5 分钟微波辅助合成聚多巴胺钝化碳点：5% 量子产率与 35% 光热转化效率用于癌症治疗

摘要

碳点（CDs）因可调光致发光、高光热转化和优异生物相容性而备受青睐。提高量子产率（QY）通常需表面钝化或杂原子掺杂，尤其是氮掺杂。本研究提出一种快速、一锅法微波辅助合成，将聚多巴胺（PDA）钝化整合进 5 分钟热解步骤，大幅简化传统水热法流程。所得 PDA 功能化碳点（CD-PDA）经 DLS、FT-IR、UV-Vis 和荧光光谱表征。PDA 引入的 N 掺杂使 QY 从 <5% 提升至 5%（近三倍），酚羟基促进成核使产率提升 ~1.5 倍。CD-PDA 还展现 35% 光热转化效率，超越许多金基光热剂。重要的是，PDA 涂层保留官能团，可通过迈克尔加成或希夫碱化学进一步偶联，为靶向给药或诊疗一体化应用铺平道路。

研究背景

碳点是一类独特的零维碳纳米结构，结合 sp²/sp³ 杂化与丰富 π 电子，形成缺陷位点和杂原子掺杂位点，驱动光-热或光-光子转换过程。2004 年从电弧放电单壁碳纳米管纯化中首次分离以来，CDs 凭借可调荧光、高光热转化和天然生物相容性，被广泛应用于生物成像、光热治疗 (PTT)、光动力治疗 (PDT) 和生物传感。合成路线众多——激光烧蚀、酸氧化、水热法、微波热解、电化学氧化、超声辐射、等离子体法——但实现高 QY 和稳健近红外吸收仍具挑战。

引入氮杂原子是提升 CD 荧光的有效策略。例如，甘油与支化聚乙烯亚胺 (PEI) 经 700 W 微波热解制得 PEI 功能化 CDs，QY 达 15.3%，用于细胞成像和基因递送。ATP 水热法制得 N、P 共掺杂 CDs QY 为 9.8%。阿魏酸等酚类化合物也被证实能作为催化种子促进 CD 生长。

聚多巴胺 (PDA) 为多巴胺自聚合形成的类黑素聚合物，富含儿茶酚、胺和酚羟基。这些官能团使 PDA 成为 CDs 理想的钝化和催化剂。基于此，我们开发了一锅法、5 分钟微波辅助热解协议合成 PDA 钝化 CDs，并评估其理化性质、光致发光、光热性能和细胞毒性。

结果与讨论

CD-PDA 的合成与表征

CD-PDA 制备：将 6 mL 预聚合 PDA (pH 8.5, 2 h) 与 20 mL 甘油混合，500 W 微波氧化 5 min。对照组 CDs 同条件下仅用甘油制备。PDA 介导合成产率提升 ~1.5 倍，归因于酚基促进成核。

动态光散射显示 CD-PDA 水动力直径 51.5 ± 19.5 nm，Zeta 电位 -27.5 ± 0.4 mV，表明带负电的 PDA 涂层。对照 CDs 为 5.5 ± 2.5 nm。TEM 证实单分散球形颗粒，CD-PDA 直径 ~25 nm，CDs ~5 nm，PDA 钝化后尺寸增加 ~20 nm。

FT-IR 显示儿茶酚 O-H 伸缩 (~3400 cm⁻¹) 和芳香 C=C (~1600 cm⁻¹) 特征峰，确认 PDA 引入。1642、1588、1640 cm⁻¹ 新峰对应 C=O、N-H、C-N 振动，证实表面钝化成功。UV-Vis 显示 200–900 nm 宽吸收，尤其近红外区，彰显 PDA 光热能力。CD-PDA 在 274 和 370 nm 有吸收峰，CDs 在 260 和 330 nm；红移反映 PDA 引入的酰胺基团。

