费曼纳米 || 顶刊纳米材料推荐——黑磷量子点

近几年，黑磷作为一种新型的非金属半导体纳米材料引起了广泛关注。其具有可调带隙、高载流子迁移率和显著的面内各向异性等优异的电子和光学特性。这些特性使其广泛应用于太阳能电池、光催化和场效应晶体管等领域。此外，由于黑磷在一定的条件下可降解为无生物毒性的磷酸盐，对细胞及活体表现出较低的细胞毒性及良好的生物兼容性，使得其在纳米医学领域也具有潜在的研究价值。然而，目前黑磷在生物医学应用的报道多集中在癌症治疗方面，如光热力学治疗、光动力学治疗或其它联合治疗等，其在生物传感和生物成像等医疗诊断方面的报道较少。因为，黑磷具有厚度相关的光致发光性能，即小尺寸的黑磷才具有发光性质。

1.    黑磷概述

黑磷（Black phosphorus）是一种非金属的层状半导体，并且在磷元素的同素异形体中是最稳定的。黑磷是通过弱的范德华力由褶皱的磷层堆叠而成，其可以通过剥离形成单层和多层的二维（2D）纳米片。黑磷的原子结构如图1所示，在磷单层内，每个磷原子与相邻的三个磷原子通过共价键相连形成褶皱的磷层结构，磷层面与面之间通过范德华作用力紧密结合一起。与其他2D纳米材料相比，纳米级的黑磷具有褶皱结构及其沿Z字形方向的双层结构，其褶皱的结构使黑磷具有更高的比表面积。并且黑磷具有可调谐和厚度相关的带隙，与石墨烯的零带隙和二硫化物（TMD）的大带隙（1 - 2.0 eV）形成对比，黑磷的带隙与其厚度相关，可通过控制黑磷的厚度使其带隙从 0.3 eV 到 2.0 eV 进行调整，其可调带隙表明了黑磷在紫外线和整个可见光区域的广泛吸收。除此之外，黑磷纳米片还具有良好的载流子迁移率（103 cm²·V⁻¹s⁻¹），因此黑磷被认为在电子和光电器件方面具有潜大的应用。黑磷优异的电子和光学性能，包括可调谐带隙，高载流子迁移率和宽光吸收使材料在许多应用中具有潜力，包括太阳能电池，光催化，晶体效应晶体管，和光学传感器。此外，它的低细胞毒性和光学特性使其能够用于癌症治疗和生物传感器。

▲图1. 黑磷的原子结构示意图

除了对 2D 结构黑磷纳米片的研究，最近，黑磷的另一种零维结构纳米材料即黑磷量子点（Black phosphorus quantum dots，BPQDs）通过化学方法成功合成并引起关注。2015 年，Zhang 和同事首次实现了 BPQDs 制备的突破。他们使用了一种简便的液相超声技术来生产 BPQDs，Zhang 和同事成功制备了大小均一及分散性较好的 BPQDs。最近几年，BPQDs 引起人们的广泛研究。人们又发现了 BPQDs 的发光、成像和光热转换性能。迄今为止，BPQDs 的许多重要应用已经陆续探索，这些应用涉及广泛的生物领域，特别是荧光传感，生物成像和癌症治疗领域。

▲图2. BPQDs 的合成、性质、功能化修饰和应用的示意图

2.    黑磷量子点的光学性质

Castellanos 等人在 2014 年发现黑磷具有层数依赖的发光性质，黑磷随着层数的减小在荧光光谱上出现发射峰的现象，即黑磷在小尺寸下才表现出发光性能。随后，Ge 等人发现 BPQDs 在蓝紫色波长区域具有强烈且稳定的荧光发射。如图3为 BPQDs 不同波长激发下的发射光谱图，随着激发波长逐渐增大，荧光峰的强度增加。此外也证明了 BPQDs 的荧光稳定性，并且荧光量子产率为11.92％。这归因于从最低未占分子轨道（LUMO）到最高占据分子轨道（HOMO）和低于 HOMO（H-1，H-2）的占据分子轨道的电子跃迁。

