDs 濃度一旦超過125mg/L,就將開始顯著抑制擬南芥幼苗的生長,當CQDs 的濃度達到1000mg/L 時,擬南芥根和葉的鮮重相較于對照組分別減少了64%和32%.

3.2.2 表面修飾基團與表面電荷 在實際的應用中,表面改性和雜原子摻雜是對CQDs 進行處理的常見方法,用于改變其物理化學性質,增強其性能,經過處理的CQDs 具有更好的分散性和穩定性,具有更高的化學反應活性和生物相容性.Chousidis 等[50]和Xiao 等[51]分別對制備的3 種CQDs(N、S 摻雜的CQDs,N 摻雜的CQDs,無摻雜的CQDs)進行了毒性研究,得出了同樣的毒性順序:無摻雜的CQDs

已有的研究表明,納米材料中的陽離子顆粒具有中度毒性,而陰離子顆粒幾乎無毒,且其毒性強度與材料表面攜帶的正電荷數量呈正相關[56].Havrdova 等[57]對標準小鼠成纖維細胞(NIH/3T3)進行了CQDs 的體外細胞毒性研究,其中包括3 種不同表面功能化CQDs 的細胞周期分析:攜帶羧基團而呈負電荷的CQDs(CQDs-Pri)、攜帶聚乙二醇而顯示中性電荷的CQDs(CQDs-PEG),以及攜帶聚乙烯亞胺而顯示正電荷的CQDs(CDs-PEI).實驗結果表明,中性的CQDs-PEG 在生物應用中最有前景,因為濃度達到300mg/mL 時,它不會引發任何細胞形態異常、細胞內運輸問題和細胞周期問題.帶負電荷的CDs-Pri 能夠阻斷細胞周期的G2/M 階段,刺激細胞增殖并導致更高的氧化應激,即使在較低濃度(50mg/L)下,這種影響也十分顯著.但其并不會進入細胞核內.相比之下,帶正電荷的CDs-PEI 具有最強的細胞毒性,并在約100mg/mL 的濃度下引發細胞周期的最大變化,影響G0/G1 階段,且能夠進入細胞核內.

4 結論與展望

CQDs 具有良好的光學特性、生物相容性和化學反應活性,因此逐漸被廣泛地應用于各領域.未來仍需加強以下方面的研究:(1)目前,CQDs 的前體材料來源豐富,合成方法靈活簡易,然而如何提高CQDs 的產率、優化制備方法、實現粒徑和結構的精確控制,仍是當前需要關注的問題.(2)CQDs 在環境污染物檢測與去除方面有廣闊的應用前景.但CQDs 在環境領域的應用主要基于其熒光特性,并且在大部分的研究中,其僅能檢測或去除單一物質,未來應結合CQDs 的優良性能,實現CQDs 針對多種環境污染物的協同檢測及降解.(3)現有的研究顯示,CQDs 的生物毒性是不可否認的,且毒性大小受到多種因素的綜合影響,然而,針對CQDs 生物毒性的研究仍十分有限,研究的生物對象種類也較少.在今后的實際應用中,科學家們除了對CQDs 進行表面修飾或摻雜以調節其結構外,還應明確CQDs 的結構與生物毒性效應的關系.