红/近红外发光碳点：理性设计、光物理机制、计算建模及生物医学诊疗综述

《Dyes and Pigments》：Red/Near-Infrared-Emissive Carbon Dots: Rational Design, Photophysical Mechanisms, Computational Modeling, and Biomedical Theranostics: A Review

　　**摘要**- 本综述独特地桥接了两个极少关联的建模框架。- 第一个是DFT/TD-DFT，它提供关于电子结构的机理和量子化学见解。- 第二个是机器学习模型，它提供关于发射波长和颜色类别的统计预测性见解。**引言**碳点（CDs）是一种新型零维碳纳米材料，于2004年在单壁碳纳米管（SWCNTs）的电动净化中被偶然发现[1]。自其被发现以来，CDs引起了非同寻常的科学兴趣，因为与传统的量子点（QDs）和有机染料相比，它们作为荧光纳米材料具有多方面的性质，如低细胞毒性、高水溶性、可调的光致发光、高光稳定性和低成本从地球资源中容易获取碳源等优点[2]，[3]。这些性质使CDs成为各种应用的潜在有趣材料，包括生物传感、生物成像、光催化、发光二极管和药物递送[4]，[5]，[6]。尽管已研究的CDs数量令人印象深刻，但大多数报道的CDs都在蓝光（420-480 nm）或绿光（480-560 nm）光谱区域发射，在这些区域存在高组织自发荧光、大量光散射和浅层组织穿透，因此在生物应用中不太有用[7]，[8]。因此，创造用于体内生物医学应用的红光（600-700 nm）和近红外（700-900 nm）发射CDs是CDs开发中最有前景但也最困难的领域之一，在这些范围内生物组织具有最小的吸收和散射，允许以高信噪比对深层组织进行成像[9]，[10]。然而，红光/近红外发射CDs通常产量较低，其主要要求是由于每个颗粒核心中本征局域化大带隙的石墨碳（2.5-3.5 eV）[11]。"长波长发射需要先进的带隙工程技术，其中电子结构通过长程π共轭、在表面引入额外的官能团、杂原子掺杂、创建特定的缺陷态，或在CD晶格内或表面掺入分子荧光团单元来进行定制"[12]，[13]。几种相互竞争的机制，如量子限制效应、表面态发射、分子态荧光和聚集诱导发射，已被证明根据合成条件对CDs中的红光/近红外发射解释有效，该领域是一个活跃的争论领域[14]，[15]。近年来，红光/近红外CDs从基本光学研究到实用生物医学诊疗的转化迅速推进。红光/近红外CDs在荧光成像方面的应用已被成功证明[16]，以及光动力治疗（PDT）[17]，[18]和光热治疗（PTT）的平台，以及可用于诊断和治疗两者的整合诊疗剂[19]。由于其内在的能力，在光的存在下产生活性氧物种（ROS），高生物相容性和易于表面功能化，它们在纳米医学平台中特别适合[20]。已有几篇综述讨论了CD光致发光的方面[21]，[22]，合成方法[23]和生物医学应用[24]，[25]。然而，没有文献专门论述发射红光/近红外光的CDs的合理设计原则、光物理机制、诊疗应用和带隙工程。为解决该领域知识碎片化的问题，本综述提供了面向应用、机理全面的领域视角。它系统地涵盖了：(i) 红光/近红外CDs的形态、结构、电子和光学性质；(ii) 长波长发射的光物理机制；(iii) 带隙工程策略；(iv) 计算和数据驱动的建模技术，包括DFT/TD-DFT和机器学习框架用于性质预测；(v) 合理的合成设计方法；(vi) 结构-性质关系；(vii) 表面态调控、缺陷工程和杂原子掺杂；(viii) 生物成像和生物传感应用；(ix) 生物医学诊疗；(x) 当前挑战和未来展望。本综述将作为概念框架和下一代具有高级生物医学应用的红光/近红外CDs的合理设计指南。**章节摘要****形态与化学表征**红光/近红外发射CDs通常呈现准球形形态，直径范围为2至10 nm，如高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）和原子力显微镜（AFM）所示[26]。红光/近红外CDs通常表现出比蓝光发射CDs更宽的粒径分布，这是由于红光/近红外发射所需的更复杂的合成过程。