▲图3. BPQDs 的荧光发射光谱图（300、320、340 和 360nm 的不同波长激发）

BPQDs 不同于常规量子点，其光学特性具有异常尺寸依赖性。Niu 等人通过时间密度泛函理论计算研究了 BPQDs 的尺寸依赖电子，光学吸收和发射特性。电子间隙和吸收间隙都遵循与 BPQDs 的直径成反比的规律，与量子限制效应一致。相反，发射间隙在 0.8-1.8 nm 的范围内表现出异常的尺寸依赖性，随着尺寸的增加其发生蓝移。实际上，异常是由激发态弛豫引起的结构变形引起的，并且导致在小 BPQDs 中发生巨大的斯托克斯位移。然而，斯托克斯的转变最终衰减到接近零，这表明 BPQDs 是良好的光学材料。

科学家们还从 BPQDs 的固有点缺陷和氧化反应两个方面对其光吸收耐受性进行了探究。各种固有的结构缺陷和氧化在制备 BPQDs 时几乎是不可避免的，它们如何影响电子和光学性质仍不清楚。在这里，作者通过采用时间密度泛函理论，揭示了 BPQDs 中有两种类型的光吸收，用于点缺陷和氧化。一个紧密的结构-吸收关系被揭开：只要缺陷 P 原子的配位数（CN）为 3，BPQDs 就是耐缺陷的并且显示出优异的光吸收。相反，具有 CN≠3 的不饱和或过饱和 P 原子产生-间隙状态（IGS）并完全淬灭光学吸收。作者进一步提出了通过充分的氢钝化来消除 IGS 并修复有缺陷的 BPQDs的光吸收的有效方法（图4），缺陷光学容差使 BPQDs 成为电子和光电应用的潜在的材料。

▲图4.（a）BPQDs 两种类型吸收示意图；（b）原始和有缺陷的 BPQDs 的优化基态结构的顶视图和侧视图；（c）原始和有缺陷的 BPQDs 的电子缺口。（d）原始和有缺陷的 BPQDs的吸收光谱

BPQDs 荧光的发现开启了人们对 BPQDs 荧光性质的探索。Lee 等人又证实了 BPQDs 的荧光发射依赖于激发波长，其中 BPQDs 发射的荧光具有多种颜色（蓝色，绿色）。如图5所示，他们记录了 BPQDs 在 290 至 450 nm 范围激发下的荧光光谱。强发射峰位于 394 至 516 nm，最大量子产率为 7.2％。Gu等人利用溶剂热方法合成了具有 8.4％的量子产率的 BPQDs，其荧光呈现绿色，并且 BPQDs 具有高光稳定性和 pH 抗性。BPQDs 在 350 nm 附近具有吸收峰，并且随着激发波长的增加，发射峰从 491 nm 红移至 521nm。BPQDs 荧光特性可能源于 BPQDs 的多分散性，这与其他基于 2D 层状纳米材料（石墨烯，二硫化钼）量子点一致。

▲图5. BPQDs 在 290-450 nm 激发范围内的荧光光谱图

除了 BPQDs 的荧光性质，BPQD 的其他光学性质引起人们的注意。Sun 等人，发现合成超小型 BPQDs 具有优异的近红外光热性能。如图6所示，BPQDs 具有广泛的吸收带，跨越紫外到近红外区域，类似于其他二维层状材料（氧化石墨烯，二硫化钼）。根据 Lambert-Beer 定律（A/L = aC，其中 a 是消光系数），观察到 A/L 对浓度（C）的依赖性的线性趋势，808 nm 处的消光系数为14.8 L·g⁻¹·cm⁻¹, BPQDs 的较大消光系数可以快速有效地将 NIR 光转换为热能。这也反映了 BPQDs 是较好的光热材料，表明了 BPQDs 在 PTT 领域具有较大的应用前景。

▲图6.（a）分散在水或 PBS 溶液中的 BPQDs；（b）BPQDs-PEG 的吸光度光谱图；（c）BPQDs 的光热加热曲线图（808 nm 激发 1.0 W/cm2）；（d）BPQDs-PEG 的热循环图

