碳点（CDs）作为一种新型零维球状碳基纳米材料，粒径小于10 nm，具有良好的稳定性、易功能化并且合成来源广泛，近年来吸引越来越多的研究者。CDs展现出良好的光学性能，目前已报道CDs的发射波长范围在可见光区到近红外区。近红外碳点（NIR-CDs）具有良好的穿透性，可以深入组织内部，并且其散射小的优点有利于实现高清晰度成像，这为其在生物医学中的应用奠定良好的基础。NIR-CDs通过共价键或静电作用，与药物的偶联，借助EPR效应在病灶富集，实现疾病的高效治疗。除此之外，经过光能量激活后的NIR-CDs可以通过能量转移或电子转移产生高细胞毒性的热量或活性氧，可以杀死致病细胞，实现病灶的治疗。因此，NIR-CDs有望实现高质量成像引导的诊疗一体化，是有发展前景的生物材料。
近日，太原理工大学杨永珍教授团队从合成方法、发光机理和生物应用三个方面综述近年来NIR-CDs的研究进展。作者首先介绍NIR-CDs的合成方法，包括“自上而下”法和“自下而上”法；其次，基于碳核态、表面态、分子态和交联增强发射四个方面总结其发光机理；第三，从诊断和治疗的角度介绍NIR-CDs在成像、药物递送、非侵入治疗、诊疗一体化和生物传感中的作用原理和应用进展，为NIR-CDs实现高效的疾病诊断和治疗提供借鉴和思路。最后，对目前NIR-CDs面临的问题进行总结，并对其在疾病诊断和治疗中的应用前景进行展望。
该论文以“Advance of near-infrared emissive carbon dots in diagnosis and therapy: synthesis, luminescence, and application”为题发表在Advanced Healthcare Materials上。论文第一作者为太原理工大学硕士研究生胡晶，通讯作者为太原理工大学杨永珍教授和陈琳副教授，以及山西医科大学第三附属医院（山西白求恩医院）康伟伟博士。
1. 合成方法
NIR-CDs的合成方法通常分为两类，其一是以大块的碳材料为前驱体，利用物理或化学方法剥离形成纳米碳颗粒，称为“自上而下”法；其二是利用小分子、聚合物或生物质作为前驱体，通过交联、聚合和碳化制备CDs，称为“自下而上”法。
图2.“自上而下”法合成NIR-CDs。
图3. “自下而上”法合成NIR-CDs。
2. 发光机理
NIR-CDs的光致发光源于获取光激励能量后，所产生的受激电子经过内迁移和系间窜越（Intersystem crossing, ISC）等过程最终发生辐射跃迁，根据电子迁移路径的不同展现出单光子荧光、多光子荧光、磷光和延迟荧光的发光性能。研究人员在合成过程中发现，通过改变反应条件实现NIR-CDs光学性能的调谐，实际上是对碳核态、表面态、分子态和交联增强发射效应的调谐过程。
图4. NIR-CDs的光致发光类型和发光机理。
3. 应用
NIR-CDs因其良好的生物相容性、水溶性、低生物毒性等特点，在诊断和治疗领域是一种具有良好发展前景的材料。其应用主要有五个方面。首先，它们可以作为成像剂，通过生物成像确定病变部位，诊断生物体的病理变化。第二，可作为药物载体，进行靶向给药和治疗。第三，它们可以作为光敏剂或声敏剂，在光或超声能量的激活下产生热能或活性氧，用于非侵入性疾病治疗。第四，NIR-CDs可作为诊疗一体化探针用于成像和非侵入治疗，从而有效提高治疗率。第五，NIR-CDs还可作为生物传感器，实现疾病的早期筛查和诊断。具有生物成像诊断、给药、无创治疗、生物传感等综合功能的NIR-CD在疾病的诊断和治疗中发挥着越来越重要的作用。
图5. NIR-CDs的单光子成像。
图6. NIR-CDs的多光子和长余辉成像。
图7. NIR-CDs作为载体负载药物。
图8. NIR-CDs光疗法和声疗法。
图9. NIR-CDs作为探针实现疾病诊疗一体化。
综上所述，本综述首先基于“自上而下”和“自下而上”法总结NIR-CDs的合成方法，并对比不同合成方法的特点。其次，总结基于碳核状态、表面状态、分子状态和交联增强发射的NIR-CDs发光机理。NIR-CDs的发光并非源于单一结构，而是整体结构共同作用的结果。最后，介绍NIR-CDs作为成像探针实现的多种成像模式，包括单光子荧光成像、多光子荧光成像、长余辉磷光成像，以及针对肿瘤、炎症和细菌感染的光声成像。简述以NIR-CDs为载体的药物递送和可控释放，梳理光疗和超声治疗的无创治疗原理和应用。NIR-CDs在成像、给药和非侵入治疗方面的优异特性使其能够广泛应用于生物医学领域的各个方面，并有助于提高未来的诊断和治疗效率。
随着研究的不断深入，NIR-CDs的发展仍有很大的空间，比如，（1）NIR-CDs通常需要短波长光作为激发光源，而高能量的短波长光源在激发过程中会造成生物体的损伤；（2）目前的NIR-CDs的发射范围主要在NIR-I，相比于NIR-II，其组织渗透深度有限，不利于身体内部深处病灶区域的成像诊断；（3）相比于单光子成像，多光子成像具有更加良好的成像清晰度以及更高的信噪比，然而具有多光子成像的NIR-CDs的合成并应用于生物疾病诊疗仍旧是一个有待进一步研究的领域；（4）目前大多数NIR-CDs主要应用于对于病灶部位的诊断成像，单一功能的NIR-CDs对于疾病诊疗效率的提高贡献有限。
该工作得到山西省基础研究计划项目（20210302123164, 202103021223231），山西浙大新材料与化工研究院科技研发项目（2021SX-TD012），山西省肿瘤医院国家肿瘤区域医疗中心科教培育基金（TD2023003），山西省纳米药物可控缓释技术创新中心（202104010911026），山西省回国留学人员科研资助项目（2024-058），中国博士后科学基金（2023M732142），山西省优秀博士奖励基金（SD2234），山西医科大学博士启动基金（XD2146），中国教育部细胞生理学重点实验室（山西医科大学）开放基金（CPOF202308）等项目的支持。
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https://doi.org/10.1002/adhm.202401513