HR-TEM数据显示d间距为0.20-0.34 nm的晶格条纹，与（100）和（002）晶面有关。**量子限制效应**CDs中的量子限制源于电子波函数在石墨碳域内的纳米尺度限制，类似于无机半导体QDs的尺寸依赖光学性质[51]。当共轭sp2碳域的尺寸减小到玻尔激子半径以下时，量子限制效应导致带隙展宽；相反，增大畴尺寸会缩小带隙并红移发射。对于具有明确定义石墨烯核心的CDs，发射波长与核心尺寸相关。**π-共轭延伸**降低CDs带隙并实现红光/近红外发射最简单的方法是增加石墨碳核心的π-共轭长度，这可以通过选择具有更多稠合芳环的前体（如芘、蒄、冕醚及其衍生物）、使用有利于脱氢偶联和石墨化的高温合成条件，以及控制反应时间以允许更长的多聚缩合来实现[68]。渐进的延伸。**红光/近红外碳点的合理合成设计**红光/近红外发射碳点（CDs）的合成通常可分为自下而上和自上而下的方法[85]。自下而上的方法涉及分子前体的聚合、芳香化和碳化以合成碳点，其中可以实现对表面化学和杂原子掺杂的精确控制[86]。与自上而下的方法不同，后者通过将较大的碳质材料（石墨、煤、碳纤维）分解为纳米级颗粒来产生CDs，丰富的。**核心尺寸-发射波长关系**CDs的石墨核心尺寸和发射波长与量子限制预测相关：随核心尺寸增大而红移发射[104]。对文献数据的统计分析表明，对于石墨CDs，CD核心直径（2-8 nm）和发射最大值（400-700 nm）之间存在近似的线性关系，CD核心直径每增加1 nm，发射最大值红移约30-50 nm[105]。然而，这种关系相当。**表面态调控**CDs中的表面态是由CDs表面的官能团、悬挂键、界面电荷转移和结构缺陷引起的。红光/近红外CDs的波长、量子产率和光稳定性可以通过对表面态的精确调控来控制[120]。酯化、酰胺化、硅烷化和将辐射表面态与某些发色分子偶联等后合成表面修饰方法允许系统地调控。**体外细胞成像**配体功能化的红光/近红外CDs，装配有靶向肽、适体、抗体和叶酸，已被证明能在受体过表达的癌细胞中聚集，从而产生高对比度成像[133]。合成具有器官特异性靶向功能的红光/近红外CDs，选择性地定位在细胞线粒体、溶酶体、细胞膜和细胞核中，允许实时追踪细胞器动力学和细胞器间通讯，而这些是传统染料无法实现的，允许深入了解。**光动力治疗**光动力治疗（PDT）是一种利用一类称为光敏剂的特殊物质的能力的疗法，这些物质在氧存在下暴露于光时会产生细胞毒性活性氧物种（ROS），如单线态氧（1O?），从而通过氧化应激机制导致细胞死亡[143]。具有适当三重态能量学特性（三重态能量>0.98 eV用于1O?敏化）的红光/近红外发射CDs可以充当内源性光敏剂或充当。**挑战与展望**尽管取得了令人印象深刻的进展，红光/近红外发射CDs的临床应用开发仍面临许多障碍[158]。由于结构异质性和多分散性，结构-性质关系往往难以确定，这取决于制备CDs所使用的合成路线；有关涉及机制的报道存在矛盾，发射波长、量子产率和光稳定性往往呈反相关[159]。第二个挑战在于。**结论**红光/近红外发射碳点已从基础研究进展到临床前生物医学应用，尽管它们的体内性能、安全性和转化潜力仍在积极研究中。本综述汇集了它们的结构、电子和光学性质的关键要素，讨论了长波长发射的光物理基础，并总结了带隙工程、合成方法和发射的结构-性质关系。**CRediT作者贡献声明****尹彩霞**：撰写 – 审阅与编辑。**穆罕默德·扎希**：撰写 – 原稿。**乌鲁吉·纳伊姆**：形式分析。**马凯青**：软件。**霍芳君**：指导监督。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。**利益冲突声明**我们没有任何利益冲突。**致谢**我们感谢**国家自然科学基金**（22477073、U24A20321），**中国山西省奖学金委员会**支持的研究项目（2022-002），山西省科学基金会（编号：202203021221009），山西省海外人才科技活动选拔资助项目（编号：2024001），以及2024年三金人才计划——创新与技术领域项目（自然科学与工程领域的创新团队）。穆罕默德·扎希 | 乌鲁吉·纳伊姆 | 马凯青 | 霍芳君 | 尹彩霞