Li 等人研究了 BPQDs 的光动力效应，并通过电子自旋共振（ESR）光谱和¹O₂ 探针检测了 ¹O₂ 的产生。如图7所证实了 BPQDs 产生了活性氧（ROS）。具体过程如下：他们使用 2, 2, 6, 6-四甲基哌啶（TEMP）作为 ¹O₂ 捕获剂。在 ESR光谱中观察到由 ¹O₂ 产生的特征信号，揭示了 ¹O₂ 的产生。并且使用自由基捕获剂（5, 5-二甲基-1-吡咯啉 N-氧化物）来排除其他 ROS。因此检测到的 ROS 是从 BPQDs 生成的。另外，他们又使用了检测 ¹O₂ 的探针 1, 3-二苯基异呋喃（DPBF）

▲图7.（a）BPQD-PEG 在不同条件下的 ESR 光谱；（b）625 nm 激光照射探针不同时间的 DPBF 的紫外吸收光谱图（80 mW/cm2）来检测 ¹O₂ 的产生，¹O₂ 可以与 DPBF 反应并且导致 410 nm 处的吸收强度降低。随着 625 nm 光照射时间的增加，DPBF 的吸收强度在 410 nm 处持续下降，这意味着光照下 BPQDs 产生了 ¹O₂，也证实了 BPQDs 可作为 PDT 的良好光敏剂。

3.    黑磷量子点的制备方法

目前 BPQDs 的制备方法不同于常规量子点发展成熟，自从 2015 年，Zhang课题组首次制备了 BPQDs，引起了科研人员对 BPQDs 制备方法研究的热潮。目前制备 BPQDs 的方法有液体剥离法、溶剂热合成法、电化学剥离法、脉冲激光照射法等。其中液相剥离方法应用比较广泛，下面对上述已报道BPQDs 的合成方法进行简要的介绍。超声波剥离法是一种基于溶液的简便方法（例如溶液中的超声波剥离），并且超声波剥离法对于制备新兴的 BPQDs 很受欢迎。Zhang 等人,首先通过液相超声波剥离来合成 BPQDs。具体方法是将块状黑磷在研钵中研磨并且和 N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合。将混合物在冰浴中超声处理（200 W）3h，然后将超声的混合物离心（7000 rpm，20 min）并收集上清液，最后将上述上清液离心（12000 rpm，20 min）收集 BPQDs。如图8即为 BPQDs 的形貌表征图，表明了获得的 BPQD 具有 4.9 ± 1.6 nm 的横向尺寸和 1.9 ± 0.9 nm 的厚度。通常情况下，液体剥离可以用于分离 2D 层状材料并制备量子点。当该方法可用于制备石墨烯和二硫化钼的量子点，但是它通常具有宽的尺寸分布和相对低的产率。因此，科研人员将研磨和超声波处理工艺结合起来，在液相中通过离心去除大块黑磷晶体，从而提高 BPQDs 的产率及均一性。

▲图8. BPQDs 的形貌表征图。（a）BPQDs 的 TEM 图像；（b）BPQDs 的高倍 TEM 图像；（c，d）具有不同晶格条纹的 BPQD 的 HRTEM 图像；（e） BPQDs 的 TEM 粒径统计分析图像；（f）BPQDs 的 AFM 图像；（g，h）沿（f）中的白线的 BPQDs 高度剖面图；（i） BPQDs 的高度统计分析图

自从 BPQDs 的制备方法被报道后，更多的研究人员致力于研究黑磷量子点的合成方法并对其合成方法进行改善。Sun 等人采用探头超声和冰浴超声处理结合策略，以黑磷粉末为原材料，NMP 为溶剂来制备 BPQDs。首先通过探头将块状黑磷超声处理成黑磷纳米片，然后将冰浴超声处理成 BPQD，用此方法所合成了较小的 BPQDs，其颗粒的横向尺寸约为 2.6 nm，厚度约 1.5 nm。探头超声和水浴超声处理方法通常用于剥离 2D 层状材料。与探头超声相比，水浴超声可以将大量的黑磷分解成更小的颗粒；但是，单独使用水浴超声可能会导致不均一的纳米片。该探头超声和水浴超声的组合有利于将大块黑磷晶体剥离成超小型BPQDs。

