综述：聚合碳涂层金属纳米颗粒：一种用于生物医学成像和治疗诊断应用的多模式平台

《Smart Materials in Medicine》：Polymerized-carbon-coated metal nanoparticles: A multimodal platform for biomedical imaging and theranostic applications

　　阿卜杜拉·卡米斯·阿尔·赛迪（Abdullah Khamis Al Saidi）、马扎尔·乌尔-伊斯兰（Mazhar Ul-Islam）、阿迪布·谢赫扎德（Adeeb Shehzad）、穆罕默德·瓦西·艾哈迈德（Md. Wasi Ahmad）、黄月（Huan Yue）、穆罕默德·阿尔-阿布里（Mohammed Al-Abri）、穆罕默德·瓦吉德·乌拉（Muhammad Wajid Ullah）、蒂鲁塞韦·特加法沃（Tirusew Tegafaw）、恩达莱·穆卢格塔（Endale Mulugeta）、张永民（Yongmin Chang）、李刚浩（Gang Ho Lee）
阿曼苏丹国萨拉拉赫（Salalah）多法尔大学（Dhofar University）工程学院化学工程系，邮政信箱2509，211

**摘要**
聚合物碳包覆的金属纳米颗粒（C@NPs）作为一种多功能纳米材料，正在生物医学成像和集成诊断-治疗（theranostic）平台中展现出广泛的应用前景。这些纳米颗粒结合了金属核心的优异性能与碳涂层的稳定性和多功能性，使其成为非侵入性成像、靶向药物递送和癌症治疗的理想候选者。C@NPs的纳米级尺寸、较大的表面积以及可修饰的化学性质使其能够与生物系统发生分子相互作用，从而提高诊断的精确度并增强治疗效果。本文综述了C@NPs的最新进展，重点关注其在计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）、光声成像（PAI）、磁粒子成像（MPI）、超声成像（USI）、光热成像（PTI）和荧光成像（FI）等多种生物医学成像模式中的应用。C@NPs能够在单一平台上整合多种成像技术（即多模态成像），从而提高疾病诊断和监测的灵敏度和准确性。此外，还探讨了其在theranostics中的应用，包括诊断和治疗功能，特别关注其生物相容性、生物安全性和长期稳定性。文章还讨论了这些纳米颗粒在合成、表面功能化和规模化方面的挑战，并展望了其临床转化的未来方向。随着材料设计和制造技术的不断进步，C@NPs有望通过提供创新的早期疾病识别方法、患者个性化治疗方案以及实时动态跟踪治疗反应的方式，彻底改变精准医疗领域。

**1. 引言**
过去十年中，纳米颗粒（NPs）因其在各个领域的广泛应用潜力而受到广泛关注。它们的独特性质使其成为纳米技术领域中非常重要且多用途的材料，如催化1、能量存储3、光致发光5、食品工业7、生物技术9、药物递送11等。其中，生物医学应用因其特殊特性而成为最具前景的领域之一，尤其是在疾病诊断、治疗和成像方面13、14、15。纳米颗粒的尺寸（1–100纳米）具有较大的表面积和较小的体积，能够在分子和细胞层面与生物系统相互作用16、17。这些特性使它们成为非侵入性成像（如细胞、组织、特定器官甚至整个身体的成像）、靶向药物递送以及生物传感器和纳米机器人开发18、19、20的理想选择。1990年，纳米颗粒首次被商业用于疾病诊断，作为肝脏成像剂；随后其应用扩展到肠道成像，商品名为Gastromarks和Lumirems21、22。尽管取得了这些进展，但开发兼具小尺寸和胶体稳定性的多功能纳米材料仍面临挑战，同时还需要实现响应性和靶向药物递送。

碳基涂层在核/壳结构纳米颗粒（core/shell-structured NPs）中的质量和表面化学性质起着关键作用，这引发了人们对生物医学应用日益增长的兴趣。碳涂层的独特物理和化学性质——取决于核心、壳层和界面——为提高生物医学应用性能提供了巨大潜力23、24、25。这种结构依赖性允许通过调整核心和壳层的化学组成及相对大小来精细调节性能。然而，在开发能够精确控制这些形态的简单可靠制造方法方面仍存在挑战。碳作为生物体中的基本元素，因其生物相容性、广泛的pH值稳定性、低毒性和进一步表面修饰的能力26、27、28、29而成为生物医学应用的理想材料。碳存在多种同素异形体，包括金刚石、石墨、富勒烯（C60、C70）、石墨烯、纳米管和非晶碳（a-C），每种都具有独特的性质30、31、32。碳壳层通常通过碳氢化合物前体的高温碳化形成，这一过程会在末端表面引入羟基（–OH）和羰基（–COOH）基团，从而提高在水环境中的胶体稳定性。围绕金属纳米颗粒的碳壳层可以来源于多种碳前体，包括小有机分子（如葡萄糖、右旋糖和酚-甲醛树脂）、气态碳氢化合物、聚合物化合物以及生物质材料33、34、35。碳前体的选择对最终碳包覆纳米颗粒的结构特征、表面化学性质和物理化学性质具有重要影响。这些因素最终决定了聚合物碳包覆金属纳米颗粒（C@NPs）在生物医学成像和theranostic应用中的稳定性、生物相容性和功能性能。聚合物碳包覆纳米颗粒是一类特殊的碳包覆纳米材料，其碳壳层是通过分子或聚合物前体的原位聚合后碳化形成的36、37。与传统石墨或热解法制备的碳涂层不同，这些聚合物衍生的壳层通常具有富集表面官能团（如–OH和–COOH）的混合sp2/sp3碳网络38、39。这种结构配置导致更高的表面缺陷密度和更好的化学可调性，从而提高了胶体稳定性、生物相容性和功能化能力。因此，聚合物碳包覆纳米颗粒在生物医学应用中具有显著优势，尤其是在多模态成像和theranostic平台中，使其区别于传统的碳包覆系统40、41。重要的是，聚合物碳包覆纳米颗粒不仅仅是结构上的变化，而是一种功能适应性强的纳米平台，其物理化学和生物性能优于传统碳包覆系统。

聚合物碳涂层的独特结构特征赋予了多种功能优势，包括提高胶体稳定性和生物结合性的增强表面功能、缺陷介导的光学性质（有助于内在荧光和光热行为[42]、降低金属离子泄漏的改善生物相容性43、44），以及支持磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）、磁粒子成像（MPI）、光声成像（PAI）、光热成像（PTI）、超声成像（USI）和荧光成像（FI）等多模态成像的能力。这些综合性能使聚合物碳包覆纳米颗粒成为先进生物医学应用的高度多功能平台。碳壳层的表面结构在决定纳米颗粒的物理和化学性质方面起着决定性作用。合成这些涂层的方法包括自上而下和自下而上的方法。自上而下的方法如激光烧蚀碳粉45、46、电化学氧化47、48和电弧放电49、50被广泛用于制备碳涂层；自下而上的方法包括微波合成51、52、燃烧烟尘53、54、使用二氧化硅或沸石等载体对碳前体进行热氧化55、56，以及使用多种碳源（如商业活性炭、灯黑甚至西瓜皮57、58、59）。这些方法为制备适用于多种生物医学应用的碳基涂层提供了多种途径。

常见的碳基纳米材料结构形式和形态包括非晶碳、金刚石、石墨烯、石墨、富勒烯以及单壁、双壁和多壁碳纳米管（SWCNTs、DWCNTs和MWCNTs）（图1）。这些结构变体具有不同的几何形状和物理化学特性，显著影响其功能性质和特定生物医学及技术应用的适用性。饼图显示了2020年至2025年间Scopus数据库中索引的科学出版物分布，通过关键词查询“基于碳非晶的纳米颗粒”、“基于碳金刚石的纳米颗粒”、“基于碳石墨烯的纳米颗粒”、“基于碳石墨的纳米颗粒”、“基于碳富勒烯的纳米颗粒”、“基于碳MWCNT的纳米颗粒”和“基于碳SWCNT的纳米颗粒”生成。统计分析显示，基于石墨烯的纳米颗粒（46.6%）在近期文献中占主导地位，其次是MWCNTs（17.1%）和基于石墨的纳米材料（15.4%），反映了当前对碳纳米结构利用的研究偏好。

虽然已有许多综述文章讨论了碳纳米材料或基于纳米颗粒的生物成像技术，但大多数研究主要集中在传统碳纳米结构（如石墨烯、碳点和碳纳米管）60、61、62、63或单一成像模式64、65；相比之下，本文重点介绍了C@NPs作为一类独特的核-壳纳米结构材料，强调其在多模态生物医学成像和theranostic应用中的多功能作用。本文全面概述了C@NPs的发展和生物医学应用，特别关注其在多种成像模式中的整合及其在多模态平台中提高诊断准确性的能力。这些纳米结构结合了金属核心的有利物理化学性质与碳涂层的稳定性、生物相容性和表面多功能性，使其在诊断和治疗方面具有巨大潜力。此外，本文还探讨了C@NPs在靶向药物递送和个性化治疗中的潜力，强调了其良好的生物相容性、低毒性和实时监测治疗反应的能力，并整合了以往研究中较少讨论的方面，包括合成策略、碳涂层机制、先进表征技术、荧光机制以及体外和体内生物医学应用。此外，本文还对比分析了关键成像模式（如MRI、CT、MPI、PAI、PTI、USI和FI）在基于C@NP的纳米平台中的应用，并通过表2系统总结了近期实验研究，包括碳源、纳米颗粒形态、粒径、碳壳层厚度、成像性能和生物评估等细节。这种综合和结构化的方法突显了C@NPs作为下一代theranostic系统的多功能纳米平台的巨大潜力，从而将其与现有文献区分开来，并指出了合成控制、表面功能化、可扩展性和临床转化方面的当前挑战，以及未来研究方向，以推动C@NP技术的进一步发展。总体而言，本文为聚合物C@NPs在通过增强成像和治疗能力推进精准医疗方面的作用提供了前瞻性视角。

