综述：定制用于癌症成像和协同治疗的碳纳米点

《Dyes and Pigments》：Tailoring Carbon Dots for Cancer Imaging and Synergistic Therapy

碳点（CDs）因其优异光学性能、生物相容性和表面修饰便利性，在肿瘤诊疗中展现出重要潜力，但合成参数对结构性质的影响显著，导致临床转化受限。本文系统综述了CDs的合成策略（如碳前驱体类型：块体碳材料、小分子有机物、生物质来源）及其结构调控机制，重点分析了分子结构对粒径、表面化学、荧光行为及生物相互作用的影响。通过整合多样化的合成方法与结构工程策略，探讨了CDs在肿瘤光热/动力治疗、靶向药物递送及多模态成像中的性能优化路径，并指出其当前局限（如低量子产率、近红外发射不足）及未来发展方向。

　　碳纳米点（Carbon Dots, CDs）作为一种新型的荧光纳米材料，因其优异的光学性能、良好的生物相容性和易于表面功能化等特性，在肿瘤的诊疗一体化（theranostics）领域展现出巨大的应用潜力。然而，目前碳纳米点在临床转化和功能优化方面仍面临诸多挑战，主要原因是其结构和理化性质高度依赖于合成参数，尤其是碳前驱体的种类以及元素掺杂策略的选择。本文旨在系统总结近年来基于不同前驱体合成碳纳米点的研究进展，包括大块碳材料、小有机分子（如有机酸、近红外染料、芳香族化合物和胺类物质）以及生物质来源（如植物提取物和动物副产品）等。同时，重点探讨了前驱体分子结构对碳纳米点粒径、表面化学、荧光行为及生物相互作用的影响。通过整合多样化的合成方法和结构工程策略，本文分析了当前碳纳米点在肿瘤诊断与治疗中的功能优化需求，并指出了其应用中的主要限制因素。最终，本文为开发高效、安全且适用于临床的碳纳米点平台提供了坚实的理论和实践基础，同时也为实现精准化和个性化的癌症诊疗奠定了基础。

癌症已成为全球范围内导致死亡的主要原因之一，对人类健康构成了重大威胁，并成为全球公共卫生领域的重要挑战。为了减轻患者的身体痛苦和经济负担，肿瘤的早期诊断和有效治疗至关重要。然而，随着现代社会的快速发展，传统的诊断和治疗手段在提高肿瘤检测准确性和治疗效果方面逐渐显得力不从心。因此，实现分子和细胞层面的早期和精准肿瘤诊断与治疗，已成为该领域的重要研究方向。碳纳米点作为一类零维荧光纳米材料，具有高荧光量子产率、红/近红外（NIR）发射、良好的生物相容性、低毒性和良好的分散性等优势。与传统荧光染料和量子点相比，碳纳米点表现出更优异的光稳定性与生物安全性，使其在成像、光电子学、量子点显示、药物递送和肿瘤治疗等领域具有广泛的应用前景。然而，目前大多数碳纳米点仍主要依赖于可见光激发和发射（波长低于600 nm），在深部组织应用中存在光穿透性差和自荧光干扰等问题。近年来，基于碳纳米点的多功能诊疗平台为癌症治疗开辟了新的途径。合成前驱体的选择、结构工程方法和表面功能化策略对这些平台的性能具有重要影响。因此，开发高效、可控且可扩展的碳纳米点合成方法，成为其临床转化的关键前提。

碳纳米点因其简单的合成过程和便捷的操作方式，受到了广泛关注。它们可以由多种前驱体制备，包括大块碳材料、生物质来源、小有机分子、芳香族化合物，甚至离子液体，展现出卓越的制备灵活性。前驱体来源的多样性使得碳纳米点的尺寸、结构组成、表面功能基团和光学性能可以被精确调控，从而为优化碳纳米点在肿瘤成像和治疗中的结构-性能关系提供了基础。碳纳米点的合成通常分为自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种主要策略。自上而下的方法通过切割、剥离或其他分解过程，将大块含碳材料分解为纳米尺度的颗粒。而自下而上的方法则依赖于分子前驱体的聚合，通过化学反应（如脱水和碳化）构建碳纳米点，通常采用水热、溶剂热或微波辅助加热等手段。碳纳米点的结构通常由石墨碳核心和富含多种功能基团的无定形壳层组成，这些功能基团不仅提高了碳纳米点的生物相容性和环境稳定性，还促进了其功能修饰。丰富的表面基团赋予碳纳米点可调节的荧光性能，并使其能够与药物结合用于靶向治疗和成像，进一步拓展了其在生物医学领域的应用潜力。然而，大多数报道的碳纳米点存在水溶性差、荧光量子产率低以及荧光发射主要集中在可见光波段等问题。因此，开发具有增强水溶性、高荧光量子产率和改善组织穿透性的碳纳米点，对于推进其在肿瘤早期诊断和治疗中的应用具有重要意义。

选择合适的前驱体材料对碳纳米点的合成至关重要，因为它对碳纳米点的结构和功能性质具有深远影响。在合成初期，反应温度的升高会导致反应前驱体之间的剧烈碰撞，促进脱水反应，并增强功能基团之间的缩聚反应，从而形成长链分子中间体。随着温度和压力的进一步升高，活化能降低，新的反应物出现，这推动了聚合物簇的生长和部分碳化，并促进了碳纳米点的形成。除了分子间的相互作用，分子内的环化反应也会发生，产生小分子荧光物质，这些物质可能被整合到已形成的聚合物结构中，并对碳纳米点的荧光性能产生重要影响。因此，这些不同的反应机制与前驱体特性之间的相互作用，最终决定了碳纳米点的结构和性能。