本着简便、快速和有效合成 BPQDs 的目的，朱等人使用家用厨房搅拌机超快速完成了 BPQDs 的制备。图9即为使用厨房搅拌器快速合成 BPQDs 的示意图。在分解过程中，将 30 mg 的块状黑磷分散在体积为 300 mL 二甲基亚砜（DMSO）中并用家用厨房搅拌器处理。当搅拌器工作过程中，较大转速可以破坏黑磷晶体的层间范德华力，然后分解黑磷晶体层。当黑磷晶体在高速湍流下剥离和分解时，分散体的颜色变为棕色，最终形成 BPQDs 分散体。40 min 后，收集上清液，然后离心（13500 rpm, 30 min）收集 BPQDs，在收集前并用异丙醇（IPA）进一步洗涤两次以除去溶剂残余物。最后，将收集的 BPQDs 重新分散在 IPA 中进行表征，结果表明所制备的 BPQD 的尺寸约为 2.25 nm，其厚度 0.58 至 1.45 nm。BPQDs 的超小尺寸和良好的结晶结构表明了使用厨房搅拌机制备 BPQDs 的可行性。与其他方法相比，使用厨房搅拌器制备 BPQDs 的方法具有简便、快速和产率高的特点。

▲图9.（a）家用厨房搅拌机制备 BPQDs 的示意图;（b）BPQDs 的表征图

2016 年，Zhang 课题组使用另一种溶剂热合成方法成功制备了 BPQDs。图10即为在 NMP 中使用溶剂热法制备 BPQDs 的示意图。首先将块状黑磷研磨成黑磷粉末加入含有 NMP 溶液的瓶中，然后将 20 mL 黑磷 NMP 溶液，180 mLNMP 和 200 mg NaOH 加入烧瓶，并在在 N₂ 保护下 140 ℃剧烈搅拌反应 6 h。最后，将所得反应液离心（7000 rpm, 20 min）取上清液。浅黄色上清液即是含有BPQDs 的 NMP 溶液，结果显示所制备的 BPQDs 的横向大小约为 2.1 nm。2017年，Gu 等人在典型合成 BPQDs 方法的基础上使用溶剂热合成法制备了BPQDs。他们先将黑磷晶体分散在 NMP 中在超声波（360 W）下作为纳米片进行剥离。然后将上述分散体在 N₂ 保护下 140 ℃剧烈搅拌反应 12 h。在此过程中，溶液逐渐变为淡黄色也意味着 BPQDs 的形成。其方法制备的 BPQDs 尺寸约为 1.71 nm，这比之前报道制备 BPQDs 的方法所制备的 BPQDs 要小，在溶剂热合成方法中，NaOH 饱和的 NMP 溶液可以改善黑磷纳米片和 QD 的稳定性。

▲图10.（a）溶剂热合成法制备 BPQD 的示意图；（b）BPQDs 的表征图

与机械和液相剥离技术相比，溶剂热处理易于控制，可大规模生产超小型BPQDs。除了液相剥离法和溶剂热法制备 BPQDs，电化学剥离法也被报道用于制备BPQDs。Pumera 课题组首次使用基于溶液的电化学剥离法制备 BPQDs。他们首先合成了较大的黑磷晶体，然后在两个铂电极之间施加 10 V 的恒定电位进行剥离和缩小颗粒的尺寸。如图11，双极电极可以在黑磷微粒的相对端产生相反的电位，导致黑磷微粒分解成纳米颗粒。电化学剥离方法制备的颗粒虽然不如其他方法制备的尺寸小，然而，它是制备 BPQDs 的一种可行的方法。我们可以在超声波剥离之前用化学剥离处理，两种不同的剥离方法的组合可以显著提高BPQDs 在溶液中的制备效率。