**2. 基于纳米颗粒的生物医学成像技术**
生物医学成像中的非侵入性诊断技术对于发现新的医学和生物学见解、检测疾病阶段以及实时监测治疗进展至关重要66、67、68、69、70。主要的成像模式包括CT和多种成像技术，如MRI、MPI、PAI、PTI、USI和FI（图2和表1）。每种模式在分辨率、灵敏度、复杂性、数据采集时间和成本效益方面各不相同。尽管具有优势，但没有一种成像模式是完美的。因此，越来越需要能够支持多模态生物成像的多功能材料，通过整合多种成像技术来提高诊断准确性。聚合物碳包覆纳米颗粒在这方面特别有前景，因为它们能够在单一平台上整合多种成像功能，这得益于其可调的表面化学性质和富含缺陷的碳结构。本节深入回顾了当前的生物医学成像技术，重点介绍了利用纳米颗粒作为造影剂的成像模式。这些模式对于提高图像分辨率和灵敏度至关重要，从而推进了诊断精度。本文探讨了基于纳米颗粒的成像方法和技术，强调了它们在医学诊断发展中的应用和贡献。

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**图1. 2020年至2025年间Scopus数据库中索引的基于碳的纳米材料结构形态及特定生物医学和技术应用的科学出版物统计表示** [来源：Scopus数据库，截至2025年6月]

虽然一些综述文章讨论了碳纳米材料或基于纳米颗粒的生物成像，但大多数研究主要集中在传统碳纳米结构（如石墨烯、碳点和碳纳米管）60、61、62、63或单一成像模式64、65；相比之下，本文重点介绍了C@NPs作为一类独特的核-壳纳米结构材料，强调了其在多模态生物医学成像和theranostic应用中的多功能作用。本文提供了C@NPs的发展和生物医学应用的全面概述，特别关注其在多种成像模式中的整合及其提高诊断准确性的能力。这些纳米结构结合了金属核心的有利物理化学性质与碳涂层的稳定性、生物相容性和表面多功能性，使其在诊断和治疗方面具有巨大潜力。此外，本文还探讨了C@NPs在靶向药物递送和个性化治疗中的潜力，强调了其良好的生物相容性、低毒性和实时监测治疗反应的能力，并整合了以往研究中较少讨论的方面，包括合成策略、碳涂层机制、先进表征技术、荧光机制以及体外和体内生物医学应用。此外，本文还对比分析了关键成像模式（如MRI、CT、MPI、PAI、PTI、USI和FI）在基于C@NP的纳米平台中的应用，并通过表2系统总结了近期实验研究，包括碳源、纳米颗粒形态、粒径、碳壳层厚度、成像性能和生物评估等细节。这种综合和结构化的方法突显了C@NPs作为下一代theranostic系统的多功能纳米平台的巨大潜力，从而将其与现有文献区分开来，并指出了当前在合成控制、表面功能化、可扩展性和临床转化方面的挑战，以及未来研究方向。

**3. 基于纳米颗粒的生物医学成像技术**
生物医学成像中的非侵入性诊断技术对于发现新的医学和生物学见解、检测疾病阶段以及实时监测治疗进展至关重要66、67、68、69、70。主要的成像模式包括CT和多种成像技术，如MRI、MPI、PAI、PTI、USI和FI（图2和表1）。每种模式在分辨率、灵敏度、复杂性、数据采集时间和成本效益方面存在差异。尽管具有优势，但没有一种成像模式是完美的。因此，越来越需要能够支持多模态生物成像的多功能材料，通过整合多种成像技术来提高诊断准确性。聚合物碳包覆纳米颗粒在这方面特别有前景，因为它们能够在单一平台上整合多种成像功能，这得益于其可调的表面化学性质和富含缺陷的碳结构。本节深入回顾了当前的生物医学成像技术，重点介绍了利用纳米颗粒作为造影剂的成像模式。这些模式对于提高图像分辨率和灵敏度至关重要，从而推进了诊断精度。本文探讨了基于纳米颗粒的成像方法和技术，强调了它们的应用和对医学诊断发展的贡献。

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**图2. 临床实践中使用的主要生物成像模式示意图。**
**表1. 临床环境中使用的生物成像模式概述。**

| 成像技术 | 检测方法 | 造影剂 | 临床应用 | 优势 | 局限性 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 磁共振成像 | 磁场相互作用 | Gadoteridol、Gadodiamide、Gadopentetate dimeglumine | 脑和冠状动脉造影 | 无电离辐射；提供生理和解剖信息；非侵入性；在软组织中具有优异的对比度 | 灵敏度有限且操作成本高 [166] |
| 计算机断层扫描 | X射线衰减 | Iopamidol、Ioversol、Iohexol、Ioxaglate | 脑梗死、颅内出血、造影 | 高空间分辨率；特别适用于肺部和骨骼成像 | 涉及电离辐射，成本高，软组织对比度差 [167] |
| 磁粒子成像 | 超顺磁粒子检测 | 超顺磁氧化铁纳米颗粒 | 血管成像、细胞追踪、癌症检测 | 灵敏度高；无电离辐射；对比度优异 | 可用性有限，仍处于开发阶段 [168] |
| 超声成像 | 高频声波反射 | 微泡剂（脂质或蛋白质壳） | 心血管成像、胎儿成像 | 成本低；成像速度快；便携；安全 | 分辨率有限，依赖操作者 [169] |
| 光声成像 | 激光诱导的超声信号 | 内源性色素（如血红蛋白）；外源性剂 | 肿瘤检测、血管成像 | 结合光学对比度和超声分辨率；非侵入性 | 渗透深度有限，需要专用激光系统 [170] |
| 光热成像 | 光吸收产生的热量 | 金纳米颗粒、碳纳米管 | 癌症诊断、分子成像 | 高空间分辨率；无需标记即可检测 | 热效应可能损伤组织，组织穿透有限 [171] |
| 荧光成像 | 荧光团发出的光 | 荧光染料、量子点 | 分子成像、手术引导 | 灵敏度高；实时成像；分子特异性 | 自发荧光，组织穿透有限 [172] |

**表2.**碳纳米粒子（C@NPs）的来源、特性及成像技术总结

| 碳源 | 纳米形态 | 粒子直径（nm） | 碳壳厚度（nm） | 体外/体内效果 | 改善/新增特性 | 成像技术 | 参考文献 |
|------------------|------------------|-----------|------------|------------------|------------------|------------------|
| 葡萄糖 | 球形 | 3.1 | 5.8 | 暴露于500 μM的钆浓度48小时后，人类前列腺癌（DU145）细胞和正常小鼠肝细胞（NCTC1469）的存活率超过70%。| 冠状和轴向T1加权MR成像 | [81] |
| Gd2O3@C | | | | | 提供增强的胶体稳定性、增加的纵向弛豫率（r1）和强可见光荧光 | |
| Dy2O3@C | | 3.0 | 19.4 | 暴露于500 μM的镝浓度48小时后，人类前列腺癌（DU145）细胞和正常小鼠肝细胞（NCTC1469）的存活率仍超过80%。| C57BL/6小鼠（约30克）的冠状T2加权MR成像 | [216] |
| Fe3O4@C | | 5.1 | | 暴露于500 μM的铁浓度48小时后，人类前列腺癌（DU145）细胞和正常小鼠肝细胞（NCTC1469）的存活率超过85%。| | |
| 葡萄糖 | 球形 | 2.0 | 6.1 | 暴露于120 μg/mL的[Eu-Er/Dy-Er]浓度24小时后，Hep2c细胞（代表人类宫颈癌的HeLa细胞系）的存活率超过85%。 | | |
| Eu-Er(OH)3@C | | 8.2 | 1.0 | 光毒性评估显示，在120 J/cm2的光照剂量下2小时后，存活率超过90%。 | | |
| Dy2O3@C | | 1.0 | 7.2 | 暴露于500 ppm的铁浓度24小时后，人类宫颈癌（HeLa）细胞的存活率超过90%。 | | |
| Fe2O3@C | | 9.0 | 4-80（取决于碳源用量） | 暴露于120 μg/mL的铁浓度24小时后，人类乳腺癌（MCF-7）细胞的存活率仍超过90%。 | | |
| 甲烷 | 球形 | 10.0 | | | | |
| FeCo@C | | 10.0 | | 暴露于200 μg/mL的铁钴浓度24小时后，小鼠乳腺癌（4T1）细胞的存活率仍超过90%。 | | |
| SiO2/h-Fe3O4@C | | 11.3 | 18.0 | 暴露于500 ppm的铁浓度24小时后，人类宫颈癌（HeLa）细胞的存活率超过90%。 | | |
| Ferrocene@C | | 8.0 | 10.0 | 暴露于80 μg/mL的铁浓度24小时后，人类宫颈癌（HeLa）细胞的存活率超过85%。 | | |
| PEG-coated SiO2/h-Fe3O4@CFerrocene | | | | 暴露于100 μL（1.2 mg/mL）后，肿瘤携带的雌性裸鼠的轴向T2加权MR成像显示显著效果 | | |

