荧光纳米材料：进展、合成与生物医学应用

摘要

过去二十年纳米技术推动多样荧光纳米材料（FNMs）涌现，其独特光学性质实现生物成像和荧光检测突破。尽管前景广阔，光致发光效率有限、选择性欠佳等挑战仍限制临床转化。本文综述关键FNM类别——量子点、碳基点、纳米管、石墨烯衍生物、贵金属纳米颗粒、二氧化硅颗粒、磷光体、有机框架——重点介绍近年合成创新、生物医学应用、现存局限，并展望克服合成应用障碍的未来方向，瞄准临床部署。

引言

传统有机染料受细胞毒性、生物相容性差、光稳定性差困扰，驱动FNMs作为新一代成像剂发展。FNMs理化属性——尺寸、形貌、表面化学——决定光学行为和生物性能，使可控合成成为研究重点。近年掺杂策略、表面功能化、绿色合成法提升生物相容性和光致发光，但高量子产率（QY）和选择性组织靶向仍具挑战。本文聚焦FNMs前沿合成技术和生物医学用途，提供发展轨迹洞见。

荧光纳米材料合成

量子点（半导体纳米晶）

量子点（QDs）具宽吸收、窄发射、高量子产率、抗光漂白，成像理想选择。量子限域源于电子-空穴对限制在小于玻尔半径尺寸。早期合成（1982）用玻璃基质生长；现代方法包括直接吸附、连接子辅助吸附、原位法。表面包覆（无机壳或配体交换）增强胶体稳定性降低毒性。近期Ga³⁺掺杂Ag-In-Se QDs消除缺陷态发射，实现高信噪比体内清晰成像。HgTe QDs因低暗流、高探测率成IR生物成像候选。

碳点

碳点（CDs）为<10 nm碳纳米结构，2004年发现。具水溶性、低细胞毒性、激发依赖多色发射、易表面化学，许多生物医学任务优于半导体QDs。合成路线大分化学（电化学、酸氧化、水热、微波、溶液化学、载体法）和物理（电弧放电、激光烧蚀、等离子体）。如磷酸缓冲液中石墨电化学氧化产3–5 nm石墨烯量子点绿光PL。壳聚糖水热碳化得高氨基官能化CDs，QY 7.8%无强酸。N、S共掺杂可提QY>80%，微波辅助L-半胱氨酸/柠檬酸CDs为例。功能化策略（亚砜或羰基基团）实现近红外（NIR）发射，拓展组织穿透深度。

化学合成方法

电化学合成、酸氧化、水热、微波、溶液化学主导CD生产，因其可调性和可放大性。电化学路线（如氧化石墨柱电极）产生蓝/黄双峰PL、低细胞毒性CDs。碳纳米管酸氧化得3–4 nm CDs，盐水中亮黄荧光、优异光稳定性。微波/超声法实现快速一步合成；如离子液体衍生CDs几分钟生成并同步功能化。生物聚合物（葡萄糖、壳聚糖、柠檬酸）水热碳化提供绿色、无添加剂生产，保留生物相容性。

物理合成方法

电弧放电、激光烧蚀、等离子体处理从碳前驱体产生可控尺寸缺陷密度CDs。电弧放电烟灰纯化可分离高荧光CDs。水相激光烧蚀得单分散CDs，氧等离子体可活化石墨烯层转化为荧光纳米颗粒。

碳纳米颗粒

碳纳米颗粒（>20 nm）结合光稳定性、低细胞毒性、易合成（水热、微波、激光烧蚀）。近期研究显示间苯二酚或透明质酸受控碳化得红光发射、生物相容颗粒，适合体内成像。

碳纳米管

单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）纳米管具高长径比、强NIR吸收，适合深层组织成像。功能化策略（共价/非共价）改善水溶性保留荧光。近期报道二硫苏糖醇提升SWCNTs QY至媲美QDs水平，两性聚合物实现活体脑组织高对比度成像。

石墨烯基纳米材料

石墨烯氧化物（GO）和还原GO（rGO）本征荧光弱，但共轭荧光染料或本征掺杂可生成亮、生物相容发射体。自下而上合成（外延生长、CVD）和自上而下剥离（机械、溶剂、电化学）允许尺寸控制。本征发光石墨烯衍生物经胺或十二烷基胺功能化提供可调发射、低细胞毒性，实现生物成像应用。

金属纳米材料

贵金属纳米颗粒——Au、Ag、Cu——结合低细胞毒性与等离子体/荧光性质。柠檬酸稳定AuNPs可修饰肽/抗体靶向成像。DNA模板Ag纳米簇（DNA-Ag NCs）发射可调但负表面电荷；阳离子聚电解质复合显著增强荧光和细胞摄取。微波辅助聚醇法合成铜纳米簇（Cu NCs）显高稳定性，可作RDX选择性传感器。