▲图11. 电化学剥离法制备 BPQDs 的示意图

Ge 等人报道了通过脉冲激光烧蚀在乙醚中获得大量的黑磷纳米颗粒。他们使用 1064 nm Nd：YAG 脉冲激光器在乙醚中制备 BPQDs，重复频率为 5 Hz，能量为 30 mJ 脉冲，脉冲宽度为 6 ns。将块状黑磷溶于乙醚置于容器底部，脉冲激光用于消融黑磷 20 min 以获得平均尺寸为 7 nm 为的 BPQDs。之后，Ren 等人又通过脉冲激光烧蚀方法在异丙醚溶剂中成功合成了平均尺寸为 6 nm 的BPQDs。

4.    黑磷量子点的生物应用

由于 BPQDs 具有优异的荧光性质，使得 BPQDs 在生物成像及传感领域具有广阔的应用前景。2016 年，Lee 等人发现 BPQDs 具有荧光发射性质并可用于HeLa 细胞成像，如图12所示，BPQDs 具有良好的荧光信号，在紫外和可见光激发下观察细胞内具有蓝色和绿色荧光。与其他量子点相比，BPQDs 具有生物相容性，并且可以在几乎没有细胞毒性的身体系统中自发降解，同时具有用于潜在生物探针应用的荧光发射。Lee 等人在氯仿中制备了具有稳定蓝色发光的 BPQDs，并比较了 BPQDs 在不同有机溶剂中的发光性能，但是作者未发现BPQDs 在 NMP 中的发光性能，作者最终将获得的 BPQDs 进行简单的功能化后成功用于细胞成像。

▲图12. BPQDs 的细胞成像图。（a，d）明场图；（b，e）荧光图；（c，f）合并图像

BPQDs 的发光性能及细胞成像也推动了其在生物传感的应用。Gu 等人通过超声和溶剂热法结合成功制备了具有绿色荧光发射的 BPQDs。利用 BPQDs的荧光性质构建了一个用于硫醇检测的荧光生物传感系统并且该传感器可以评估乙酰胆碱酶的活性。如图13a所示，5, 5-二硫代-（2-硝基苯甲酸）（DTNB）可与硫醇基团反应生成 2-硝基-5-硫代苯甲酸根阴离子（TNB）。TNB 紫外吸收与 BPQDs 的激发光谱显示出相当大的光谱重叠，并导致 BPQDs 的荧光猝灭。利用 BPQDs 和 DTNB 构建基于内滤效应（IFE）的荧光传感器，用于检测含巯基的分子。因此，基于荧光 BPQDs 和 TNB 之间的 IFE 可以评估乙酰胆碱酯酶（AchE）的活性。同时，他们又使用 BPQDs 作为荧光探针开发了用于检测 Hg²⁺的荧光传感器。图 13b 即为 BPQDs 传感器的机理示意图，由于 BPQDs 的激发光谱与四苯基卟啉四磺酸（TPPS）的吸收光谱之间的重叠，这个传感是基于TPPS 和 BPQDs 之间的 IFE，BPQDs 的荧光通过 IFE 被 TPPS 淬灭。由于 Hg²⁺可以加速 Mn²⁺与 TPPS 的配位，Mn²⁺ -TPPS 复合物导致 TPPS 的吸收强度降低，BPQDs 的蓝绿色（523 nm）荧光恢复，TPPS 的红色（649 nm）荧光减少。实验结果表明 BPQDs 传感器显示出对 Hg²⁺的良好线性响应，范围为 1 至 60 nM，检测限为 0.39 nM。