将碳纳米材料引入癌症诊断和治疗领域，引发了对碳纳米点的广泛关注，因其独特的光学和生物特性。本文回顾了近年来基于不同碳源合成的碳纳米点，包括小有机分子、染料、聚合物和生物质等，并详细讨论了它们的荧光特性和发光机制（图1）。同时，重点介绍了不同类型的碳纳米点在肿瘤治疗中的应用，如光动力疗法、光热疗法和药物递送等，并对其关键性能参数进行了比较和分析。最后，本文探讨了碳纳米点在肿瘤诊断和治疗领域面临的挑战和未来发展方向，为后续研究提供了参考。

基于大块碳材料的碳纳米点是碳纳米点研究的重要方向之一。大块碳材料通常不具有荧光性，而纳米尺度的碳材料则展现出荧光特性。常见的大块碳前驱体包括石墨、碳纤维、碳黑、碳纳米管、氧化石墨烯和煤炭等，这些材料可以通过自上而下的方法合成碳纳米点，如化学氧化、激光烧蚀和电化学合成等。这些方法通过破坏大块碳结构，将其转化为纳米尺度的碎片。然而，这些方法在实际应用中仍存在一定的局限性，例如对反应条件的依赖性强、产物纯度较低以及难以大规模生产等。因此，如何优化这些合成策略，以获得具有可控性和可扩展性的碳纳米点，成为当前研究的重点。

基于小有机分子的碳纳米点同样受到高度重视。与大块碳材料相比，小有机分子通常具有无定形结构，并富含极性功能基团，这些基团中包含多种杂原子。在升温过程中，这些有机前驱体会经历一系列反应，包括脱水、聚合和碳化，最终形成碳纳米点。尽管目前已有大量小有机分子被用于合成碳纳米点，但其合成过程仍面临诸多挑战，如反应条件控制不精确、产物性能不稳定以及难以实现高产率等。因此，如何通过优化反应参数和合成条件，以获得性能优异且可重复的碳纳米点，是当前研究的关键。

基于生物质来源的碳纳米点因其可持续性和多功能性而受到广泛关注。生物质是一种丰富且可再生的前驱体来源，天然富含氮、硫或磷等杂原子。这些杂原子不仅有助于形成多样化的化学组成，还促进了碳纳米点的合成。生物质来源的碳纳米点具有稳定且可调的荧光性能，使其成为生物成像应用的有力候选。此外，由于其来源广泛且成本低廉，生物质来源的碳纳米点在实际应用中展现出良好的前景。然而，生物质来源的碳纳米点在合成过程中仍面临一些挑战，如前驱体的复杂性、产物的纯度控制以及如何进一步优化其性能等。因此，如何通过精细调控合成条件，以获得具有优异性能的碳纳米点，是当前研究的重要方向。

元素掺杂的碳纳米点因其独特的光学性能而受到关注。然而，这些材料的固有特性也带来了一些挑战。例如，碳纳米点表面的羧基和环氧基容易发生非辐射复合，导致荧光量子产率较低。此外，这些材料的发光波长主要集中在蓝绿色光谱范围内，使其在深部组织成像中不适用。因此，如何通过元素掺杂策略提高碳纳米点的荧光性能，是当前研究的重要课题。元素掺杂不仅能够增强碳纳米点的光学特性，还能够改善其生物相容性和功能化能力。例如，氮、硫或磷等元素的掺杂可以显著提高碳纳米点的荧光量子产率，并拓宽其发光波长范围，使其适用于深部组织成像和治疗。然而，目前元素掺杂的碳纳米点在实际应用中仍存在一定的问题，如掺杂元素的分布不均、发光波长的调控困难以及如何实现高效的元素掺杂等。因此，如何通过优化元素掺杂策略，以获得具有优异性能的碳纳米点，是当前研究的重点。

碳纳米点在肿瘤诊疗一体化领域的应用面临诸多挑战，主要体现在其性能的调控、功能化能力以及临床转化的可行性等方面。首先，碳纳米点的性能高度依赖于合成条件，如反应温度、压力、时间以及前驱体的种类和结构等。因此，如何通过精确调控这些参数，以获得具有特定性能的碳纳米点，是当前研究的重要方向。其次，碳纳米点的功能化能力受到其表面化学和结构组成的影响。因此，如何通过表面修饰策略，提高碳纳米点的靶向性和药物负载能力，是当前研究的关键。此外，碳纳米点在临床转化过程中仍面临诸多问题，如生物相容性、毒性、稳定性以及规模化生产等。因此，如何通过优化合成方法和功能化策略，以获得适用于临床的碳纳米点，是当前研究的重要目标。

综上所述，碳纳米点作为一种新型的荧光纳米材料，在肿瘤诊疗一体化领域展现出广阔的应用前景。然而，其性能的调控、功能化能力以及临床转化的可行性仍面临诸多挑战。因此，未来的研究应聚焦于如何通过优化合成策略和功能化方法，以获得性能优异、功能多样且适用于临床的碳纳米点。这不仅有助于提高碳纳米点在肿瘤诊断和治疗中的应用效果，还能够推动其在生物医学领域的进一步发展。同时，通过深入研究碳纳米点的结构-性能关系，可以为开发新型的多功能诊疗平台提供理论支持和技术保障。