**注：**
1. 表中数据基于Scopus数据库查询得出的研究成果，部分技术细节可能包含实验条件、具体应用场景等额外信息。
2. 图3展示了过去二十年（2005–2025年）基于“碳纳米粒子”的研究发表趋势，以及不同生物医学成像技术的分布情况。
3. MRI（磁共振成像）和CT（计算机断层扫描）是两种常用的非侵入性成像技术，分别利用核磁共振（NMR）和X射线原理。MRI具有高空间分辨率，但对比度可能不足；CT通过注射对比剂提高图像清晰度。
4. 碳纳米粒子在成像技术中展现出多种功能，如增强对比度、光热疗法和光声成像等，为医学诊断和治疗提供了新的工具。由于游离钡离子（Ba2+）的毒性，硫酸钡仅限于用于胃肠道成像[87]，而含碘造影剂虽然通常安全，但由于其高渗透压和短暂的循环时间，可能会引起不良反应[88, 89, 90]。CT成像需要在图像灵敏度和辐射暴露之间进行权衡。降低X射线能量可以提高信噪比，但会增加辐射剂量，从而增加患者的健康风险。市场对能够增加或减少相对于目标结构密度的造影剂的需求日益增长。这一需求推动了基于纳米颗粒（NP）的造影剂的发展，这些造影剂在CT成像中提高了灵敏度和特异性[91, 92, 93]。基于NP的造影剂相比传统造影剂具有多个优势，包括更高的X射线吸收系数、更长的循环时间（可达15小时，而含碘造影剂仅为几分钟），以及可以化学修饰以靶向输送到特定组织或病变部位的能力。这些特性使得基于NP的造影剂成为解决传统CT成像技术局限性的有希望的解决方案。在基于纳米颗粒的系统中，碳包覆纳米颗粒（C@NPs）因其增强的物理化学稳定性和多功能性而成为CT成像的有希望的候选者。例如，FeCo@C纳米颗粒显示出比传统含碘造影剂更强的X射线衰减能力和更好的成像灵敏度[94]。碳壳不仅增强了化学稳定性并最小化了金属离子的泄漏，还实现了表面功能化，用于靶向成像和多模式应用。尽管有这些优势，但精确控制颗粒大小分布、大规模合成以及长期生物分布和安全性仍然是其临床应用的重要考虑因素。总之，虽然CT成像在临床诊断中仍然不可或缺，但基于纳米颗粒的造影剂的发展为提高灵敏度、特异性和安全性提供了有希望的解决方案。

2.3 磁性颗粒成像（MPI）是一种创新且高度敏感的生物医学成像技术，它利用磁性纳米颗粒对时变磁场的非线性响应来实现实时成像，具有出色的灵敏度和空间分辨率。该技术由Bernhard Gleich和Jürgen Weizenecker于2005年在汉堡的飞利浦研究实验室首次引入[95]，因其能够在不使用电离辐射的情况下生成高对比度图像而被誉为生物成像领域的突破[96, 97]，这使其区别于MRI和CT等传统成像方式。MPI的优势在于使用超顺磁性氧化铁纳米颗粒（SPIONPs）作为示踪剂，这些颗粒具有生物相容性、低毒性，并且会逐渐代谢，非常适合体内应用[98]。与其他容易受到周围组织信号干扰的成像技术不同[99]，MPI利用SPIONPs的磁性质生成清晰精确的图像，不受组织抗磁性的影响[100, 101, 102]。这使得MPI在安全性和图像清晰度方面具有显著优势。通过应用静态和振荡磁场，MPI能够以极高的精度绘制SPIONPs的空间分布图。SPIONPs作为MRI示踪剂和贫血患者的铁补充剂已在临床环境中显示出安全性，进一步证明了其潜力[100, 101, 102]。随着MPI在临床中的广泛应用及其能力的提升，这项技术展示了在广泛生物医学应用中的巨大潜力。随着MPI的不断发展，当前的研究表明其在临床和研究中的整合具有巨大潜力[103, 104, 105, 106]。它为无创诊断提供了新的机会，预示着生物医学成像的新时代。最近，碳包覆纳米颗粒（C@NPs）作为MPI示踪剂的有效候选者受到了研究，例如FeCo@C纳米颗粒显示出比传统氧化铁示踪剂更强的磁响应和显著增强的信号强度[94]。保护性的碳壳不仅提高了颗粒稳定性，防止了磁性核心的氧化，还实现了表面功能化，适用于多功能成像应用。尽管有这些优势，但精确控制颗粒大小分布、大规模合成以及长期生物分布和安全性仍然是其临床转化的关键问题。总之，MPI在灵敏度、安全性和无创诊断方面具有显著优势，在临床和研究应用中具有广泛的应用前景。

2.4 超声成像（USI）是一种基于脉冲回波原理的广泛使用的临床断层成像技术。它通过检测高频声波在组织和器官中的传播和反射来生成实时图像。USI开发于20世纪50年代，由于其安全性、成本效益以及能够提供动态实时成像而成为医学诊断的基石，且不涉及电离辐射的风险。1989年，Ophir和Parker对医学成像中的超声造影剂进行了全面概述，详细介绍了各种物理特性，如自由气泡和封装气泡[107]。早期使用自由微气泡的试验表明其有效性和持久性，这得益于超声脉冲频率的增加和空间分辨率的提高，从而确保了更好的组织穿透[108, 109, 110]。这些微气泡通过不同方式响应声压变化来产生对比度。如今，几种超声造影剂正在接受临床研究，其中一些（如Lumason（六氟化硫脂质型微球，Bracco Diagnostics）已获得FDA批准[111]。Lumason最初于2015年获准用于心脏超声检查，后来扩展到非心脏应用，如肝脏肿块表征和儿科排尿性膀胱尿道造影，体现了超声造影剂在临床实践中的演变作用。此外，将纳米颗粒引入超声造影剂具有通过提高超声成像的灵敏度和特异性来早期检测疾病的巨大潜力[112, 113]。工程化的纳米颗粒可以设计为靶向特定组织或分子标记物，进一步增强了超声技术的诊断潜力。尽管基于微气泡的造影剂在超声成像中广泛应用，但最近的研究探索了碳包覆纳米颗粒（C@NPs）作为多功能造影平台的应用。例如，SiO2/h-Fe3O4@C纳米颗粒展示了增强超声成像的能力，同时还能实现MRI和荧光成像（FI）[114]。碳壳的存在提高了纳米颗粒的稳定性、生物相容性和表面功能化，适用于靶向应用。这些系统的多功能性为多模式诊断提供了显著优势，但需要进一步研究以优化声学响应、生物分布和体内成像性能[115]。总体而言，超声造影剂的持续发展，特别是基于纳米颗粒的造影剂，有望显著提高超声成像的诊断准确性和早期检测能力。

2.5 光声成像（PAI）是一种新型的非侵入性生物医学成像技术，结合了光学和超声成像的优点，生成高分辨率图像。作为一种混合模式，它捕捉光声信号，提供关于组织生理和病理的见解。光声学的概念可以追溯到1873年硒的光敏性发现，但Alexander Graham Bell和他的助手Charles Sumner Tainter在1880年首次展示了光声效应[116]。PAI的生物医学应用始于1964年，早期研究集中在通过短光脉冲在动物模型中生成声波[117, 118, 119]。PAI的一个主要优势是能够克服纯光学成像技术的局限性，后者在生物组织中的光散射会导致难以保持高分辨率。通过结合光学成像的高对比度和超声的深层组织穿透能力，PAI能够生成几厘米深处的生物组织的高分辨率光学对比图像。这一特性使PAI成为多种临床应用的有希望的工具，包括癌症诊断和监测血管及组织变化[120, 121]。为了进一步提高成像对比度，已经开发了几种外源性造影剂[122, 123]。这些造影剂通常由产生超声信号的信号化合物和与目标组织结合的靶向配体组成。当暴露于脉冲激光光时，光声造影剂吸收光并将其转化为热能，导致局部温度升高[121]。这种快速的温度升高会引起热弹性膨胀，产生可检测的超声波，从而重建高对比度的光声图像。纳米技术的最新进展通过开发基于纳米颗粒的造影剂显著提升了PAI的能力。这些纳米颗粒提高了组织穿透性和图像对比度，使得成像更深更准确[124, 125]。此外，还可以将靶向肽或抗体结合到纳米颗粒表面，实现细胞特异性成像和分子靶向[126]。碳包覆纳米颗粒（C@NPs）也因其近红外区域的光吸收能力强而成为有前景的光声造影剂。例如，FeCo@C纳米颗粒在动物模型中表现出优异的光声信号生成能力和改进的肿瘤可视化效果[94]。碳壳提高了光热转换效率，保护了金属核心免受氧化，并实现了表面修饰，适用于靶向成像。然而，大规模合成和精确控制光学特性仍然是进一步研究的关键领域。总之，PAI结合了高分辨率成像和深层组织穿透能力，以及最近的造影剂发展，使其成为多种临床应用的多功能且有前景的技术，特别是在癌症诊断和靶向治疗方面。