▲图13. （a）基于 IFE 机理 BPQDs 的硫醇/AchE 活性检测示意图；（b）BPQDs 荧光传感器用于检测 Hg²⁺的示意图

我们已经在 BPQDs 光学性质部分证实了 BPQDs 具有优异的光热性质，即在红外区域具有较大的消光系数，可以有效的将光转换成热能。因此 BPQDs 是用于 PTT 良好材料，由于 BPQDs 优异的光热性质，引起人们使用 BPQDs 对其 PTT的研究。Zhang 课题组在发现 BPQDs 作为光热剂的潜力材料后，并探索了使用808 nm 激发的 BPQDs-PEG 在胶质瘤细胞（C6）和乳腺癌细胞（MCF-7）中的光热效应。细胞与 BPQDs 孵育 4 h 后，用 808 nm 激光（1.0 W/cm2）照射 C6 和MCF-7 细胞。持续 10 min 观察到这些细胞的 BPQDs 光热效应依赖于 BPQDs 的浓度。通过钙黄绿素（AM：具有绿色荧光的活细胞）和碘化丙啶（PI：具有红色荧光的死细胞）来区分活细胞和死细胞。在近红外（NIR）激光照射下用 50 ppmBPQDs 孵育后几乎所有细胞都被杀死。在没有 BPQDs 孵育的情况下，细胞暴露于 NIR 激光不会抑制细胞活力。由于标准的甲基噻唑基四唑（MTT）测定显示对用 20 至 200 ppm 的 BPQDs 孵育的癌细胞具有超低毒性，因此增强的癌细胞死亡可归因于 BPQDs 的高光热效率。BPQDs 的 NIR 光激发导致显着的细胞死亡，进一步表明 BPQDs 在癌症治疗中的潜在用途。

▲图14. BPQDs-PEG 的体内光热疗图。（a）4T1 肿瘤小鼠的热像图；（b）4T1 肿瘤的小鼠的肿瘤温度变化图；（c）不同情况处理带有 4T1 肿瘤的小鼠照片；（d）不同情况处理的小鼠 4T1 肿瘤的相应生长曲线图

Sun 等人使用了聚乙二醇化 BPQDs 作为光敏剂在 4T1 肿瘤小鼠上进行癌症的 PTT 实验。并且使用成像仪设备检测 BPQDs-PEG 处理的肿瘤区域的温度变化。如图14所示，在 808 nm 激光照射下，肿瘤的温度在 5 min 内从 34 ℃显着增加至 59 ℃。相比之下，在相同的照射条件下，没有注射 BPQDs 的肿瘤的温度仅略微增加了 6 ℃。之后用 BPQDs-PEG 纳米颗粒和激光照射处理的小鼠，它们的实体肿瘤逐渐收缩并在治疗 3 天后结痂（图 c）。相反，仅用相同功率密度的激光照射或仅用 BPQDs-PEG 纳米颗粒处理的小鼠的肿瘤随着培养时间而增长。同时也表明聚 BPQDs-PEG 纳米颗粒可以用于癌症体内的 PTT。

▲图15.（a）不同试剂用于 PDT 治疗肿瘤小鼠图；（b）肿瘤生长曲线图；（c）H＆E 染色的肿瘤切片的组织学图像；（d）不同试剂处理 S180 肿瘤小鼠后的体重变化图；（e）给药后不同时间点 BPQDs 的累积清除百分比图（n = 5）

除 PTT 外，BPQDs 被发现是一种非常有效的光敏剂可以产生单线态氧，显示出在 PDT 中应用的巨大潜力。Guo 等人探究了 BPQDs 在光照下对体内和体外的光动力效应，发现 BPQDs 可有效产生活性氧以杀死癌细胞。在实验中作者以携带 S180 肿瘤的 BALB/c 裸鼠作为模型来研究 BPQDs 的 PDT 治疗效果。他们将肿瘤小鼠随机分为四组：未经任何治疗的小鼠（空白）；只注射 BPQDs小鼠（仅限 BPQDs）；仅用光照射小鼠（仅光照）；注射 BPQDs，然后用 670 nm光（160 mW/cm^-2）照射 20 min 的小鼠（BPQDs+光照）。小鼠注射 BPQDs 并暴露于光照后，肿瘤的生长受到显着抑制（图15），与之形成鲜明对比的是老鼠在其他对照组中表现出快速的肿瘤生长。因此，BPQDs 可以作为生物相容性和强大的光敏剂，用于高效的光动力疗法。从研究结果来看 BPQDs 可能是优于传统 Ce6 的光敏剂，该研究为未来的临床应用奠定了基础。

原文整理自《黑磷量子点荧光探针的构建及其在生物传感/成像中的应用》，我们尊重作者李丹原创。

本文由科学指南针-费曼纳米归纳整理，关注我们了解更多科研干货。

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