CD-PDA 的光致发光性能

激发波长从 350 至 420 nm 变化时，CD-PDA 发射峰从 450 红移至 500 nm，展现可调荧光。荧光显微镜和宏观 UV 成像 (365 nm) 确认发射强度强于 CDs。以奎宁硫酸酸 (QY 54%) 为标准测得 QY 为 5%，近三倍于对照 CDs。365 nm 连续照射 2100 s 荧光强度稳定，表明光致发光稳健。

优化研究发现：2 h 多巴胺预聚合荧光最强；PDA 浓度 3–9 mg mL⁻¹ 时呈钟形响应；酸性条件 (pH 5) 进一步增强荧光，暗示在肿瘤微环境中表现更优。

CD-PDA 的光热性能与细胞毒性

光热功效

808 nm、2 W cm⁻² 照射 10 min，CD-PDA (200 µg mL⁻¹) 温升 27 °C，接近单独 PDA (30 °C)，显著高于 CDs (7.5 °C)。浓度依赖性加热曲线确认 CD-PDA 负载量与温升正相关，光热转化效率 35%，超越金纳米棒 (22%)。

体外细胞活力

HeLa 细胞 MTT 实验显示剂量依赖性活力。CD-PDA 在 100 µg mL⁻¹ 以下维持 >80% 活力，优于 CDs 且与 PDA 持平。808 nm 照射 5 min 后，200 µg mL⁻¹ CD-PDA 将活力降至 30%，证实强效光热杀伤兼具低暗毒性。

结论

我们建立了一种简化的 5 分钟微波辅助协议合成 PDA 钝化 CDs。所得 CD-PDA 具备 5% QY、35% 光热转化效率，且得益于 PDA 诱导成核而产率提升。体外研究显示优异生物相容性和显著光热治疗效果，PDA 涂层保留官能团，可通过迈克尔加成或希夫碱化学进一步功能化。

实验方法

材料

均为分析纯。多巴胺盐酸盐 (Sigma-Aldrich)、奎宁硫酸酸 (Fluka)、甘油 (>99%)、Tris 缓冲液 (10 mM, pH 8.5)、DMSO (>99.8%)、透析膜 (MWCO 1000 Da)、MTT、胰蛋白酶、抗生素 (Beyotime) 直接使用。HeLa 细胞购自 ATCC。DMEM 和 FBS 分别来自 HyClone 和 Biological Industries。

仪器与表征

FT-IR (Nicolet 380)、UV-Vis-NIR (Perkin-Elmer Lambda 750)、荧光光谱仪 (Tecan Infinite 200PRO)、DLS (Malvern Nano-ZS)、TEM (FEI Tecnai G)、国产 500 W 微波炉 (Galanz) 用于分析。

CD-PDA 与 CDs 制备

多巴胺 (50 mg) 溶于 10 mL Tris (pH 8.5) 室温搅拌 2 h 制得 PDA。CD-PDA 合成：混合 6 mL PDA 与 20 mL 甘油，500 W 微波氧化 5 min，透析 (48 h, MWCO 1000 Da) 后冻干。对照 CDs 同法但不加 PDA 制备。

荧光量子产率测定

以奎宁硫酸酸 (0.1 M H₂SO₄, QY=54%) 为标准。样品稀释至 350 nm 光密度 <0.02，比较 380–700 nm 积分荧光强度，按公式 F = Fₛₜ(Grad_X/Grad_ST)(R_X²/R_ST²) 计算。

光热测量

样品 (200 µg mL⁻¹) 置石英池，808 nm、2 W cm⁻² 激光照射，每分钟记温 10 min，照射后记录降温曲线。按标准协议计算光热转化效率。

细胞培养

HeLa 细胞培养于高糖 DMEM + 10% FBS + 抗生素，37 °C, 5% CO₂。

MTT 实验

细胞 (2×10⁴ 孔⁻¹) 与不同浓度 CD-PDA (10–100 µg mL⁻¹) 共孵育 24 h，加 MTT (5 mg mL⁻¹) 4 h，490 nm 吸光度测定，活力以未处理对照为 100% 计算。