2.6 光热成像（PTI）是一种新兴的非侵入性生物医学成像技术，利用光热效应生成生物组织的高分辨率图像，完全不依赖电离辐射。该技术通过光吸收产生局部热量，通常在近红外范围内，此时生物组织的吸收较低。这使得PTI特别适用于深层组织的成像[127, 128, 129]。PTI的一个最吸引人的方面是它可以与其他治疗方式协同作用，包括光热疗法（PTT）、光动力疗法（PDT）、化疗和放射疗法[130, 131, 132, 133, 134, 135, 136]。这些治疗方法常用于癌症治疗，这是全球最紧迫的健康挑战之一。然而，传统疗法如化疗和放疗常常伴随显著的副作用。化疗可能导致氧化应激和健康细胞损伤，而放疗可能导致放射性皮炎[137]。因此，人们正在寻求更选择性、侵入性更小的治疗方法。PTI作为一种有前景的替代或补充方案出现。当与PTT结合使用时，PTI相比传统疗法具有多个优势，包括最小的全身毒性、无药物抗性，以及能够通过外部激光照射精确靶向肿瘤，剂量可以调节[130, 138, 139, 140]。这种精确的靶向减少了健康组织的附带损伤，这是癌症治疗中的一个重要优势。此外，用于PTI的纳米材料的表面特性对其光热效应和其他物理化学特性至关重要。目前的研究集中在开发更高效的光活性剂和优化激光参数上，以改善成像深度、提高分辨率并减少意外组织损伤的风险。碳包覆纳米颗粒（C@NPs）因其强的光吸收和高效的光热转换特性而在光热成像中特别有吸引力。例如，Au@C纳米颗粒展示了出色的光热性能和高成像灵敏度，实现了同时成像和肿瘤消融[144]。碳涂层提高了化学稳定性、生物相容性和表面功能化能力，适用于靶向应用。然而，需要仔细优化激光参数和纳米颗粒浓度，以避免对周围组织的潜在热损伤并确保临床应用的安全性。总之，PTI在提高早期疾病检测和增强靶向治疗效果方面具有巨大潜力，有望在癌症治疗和其他医疗应用中发挥重要作用。

2.7 荧光成像（FI）技术，特别是涉及化学传感器的技术，在各种科学和技术领域变得不可或缺。这些技术依赖于检测荧光团发出的荧光——荧光团是设计用来在光激发下发出荧光的特定分子。与其他成像方式相比，荧光检测系统相对低成本且便携，非常适合多种生物医学和临床应用[145, 146, 147, 148]。这种技术具有独特的优势，可以可视化那些本身没有颜色或荧光的细胞和分子参数，从而为生理和病理过程提供宝贵的见解。在光学荧光成像中，一个关键挑战是实现最大的组织穿透深度，这主要由三个参数决定：光吸收、散射和荧光发射[149]。在大多数荧光成像系统中，外部光源激发目标区域内的荧光团，使其吸收能量并以更长的波长重新发射光子。这些发射的光子随后被专门的探测器捕获，生成背景干扰最小的高对比度图像。荧光有机染料已经被用于成像几十年了，仍然发挥着重要作用。例如，荧光素在临床研究中用于脑肿瘤成像可以追溯到1948年[150]。这些染料可以以自由分子的形式存在，也可以与生物靶向剂结合，从而增强其对特定组织或分子的特异性。然而，它们在体内成像中的有效性可能会受到光漂白、荧光团浓度以及由于分子相互作用导致的信号淬灭等因素的限制[151, 152, 153]。此外，周围组织的自发荧光会显著降低图像对比度和特异性，这是荧光成像中的另一个挑战[154, 155, 156]。为了克服这一问题，研究人员越来越多地转向荧光寿命成像，该方法可以捕捉荧光团的寿命——这种非晶碳信息提供了超出基于强度成像的额外见解[154, 156, 157]。尽管有这些优势，体内成像的深度穿透仍然是一个重要的限制。为了解决这个问题，在“诊断窗口”内选择激发波长对于最大化组织穿透至关重要。与有机染料相比，无机发光纳米粒子在长时间激发下具有更高的光稳定性，并且与生物分子具有结构兼容性[158]。这些纳米粒子可以通过聚合物或生物偶联物进行工程改造，以增强其血液循环时间和靶向特异性。此外，具有双重特性的纳米粒子（如发光和磁性（顺磁或铁磁）为生物成像、MRI、诊断和治疗开辟了新的可能性[159, 160, 161]。这些双功能纳米材料既可以作为发光标记物，也可以作为磁性剂，其行为可以通过外部磁场进行调节[162, 163, 164]。开发新型递送载体以提高小分子对比剂在荧光成像中的临床应用性是另一个有前景的方向[164]。这些载体旨在提高荧光探针的生物利用度、稳定性和靶向能力，从而为临床环境中的更有效和精确的体内成像应用铺平道路。碳纳米粒子（C@NPs）由于表面缺陷和杂化的sp2/sp3碳结构，也可以表现出内在荧光。例如，Fe3O4@C和Gd2O3@C纳米粒子展示了强烈的荧光信号，使得细胞成像和多模式诊断应用成为可能[81, 165]。碳壳层提供了增强的光稳定性、改善的生物相容性和多样的表面功能化能力，优于传统的荧光团。然而，诸如组织穿透深度受限和在复杂生物环境中潜在的荧光淬灭等限制仍然是其实际应用的重要挑战。总之，虽然荧光成像随着技术和材料的进步而不断发展，但组织穿透、自发荧光和信号稳定性等问题仍然存在。尽管如此，新型荧光团、纳米粒子和递送系统的整合在提高基于荧光的成像技术的灵敏度、特异性和临床相关性方面显示出巨大的潜力。随着这些创新的进步，它们有可能彻底改变各种疾病的诊断和治疗，实现更精确和个性化的医疗结果。

3. 用于生物成像应用的纳米粒子表面涂层
纳米粒子的表面涂层是提高其在生物成像应用中的稳定性、功能性和多功能性的关键方面。这涉及使用各种碳涂层方法来获得均匀的涂层，从而改善核心材料的结构性能。涂层可以设计成核壳结构，其中碳壳层稳定纳米粒子核心的同时增强其表面性能。采用了几种先进的表征技术来评估这些涂层的结构完整性和组成。这些方法共同提供了有关碳涂层纳米粒子性能和质量的宝贵信息，支持其在生物医学、催化和纳米技术等领域的广泛应用。以下部分重点介绍纳米粒子的碳涂层及其表征。

3.1. 核壳纳米粒子的碳涂层技术
不同的合成策略在实现均匀碳涂层、精确控制涂层厚度和可扩展性方面具有独特的优势，为广泛的研究应用提供了定制的解决方案。常见的碳涂层技术包括水热或溶剂热碳化[173, 174, 175, 176]、牺牲模板法[177, 178]、化学气相沉积（CVD）[180, 181, 182]和电弧放电[183, 184, 185]。碳框架已被设计成空心、核壳和层状异质结构[186, 187, 188, 189, 190]，以赋予多功能性。使用了多种碳前体来实现这些涂层（核壳、核：纳米粒子以及壳：碳）（表2）。这种碳壳层的主要目的是稳定纳米粒子核心，同时增强其表面性能。这一独特特性可以通过多种技术进行分析（图4）。

如图5所示，作为a-C结构的碳壳层在通过HR-TEM、EDS和SEM获得的图像中清晰可见。所有粒子大小和涂层厚度细节都在表2中描述。Kaneti等人[144]报道了使用简单的水热方法合成了涂有碳层的金纳米棒（AuNRs@C）。这些核壳纳米复合材料的结构和组成得到了彻底的研究。碳壳层是通过溶液中糖分子的聚合在AuNRs周围形成的，从而形成了所需的核壳结构（图5a）。值得注意的是，随着反应时间的延长，碳涂层的厚度逐渐增加，而AuNRs的原始形态得以保持。然而，这种转变使得壳层在生长过程中表面能降低。这与其他关于Ag@C[191]、Fe@C[192]、Ni@C[192]、Co@C[192]和Cu@C[193]的研究结果一致。Tiwari等人[194]报道了合成用于潜在生物医学应用的碳涂层核壳多功能超顺磁氧化铁纳米粒子（Fe3O4@C）。这些纳米粒子由一个小的氧化铁纳米晶体“核心”组成，均匀地涂有一层碳基材料“壳层”（图5b）。该配方是通过一步溶剂热方法实现的。同样，Lu等人[195]描述了用酚醛树脂涂覆磁性纳米粒子，从而在Fe3O4核心周围形成碳层，得到Fe3O4@C纳米粒子（图5c）。这个多步骤过程包括水热合成，随后进行酚醛树脂涂层。然后通过热解将树脂转化为碳，从而去除二氧化硅壳层。在这个过程中，二氧化硅壳层起到了纳米反应器的作用，限制了酚醛树脂并将其转化为碳[196?198]。Song等人[198, 94]报道了用两亲共聚物聚乙二醇（PEG）-接枝聚马来酸酐-1-十八烯（C18PMH-PEG）修饰碳涂层铁钴纳米粒子（FeCo@C），通过疏水相互作用来提高其在水溶液中的分散性。甲烷被用作碳源来涂覆FeCo纳米粒子。在CVD过程中，甲烷气体在800°C下引入，导致石墨碳壳层沉积在FeCo纳米粒子上。不同放大倍数的HR-TEM图像确认了石墨碳的存在（图5d）。a-C是一种非晶态碳同素异形体，常见于煤和烟尘中，可能包含微小的石墨或金刚石结构。其结构主要由sp2和sp3键组成。a-C是非晶态碳，含有sp2和sp3键的混合物，sp2与sp3杂化键的比例决定了其性质[199, 200, 201]。a-C的结构可以通过多种方法进行分析。不同类型炭化物的X射线衍射（XRD）图谱在2θ = ～26°和～42°处显示出两个宽峰，分别对应于C(002)和C(004)。这些峰归因于碳，观察到表面碳的比例受到所用碳源类型的影响[202]。动态光散射（DLS）可以确定小颗粒的流体动力学直径和尺寸分布，包括颗粒本身及其在悬浮液中的任何溶剂化层[203]。DLS还可以提供关于涂层均匀性的见解，以及是否发生颗粒聚集。DLS测得的流体动力学直径通常与HRTEM观察到的尺寸不同，特别是在比较未涂层样品和涂层样品时。在DLS分析中，Gd2O3纳米粒子显示出的平均流体动力学直径与HR-TEM图像估计的尺寸相匹配。碳涂层后，Gd2O3@C纳米粒子的流体动力学直径显著增加，这归因于HR-TEM图像中观察到的壳层厚度（约17纳米）[203]。这种增加是由于碳涂层表面丰富的?OH和?COOH基团吸引了水分子[204, 205, 206]。除了尺寸分布外，ζ电位表征还提供了关于调节纳米粒子悬浮液稳定性的静电力的关键见解。涂层纳米粒子的表面ζ电位是溶液中胶体分散稳定性的关键指标[207, 208]。通过测量纳米粒子表面的电荷，ζ电位可以预测胶体稳定性，较高的绝对值表示更高的稳定性。在水溶液中，碳涂层Fe3O4纳米粒子的表面ζ电位很高（ζ = ?32.2 mV），表明良好的胶体稳定性[208, 165]。高负ζ电位值表明颗粒稳定性以及Fe3O4纳米粒子表面存在负电荷官能团，如?OH和?COOH。另一方面，氧化石墨烯（GO）、Fe@C和Fe@C-GO的ζ电位分别为–67 mV、–39 mV和–56 mV[209]。羧酸基团赋予负表面电荷，它们通过酰胺化部分丢失可能解释了Fe@C-GO的负电荷减少。另一方面，稳定性技术，包括DLS和ζ电位数据的解释，提供了关于纳米粒子分散情况以及溶液随时间稳定性的见解。Song等人[94]使用电感耦合等离子体质谱研究了FeCo@C的稳定性，发现在1× PBS（pH 4.4）中培养7天后，只有<2%的Co从FeCo@C-PEG纳米复合材料中浸出，表明FeCo@C在酸性条件下的高化学稳定性。此外，在pH 7.4的1× PBS中培养10天后，MPI信号略有降低，表明碳涂层有效防止了FeCo的氧化。

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图5. TEM图像显示了在180°C下反应3小时、5小时和8小时后AuNRs上的碳壳层形成过程（a (i-iv)）。(a-(v-viii) 在180°C下反应1.5小时、3小时、8小时和24小时后的情况。(a-ix) 葡萄糖的分子结构及水热条件下的聚合过程示意图。经[144]许可复制。TEM (b-(i&ii))；SPIONs的MFCSNPs图像 (b-(iii))；对单个纳米粒子进行元素映射的多功能磁性和荧光核壳纳米粒子的STEM-HAADF明场图像。经[194]许可复制。(c-(i-v)) Fe2O3; Fe2O3@PF; Fe2O3@PF@SiO2; Fe3O4@C@SiO2; 和 Fe3O4@C的TEM图像；(c-(vi)) Fe3O4@C的SEM图像。经[195]许可复制。(d-(i-iv)) FeCo@C-PEG在不同放大倍数下的TEM图像。经[94]许可复制。

3.2. 表面涂层纳米粒子的表征
表面涂层纳米粒子的表征对于理解其结构、化学和热性能至关重要。采用各种技术来分析核心材料和涂层层的组成和稳定性。这些方法提供了关于碳涂层性质、其与金属核心的相互作用以及在不同条件下的热行为的见解。本节探讨了多种关键技术在研究表面涂层纳米粒子特性中的应用，包括热分析、光谱学和表面分析。热分析是一种强大的技术，可用于观察碳材料在受控加热过程中的反应，提供有关其结构和物理化学稳定性的信息。热重分析（TGA）用于评估纳米粒子中的金属杂质含量，因为它记录了样品在高温条件下完全氧化后的剩余质量。然而，可以通过热稳定性来验证纳米粒子表面的碳层，因为金属纳米粒子的热稳定性高于碳纳米粒子。TGA中观察到的剩余质量不能等同于初始的金属纳米粒子含量，因为在测量过程中粒子会发生氧化。Hsu等人报告了归因于Fe@C和CDs氧化的导数TGA重量损失曲线[209]。起初，Fe@C和CDs的曲线在40-200°C范围内都显示出重量损失，这是由于粉末样品中水分的流失。在350–500°C范围内，质量损失与有机物种的分解有关，而接近550°C时的进一步减少则归因于残留碳的降解，因为在680°C之后CDs没有观察到显著的质量变化。大约25.7%的质量得以保留，对应于去除碳后的铁残留物。非晶碳（a-C）的氧化温度仍存在争议：Luxembourg等人报告称a-C在410°C以下有轻微的质量损失[210]；Zhang等人[211]确定约365°C为烧结点；Hu等人[212]将导数TGA峰值与a-C联系起来；Illekova等人估计a-C的氧化活化能为176 ± 2 kJ mol-1，SWNTs为183 ± 1 kJ mol-1，这证实了纳米管系统中a-C的氧化温度相对较低[213]。尽管缺乏长程结晶性，a-C仍被视为碳的一种结构同素异形体。傅里叶变换红外（FTIR）光谱通过红外光与物质的相互作用来分析和表征基于碳的结构[214]。麦芽糖、蔗糖、葡萄糖、甘露糖和果糖等糖类被认为是高产碳的来源[215]。为了研究葡萄糖作为纳米粒子表面的涂层，记录了FTIR吸收光谱[216]。在DYO@C（核心 = DYO = DyxOy；外壳 = 碳）中，观察到两个峰值，分别对应于C=C伸缩的G带和D带，位于1568和1384 cm-1[217–220]。这些峰值在游离葡萄糖的光谱中不存在，因为游离葡萄糖中的C=C键的存在证实了DYO纳米粒子表面有碳涂层。DYO纳米粒子的存在可以通过550 cm–1处出现的吸附带来证明，与裸露的Dy2O3纳米粒子相比。在FTIR中观察到二茂铁的特征峰，表明二茂铁的铁原子已转化为磁铁矿纳米粒子，并成功被碳层覆盖[221, 222]。Fe3O4@C中1380和1630 cm-1处的振动峰的出现表明碳层中也存在?COOH和?OH基团。

使用XPS进行表面分析对于表征基于碳的纳米材料特别有效。XPS在此背景下解决的一个基本问题是确定样品中sp2杂化碳与sp3杂化碳的比例。如前所述，区分sp2和sp3杂化可能具有挑战性。然而，通过分析O1s和C1s峰面积，并结合使用纯碳进行详细峰拟合，有助于识别存在的化学状态[223, 224]。这些结果曲线的最大值和最小值之间的能量差异取决于碳是sp2杂化还是sp3杂化。这种差异被称为D参数，其值通常对于高度sp3杂化的材料为11至13 eV，对于主要为sp2杂化的材料为21至23 eV[224, 225]。Lascovich等人[226]报告的数据表明，sp2杂化碳的比例与所研究材料测得的D参数值之间存在相关性。因此，D参数测量为了解基于碳的材料中每种键合类型的比例提供了有价值的见解，通常比传统的C1s光谱峰拟合更易于解释。在最近的发展中，Barlow等人[227]引入了一种新的方法来解决确定sp2和sp3含量的歧义。该方法结合了D参数测量的特异性和平行XPS成像的空间分辨率能力，这种技术称为多变量奥杰特征成像（MAFI）。MAFI能够提取表示D参数随位置变化的XPS图像，而不仅仅依赖于峰强度。这使得可以立即且明确地可视化样品表面上sp2和sp3碳的空间分布，为分析师提供了对碳键合结构的更精确理解。

碳纳米材料（包括纳米管和石墨烯）的高结构纯度使得在XPS光谱中清晰地识别sp2和sp3键合状态成为可能，这些光谱后来可以作为其他被碳涂层的金属的参考。Barlow等人还在XPS光谱和通过共聚焦拉曼显微镜对GO的表面分析中发现了相似的碳化学状态[227]。如图6a和b所示，激光刻写方法生成的图像显示，深色区域代表激光刻写的GO，浅色区域代表沉积的GO[228]。XPS映射用于评估激光刻写区域内碳和氧的元素变化。与光学图像对齐的地图显示了O1s和C1s信号之间的明显反比关系。观察到氧含量的显著减少，表现为O1s强度的降低，而相应的C1s百分比增加。在GO薄膜中只有C1s和O1s信号以显著量存在。

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图6. (a) 激光刻写的还原氧化石墨烯在氧化石墨烯薄膜上的光学和XPS元素图。(a-i) 光学图像照片；(a-ii) 和 (a-iii) 分别是碳和氧原子百分比的XPS图。(a-iv, a-v) 高空间分辨率的突出区域图。(b-i) 样品中心“十字”特征的拉曼光学图像；(b-ii) 单个激光脉冲照射的沉积GO和GO之间的边界区域的放大视图；(b-iii) 和 (b-iv) 分别是沉积的和激光刻写的，红色-蓝色拉曼强度图，氧化石墨烯类材料的强度比为ID/IG ? 1.8和ID/IG ? 0.3。(c) 11纳米纳米粒子的拉曼光谱（λexc = 632.8 nm），具有单层和多层碳壳，显示明显的D带和G带（刻度尺 = 2 nm）。经许可改编自228, 233。

拉曼光谱（RAM）对于表征碳材料至关重要，并提供了有关电子-声子动力学的宝贵见解，增强了我们对它们结构和电子行为的理解[229–232]。RAM作为分子结构分析的补充方法，可以检测与极化率变化相关的振动模式。该技术对sp2碳系统特别敏感，其中G带来源于环和链中sp2对的键伸缩，而D带来源于环中sp2原子的呼吸模式，为碳材料提供了独特的特征。Park等人[233]报告称，RAM光谱分析证实了石墨涂层的磁性纳米粒子（FeCo@C）。石墨层（单层和多层石墨）包围着FeCo核心（图6c）。外层石墨壳层的增厚可以提高RAM信号强度，证实D带和G带的强度随着包裹FeCo@C纳米粒子的石墨壳层的厚度而变化。

基于之前的证据和几乎纯碳的规格，Yue等人[216]通过RAM光谱报告了DYO@C纳米粒子，证实了G带和D带的存在。它们的存在表明纳米粒子表面存在a-C作为核壳结构。我们可以注意到，光谱中D带和G带之间的比例不如纯石墨明显，这支持了碳的非晶性质[195]。在那项研究中，XPS分析通过揭示不同的碳键合状态（包括来自聚合葡萄糖的C–H和C–O，以及来自非晶碳的C=C和C=O）来证实拉曼发现，从而确认了a-C和聚合葡萄糖在碳壳内的共存。Tiwari等人[194]报告了一种一步法制备无毒且具有高光稳定性的碳涂层超顺磁铁氧化物纳米粒子（SPIONs）。在同一工作中，使用RAM光谱和XPS光谱测试了碳的物理和结构性质，分析了薄碳层，发现两个振动峰分别位于1358和1572 cm-1，分别对应于D带和G带，代表无序的sp3碳和石墨化的sp2碳。下一节将讨论碳层的荧光性质。光致发光（PL）-RAM分析与TGA结合表明，在400°C以上表面基团热降解后，CNSs中的荧光消失，证实了发射来自碳涂层，并且CNS表面成功被涂层[234–236]。全面调查的XPS光谱显示了各种官能团、氧化状态、化学组成以及SPIONs中存在的各种元素（如铁、氧和碳）。进行了全面调查以确定Fe的氧化状态以及与碳和氧相关的不同官能团。此外，SPIONs的解卷积C 1s XPS光谱表明存在sp2 C=C、C=O和?COO官能团。这些发现证实了磁铁矿核壳结构的有效合成，进一步得到了结构内不同碳和氧物种的识别支持。

总之，使用TGA、FTIR、XPS和拉曼光谱等技术对表面涂层纳米粒子进行表征，提供了关于其结构完整性、化学组成和热稳定性的宝贵见解。这些方法共同提供了对纳米粒子上碳涂层的全面理解，从而更好地控制其合成并优化其各种应用。能够精确分析这些纳米粒子的表面和核心性质对于提高它们在各种领域的性能至关重要。

4. 基于碳的纳米材料的荧光性质：机制和应用
基于碳的纳米材料，特别是那些具有荧光性质的纳米材料，由于其多功能性而受到了广泛关注，使它们成为各种光学和生物医学应用的理想候选者。这些纳米材料在一系列激发能量下表现出蓝绿色荧光发射，其荧光特性主要由材料的结构和化学特征决定[240, 241]。本节探讨了它们PL行为背后的机制，包括sp2和sp3杂化碳域的作用、表面缺陷和功能化，强调了它们在多种应用中的潜力。

基于碳的纳米材料的光电性质在很大程度上受到其sp2和sp3碳域杂化的影响。sp2域的π电子态显著影响它们的PL行为，sp2簇的π和π*能级位于由sp3基体的σ和σ*态形成的较宽带隙内。这产生了在材料荧光中起关键作用的局域电子态[242, 243]。基于碳的纳米材料中的PL发射主要是由于sp2簇内的局域电子-空穴对复合[244, 245]。这些簇作为发光中心或发色团，它们的大小、形状和浓度决定了PL特性。观察到，增加材料中sp2域的比例会导致PL能量的线性调制。例如，在具有较大带隙的碳-氧纳米材料中，孤立的sp2域被认为负责蓝光发射[246]。此外，表面缺陷，如sp2域中的缺陷或功能化表面基团（例如C=O），会导致多色荧光发射，主要在蓝光和绿色区域[247]。这些缺陷类似于嵌入固体宿主中的芳香分子，导致一系列的激发和发射行为。

表面缺陷，尤其是sp2簇中的缺陷，是基于碳的纳米材料荧光的关键贡献者。在聚合碳涂层的纳米颗粒中，这些缺陷状态由于聚合和碳化过程中引入的混合sp2/sp3结构以及丰富的表面官能团而得到进一步增强，从而与传统的碳涂层系统相比，提高了荧光效率和可调的发射行为248, 249。这些区域中高度局域化的电子跃迁导致在紫外-可见光范围内吸收较弱，但在可见光谱中具有强烈的荧光发射。在碳量子点（CQDs）和其他基于碳的纳米材料中，荧光通常来源于sp2簇中电子-空穴对的复合250, 251。表面钝化或功能化可以通过稳定这些缺陷来增强荧光，促进表面限制的电子和空穴的有效辐射复合，从而提高荧光的亮度和稳定性252, 253。基于碳的纳米材料在生物成像应用中的潜力已在各种研究中得到证明。例如，Tegafaw等人成功合成了平均直径为2.2纳米的a-C NPs，由于其表面存在亲水官能团，在水介质中表现出优异的胶体稳定性[254]。这些CNPs的紫外-可见光吸收光谱在267纳米处显示出明显的最大吸收峰（λabs），而它们的光致发光（PL）光谱在370纳米的紫外激发下显示出453纳米的发射最大值（λem）（图7a）。这种光学响应使得胶体悬浮液在紫外光照下呈现天蓝色，量子产率约为9%。荧光显微镜成像进一步证明了这些CNPs在生物成像中的有效性，因为它们在紫外激发下发出强烈的天蓝色荧光。这些发现强调了非晶CNPs作为生物医学环境中基于荧光成像应用的有希望的候选者的潜力。同样，Tiwari等人合成了具有磁铁矿核心的石墨碳涂层SPIONs，核心直径在8.7到9.5纳米之间，被包裹在大约40纳米厚的石墨碳壳中[255]。这些NPs的紫外-可见光吸收光谱在280纳米处显示出特征峰，这归因于与石墨碳壳相关的π–π跃迁。荧光发射光谱在可见区域显示出明显的峰，荧光量子产率根据碳壳的厚度不同而变化，范围从6%到8%（图7b）。这种荧光行为主要归因于碳壳内的表面能量陷阱，包括?COOH和?OH等官能团。荧光显微镜成像显示在紫外激发下有强烈的发射，证实了这些SPIONs在生物成像中的潜在用途。石墨碳涂层SPIONs独特的磁性和荧光特性结合了可调的发射强度，使其成为生物医学领域治疗诊断应用的有希望的候选者。

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图7. (a) 水中分散的非晶碳纳米颗粒（CNPs）的光谱和光学分析：(a-i) 紫外-可见光吸收光谱；(a-ii) 光致发光光谱；(a-iii) 在汞灯365纳米紫外照射前（左）和照射后（右）的相应稀释样品溶液的照片；(a-iv) 和 (a-v) 分别在370纳米紫外激发前后分散在玻璃载玻片上的CNPs的荧光显微镜图像。(b-i) 和 (b-ii) 40纳米碳涂层SPIONs、10纳米碳涂层SPIONs和碳复合SPIONs的稳态荧光光谱和寿命衰减曲线；(b-iii) 和 (b-vi) 40纳米碳涂层SPIONs，(b-iv) 和 (b-vii) 10纳米碳涂层SPIONs，以及 (b-v) 和 (b-viii) 碳复合SPIONs的单颗粒荧光成像和相应光子统计。经许可改编自254, 255。

总之，基于碳的纳米材料的荧光特性，由其结构特征、表面缺陷和功能化驱动，为各种光学和生物医学应用提供了巨大的潜力。通过控制sp2/sp3域的比例和表面钝化来调节它们的PL特性，使它们成为生物成像和治疗诊断应用的多功能材料。随着研究的进展，这些纳米材料将在整合光学和磁学功能以增强生物医学诊断和治疗方面发挥关键作用。

5. 碳涂层纳米颗粒的生物医学应用：生物相容性、生物安全性和成像
C@NPs的进步为生物医学应用开辟了新的可能性，从治疗诊断到先进的成像技术。它们的独特性质，包括生物相容性、易于功能化和低毒性，使它们成为临床使用的有希望的候选者。本节探讨了C@NPs的生物相容性和生物安全性，并通过各种体外和体内研究强调了它们的安全特性。此外，还研究了C@NPs在生物成像中的潜力，重点关注它们在各种诊断模式中的有效性。

5.1. 碳涂层纳米颗粒的生物相容性和生物安全性
在将纳米颗粒用于生物医学应用时，毒性仍然是一个主要问题，特别是关于它们的细胞摄取和细胞内运输。C@NPs在体外研究中显示出潜力，因为它们独特的表面特性促进了与细胞的安全相互作用，促使在材料科学和生物医学领域进一步探索[256?258]。碳家族，包括碳纳米管、非晶碳、碳纳米颗粒、碳薄膜、碳纳米钻石、石墨烯、石墨、富勒烯、碳纳米盘（CDs）和CQDs，因其生物相容性、在整个pH范围内的稳定性、低固有毒性和易于表面功能化而受到广泛认可。这些性质使得碳涂层成为减少细胞毒性和提高纳米颗粒在生物医学环境中安全性的有吸引力的选择259, 260。碳壳层的形成通常涉及高温强化过程，其中碳氢化合物前体被碳化以创建一个坚固稳定的壳层261, 262。这个碳壳层为纳米颗粒核心提供了保护屏障，减少了核心泄漏或不稳定的风险，否则可能会引起细胞毒性。聚合物衍生的碳壳层还有效地防止了金属离子的泄漏，从而降低了细胞毒性并提高了生物安全性，相比传统的碳涂层纳米颗粒[44]。通过控制化学成分和核心与壳层的相对大小等因素，可以调节这个碳层的结构，为特定应用提供有效的纳米颗粒性质调节方法。精心设计的碳涂层表面修饰可以为纳米颗粒带来内在和外在的好处，如增强细胞摄取、靶向递送和减少对细胞功能的干扰263, 264, 265。通过优化这些表面特性，C@NPs可以在生物医学应用中实现更好的体外性能和更高的效率，使它们成为临床研究中安全有效使用的有希望的候选者。

最近的研究强调了C@NPs在癌症治疗和药物递送中的有希望的生物医学应用，重点关注它们的细胞毒性、生物分布以及在光疗和成像应用中的安全使用潜力。Saifullah等人[236]开发了碳涂层的镧系氢氧化物纳米颗粒，特别是C@Eu-Er(OH)3和C@Dy-Er(OH)3，平均物理尺寸在75纳米到147纳米之间，通过细胞毒性和光细胞毒性评估来评估它们对癌细胞（Hep2c）的影响。使用比色法测量了这些合成纳米颗粒的细胞毒性，细胞在受控条件下以不同的纳米颗粒浓度（30 μg/mL、60 μg/mL和120 μg/mL）进行处理。值得注意的是，纳米颗粒的最大细胞摄取发生在孵育后的1.5到2小时内，为它们与细胞结构的相互作用提供了宝贵的见解。通过将处理过的细胞暴露在630纳米波长的激光下进行光细胞毒性评估，剂量达到120 J/cm2。在这种最大光剂量下，细胞存活率保持在90.48%，表明这些C@NPs可以在光疗环境中安全使用而不会造成显著的细胞损伤。总体而言，研究表明C@NPs表现出低光毒性，表明它们在基于光的生物医学应用中的安全使用潜力。Kumar等人[266]开发了直径在100纳米内的碳涂层铁钴纳米颗粒（C@FeCo-NPs），并使用活/死细胞测定法对其细胞毒性进行了全面评估。在这项研究中，A375细胞与不同浓度的C@FeCo-NPs孵育24小时以评估细胞存活率。孵育后的细胞用Hoechst染色以识别活细胞，用propidium iodide染色以识别死细胞。分析显示，较高浓度的纳米颗粒（如100 μg/mL的C@Fe1Co3）引起了显著的细胞死亡，而较低浓度（如12.5 μg/mL）保持了大约99%的细胞存活率，表明存在一个最佳浓度范围以最小化细胞毒性。这种梯度使得能够全面评估C@FeCo NPs在不同剂量下的细胞存活率影响。此外，荧光成像证实了纳米颗粒的细胞摄取和内化。Herrmann等人[267]研究了平均直径为30纳米的碳涂层碳化铁纳米颗粒的生物分布和降解情况，重点关注它们在网状内皮系统（RES）器官中的短期和长期定位。在小鼠体内注射后，纳米颗粒主要在第一周内出现在肺部和肝脏中，如图8i所示，在这些器官中的巨噬细胞中观察到显著积累。这种生物分布模式持续了一年，纳米颗粒仍然可检测到，且没有引起任何明显的组织损伤，包括炎症、纤维化或癌变（图8ii）。组织学分析进一步证实了尽管纳米颗粒持续存在，但RES器官中的正常组织结构得以保持，电子显微镜提供了额外的结构验证。这些发现强调了在C@NPs的设计中控制尺寸和表面工程的重要性，以实现最佳的生物分布，最小化组织积累，并确保生物医学应用中的生物相容性。因此，如果其药代动力学性质得到仔细优化，C@NPs在药物递送和成像应用中具有安全有效的使用潜力。

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图8. (i) 磁性纳米颗粒（NP）注射一周后的组织学分析，铁染色显示纳米颗粒主要在肺和肝脏巨噬细胞中积累；还检查了肾脏、小肠和大脑。(ii) 注射后一年的组织学显示所有器官均正常，没有炎症、坏死或肿瘤形成的证据。与年龄匹配的对照组相比，确认了肺、肝脏、脾脏、小肠和大脑的标准组织学特征。大多数纳米颗粒保留在肺、肝脏和脾脏（RES器官）中。Sirius red染色显示纳米颗粒处理过的和未处理的肺组织中的纤维含量相似。经许可改编自[267]。

尽管C@NPs在生物医学成像和治疗诊断应用中表现出有希望的性能，但它们仍面临几个重要的限制，必须在临床转化中考虑。它们的体内行为受到物理化学参数的强烈影响，如流体动力学尺寸、表面电荷和涂层组成。一般来说，肾清除主要限于流体动力学直径约为≤5–6纳米的超小纳米颗粒，而大多数报道的C@NPs超过了这一阈值，因此优先被RES捕获，特别是在肝脏和脾脏[268?270]。例如，具有约3纳米核心的碳涂层镝氧化物（DYO@C）的体内MRI在小鼠肾脏中显示出对比度，并且信号随时间衰减，表明肾排泄[216]。同样，3.1纳米的碳涂层Gd2O3纳米颗粒在肝脏、肾脏和膀胱（尿液）中产生阳性对比度，在注射后约30分钟达到峰值，然后下降——这是有效肾清除的证据[81]。相比之下，较大的C@NPs（约50–100纳米）主要由RES清除。虽然许多研究报道了体外和短期体内模型中的低急性毒性，但这些发现并未充分解决长期生物分布、慢性毒性或延迟的生物反应问题。然而，一项关于碳涂层Fe3C纳米颗粒的长期体内研究表明，即使在重复给药后，小鼠在一年期间也没有观察到显著毒性[267]。尽管它增强了结构稳定性并保护了金属核心，但在生理条件下也可能抵抗生物降解。C@NPs可能在特定生物条件下经历酶促生物降解。特别是，研究表明，当与人类中性粒细胞共培养或在含有髓过氧化物酶（MPO）和次氯酸盐的无细胞系统中时，碳基纳米结构可以降解[271]。类似的降解机制也已在其他基于碳的纳米材料（包括碳纳米管和石墨烯氧化物）中报道[272]。Kokalari等人研究了葡萄糖衍生的碳纳米颗粒的生物降解性，这是评估其长期毒性和体内潜在积累风险的关键方面[271]。研究表明，C@NPs容易降解，特别是在暴露于人类中性粒细胞或在含有MPO和次氯酸盐的无细胞系统中时。降解过程通过紫外-可见光吸收和拉曼光谱的变化得到证实，表明C@NPs的石墨晶格结构发生了破坏。这种易降解的特性是一个显著的优势，因为它意味着碳纳米颗粒（C@NPs）可能不会表现出长期的生物持久性，从而降低了与慢性积累和潜在健康风险相关的风险。这些发现表明，C@NPs并非完全具有生物持久性，可能在生物环境中部分分解。尽管存在酶促降解的可能性，但在生理条件下，碳壳仍可能表现出相当的抵抗力，这引发了关于长期滞留和积累的担忧。需要进一步的系统研究来阐明碳壳在体内的生物降解效率、动力学及其生物学相关性。

5.2 基于碳的纳米颗粒的体外和体内生物成像研究
近年来，大量研究集中在基于碳的材料在动物模型中的药代动力学、生物分布和长期命运上，为C@NPs的行为和安全特性提供了宝贵的见解。这些纳米颗粒表现出良好的生物分布和清除特性，这些特性受到颗粒大小、表面电荷和特定表面修饰等因素的影响。特别是，C@NPs和其他碳纳米材料在体内的行为是一个主要的研究领域。对包括肝脏、脾脏、肾脏、肺和心脏在内的各种器官进行了全面的组织学评估，以评估短期和长期静脉暴露于较小尺寸的C@NPs后的潜在毒性。这些研究的结果一致显示，这些器官没有出现显著的病理组织学改变，表明基于碳的材料具有较低的毒性。Yue等人合成了碳包覆的超小氧化钆纳米颗粒（C@Gd2O3），平均粒径为3.1纳米，以评估其水质子弛豫率和体内T1 MRI性能（图9a）。C@Gd2O3纳米颗粒表现出令人印象深刻的纵向弛豫率（r1）为16.26 s-1 mM-1，大约是传统造影剂的四倍，表明它们作为高效的T1 MRI造影剂具有很强的潜力。体内研究表明，碳包覆的超小Gd2O3纳米颗粒能有效作为T1加权MRI造影剂，产生强烈的信号增强。在小鼠体内的成像显示，在注射后，肝脏、肾脏和膀胱等器官中出现了显著的阳性对比增强，峰值信号强度在注射后不久即可观察到。通常，它们的超小尺寸有助于通过肾脏排泄清除，从而减少了长期效应积累的风险，并且它们表现出良好的生物相容性，适用于体内应用，证实了它们作为安全、高性能的T1 MRI造影剂在生物医学成像中的适用性。

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图9. (a-i) 1/T1和1/T2与Gd浓度的关系图，斜率对应于r1和r2值；(a-ii) 随Gd浓度变化的R1和R2映射图像，显示剂量依赖的对比增强；(a-iii) 超小Gd2O3@C纳米颗粒的HRTEM图像以及365纳米紫外光下的胶体悬浮液（右）和三重蒸馏水（左）的照片；(a-iv) 随时间变化的ROI的信噪比（SNR）图，“pre”和“post”分别表示“注射前”和“注射后”；(a-v–vii) 小鼠的（v）肝脏、（vi）肾脏和（vii）膀胱的体内冠状和轴向T1 MR图像，ROI用圆圈标记，用于SNR图。经[81]许可改编。
(b-i) Feraheme和FeCo@C-PEG溶液的T2弛豫率（1/T2）与核心浓度的关系图。r2为横向弛豫率；(b-ii) 注射FeCo@C-PEG（3 mg/kg）前后4T1异种移植小鼠乳腺肿瘤的MRI图像；(b-iii) 注射FeCo@C-PEG前后肿瘤区域的MRI信号量化。经[94]许可改编。

Song等人开发了碳包覆的FeCo纳米颗粒（FeCo@C NPs），核心直径为10纳米，作为具有光热和磁热特性的敏感磁粒子成像示踪剂，适用于多模式癌症成像和治疗[94]。在这些C@FeCo-NPs在小鼠模型中的评估显示，它们在磁粒子成像和磁热治疗模式中均表现出有效性。对于MRI，C@FeCo-NPs表现出高的横向弛豫率（r2），显著高于传统氧化铁MRI造影剂，增强了T2加权成像能力。体内研究表明，静脉注射后，这些纳米颗粒在目标肿瘤部位积累，产生了强烈的负对比度，在MRI扫描中可见（图9b）。除了MRI之外，C@FeCo-NPs还被用于MPI（图10a）和PAI（图10b）研究，在肿瘤内产生了强烈的局部信号。这种积累是由于增强的渗透性和滞留（EPR）效应驱动的，显著增强了MPI和PAI信号，提供了清晰详细的肿瘤可视化，而不会发生信号衰减，这对于深层组织成像至关重要。此外，在CT中，这些纳米颗粒提供了增强的对比度，使得通过结合MPI-CT成像能够精确定位肿瘤，并允许实时监测纳米颗粒的分布（图10a）。

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图10. (a-i) 注射FeCo@C-PEG（20 μl, 35 μg/mL）或VivoTrax（35 μg/mL）后，携带4T1异种移植小鼠乳腺肿瘤的小鼠的2D投影MPI图像；(a-ii) (a-i)中显示的肿瘤区域的总MPI信号量化；(a-iii) 注射FeCo@C-PEG后不同视角的小鼠的2D投影MPI图像；(a-iv) (a-iii)中肿瘤区域的MPI信号量化；(a-v–a-ix) 注射FeCo@C-PEG或VivoTrax（3 mg/kg）后小鼠的MPI和CT成像；(a-v, a-vi) 注射FeCo@C-PEG后24小时的小鼠的轴向和冠状方向的CT、MPI和MPI-CT图像；(a-vii) 注射FeCo@C-PEG前后小鼠的3D MPI–CT图像；(a-viii) 注射VivoTrax和FeCo@C-PEG前后肿瘤区域的总MPI信号量化；(a-x) 注射指示的MPI示踪剂后FeCo@C-PEG在主要器官中的体外生物分布。(b) 光热和光声特性：(b-i) 在1,064纳米激光照射（1.0 W/cm-2）下不同浓度的FeCo@C-PEG悬浮液的光热加热曲线；(b-ii) 注射FeCo@C-PEG（3 mg/kg）前后800和1,064纳米激光下肿瘤的超声和光声（PA）图像；(b-iii) (b-ii)中肿瘤PA信号的量化。经[94]许可改编。

纳米技术的最新进展促进了集成诊断和治疗功能的创新纳米材料的发展，特别是在癌症治疗领域。这些多功能纳米材料旨在增强MRI、超声、光声成像和热成像等多种模式的成像能力，同时也支持光热治疗等靶向疗法。在一项研究中，Wu等人[221]研究了中空多孔碳包覆FeS2基纳米催化剂（HPFeS2@C）的水质子弛豫率和体内MRI性能，其核心直径约为72纳米，碳壳厚度为6纳米。这些HPFeS2@C纳米催化剂被评估了多模式成像能力，包括PAI、USI和热成像，以及它们的光热效应在癌症诊断和治疗中的应用。HPFeS2@C纳米催化剂表现出高的横向弛豫率（r2）值，为30.8 mM-1 s-1，使其成为有效的T2加权MRI造影剂。在携带肿瘤的小鼠中的体内MRI研究表明，注射后肿瘤区域出现了明显的变暗效应，注射后约6小时信号增强达到峰值。这些发现强调了HPFeS2@C纳米催化剂作为MRI造影剂的潜力，支持其在精确肿瘤成像、靶向诊断模式和治疗指导中的应用。在PA成像中，HPFeS2@C纳米催化剂由于其强的近红外（NIR）吸收和光热特性，表现出浓度依赖的PA信号强度增强。这使得在携带肿瘤的小鼠的PAI中能够清晰地可视化肿瘤，证实了有效的肿瘤积累和显著的对比度增强。对于US成像，HPFeS2@C纳米催化剂的中空多孔结构促进了回波信号的产生，体外研究表明浓度依赖的US信号放大。体内USI证实注射后6小时肿瘤部位信号强烈，可见性持续长达24小时，与PAI结果一致，表明肿瘤滞留时间较长。在NIR激光照射下的热成像进一步验证了HPFeS2@C的光热特性。注射HPFeS2@C并用1.5 W/cm2 NIR激光照射的携带肿瘤的小鼠在肿瘤部位显示出明显的温度升高，证实了高效的光热转换。这种局部加热效应对于协同光热治疗至关重要，因为它增强了Fenton反应，实现了靶向肿瘤消融，展示了纳米催化剂在癌症治疗中的集成成像和治疗应用的潜力。Huang等人开发了二氧化硅包覆的空心碳纳米球，其中封装了Fe3O4簇，用于磁性和MR成像引导的NIR光触发的高热和超声成像[114]。这些纳米球的核心直径约为20纳米，二氧化硅包覆层厚度约为18纳米，通过以下方法合成并稍作修改后，评估了它们在USI和体内光热癌症治疗中的有效性。这些纳米球表现出高的横向弛豫率（r2），非常适合用于体内T2加权MRI成像。体内研究表明，纳米颗粒注射后肿瘤区域显示出显著的信号变暗，表明纳米颗粒选择性地积累在肿瘤部位，从而在MRI图像中增强了对比度。对于USI，这些负载Fe3O4的纳米球在负载全氟己烷（PFH）时显示出强烈的回声信号，PFH是一种在NIR激光照射下会蒸发的挥发性液体。这种蒸发产生了微气泡，增强了回声效应，如在琼脂糖幻影的体外USI中观察到的，在激光照射10分钟后观察到显著的信号增强（图11）。注射这些纳米球并暴露于NIR光下的携带肿瘤的小鼠显示出清晰的肿瘤可视化，回声效应持续了30分钟。这些发现证实了这些纳米球作为有效US造影剂的潜力。在光热效率评估中，二氧化硅包覆的纳米球在808纳米NIR激光照射下（0.8 W/cm2）有效提高了肿瘤部位的温度。用纳米球和NIR激光治疗的肿瘤与对照组相比表现出显著的生长抑制。这种显著的光热效应，结合磁靶向能力，突显了这些纳米球在肿瘤治疗中的双重诊断和治疗潜力。

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图11. (i) 含有PFH（0.5 mg/mL）的PEG修饰SiO2/h-Fe3O4@C纳米颗粒的超声（US）图像，记录了有无10分钟激光照射的情况。蓝色箭头突出显示了激光照射期间由于气泡生成而增强的US信号。(ii) 肿瘤内注射后的体内US成像：有无激光照射（10分钟）的SiO2/h-Fe3O4@C，以及激光照射后无PFH的PEG包覆SiO2/h-Fe3O4@C纳米颗粒。(iii, iv) 分别对应于(i, ii)的定量灰度值分析。经[114]许可改编。

目前，用于成像和治疗应用的多功能纳米胶囊材料的开发和评估受到了广泛关注。例如，Zhang等人开发了黑色磷量子点（QDs）门控的碳包覆Fe3O4纳米胶囊（NCs）（BPQDs@ss-Fe3O4@C），平均直径分别为96纳米和约2.3纳米的Fe3O4@C NCs和BPQDs，作为成像引导的癌症联合疗法[273]。最终的BPQDs@DOX@ss-Fe3O4@C NCs与Fe3O4@C NCs相比表现出显著的形态变化，平均外径约为120纳米。这些NCs被评估了体内成像和PTT，通过时间依赖的图像分析探索了它们的成像性能和治疗能力（图12a）。利用其强的NIR吸收，BPQDs@ss-Fe3O4@C纳米胶囊被用于PTT；用这些NCs处理的小鼠在808纳米激光照射下显示出肿瘤部位的温度显著升高，表明了高效的光热效应，使其适合用于靶向肿瘤消融。在MRI应用中，BPQDs@ss-Fe3O4@C NCs表现出高的横向弛豫率（r2），时间依赖的T2加权MR图像显示注射后肿瘤区域的对比度增强。这种显著的信号变暗持续了几小时，证实了它们作为T2 MRI造影剂的潜力。此外，BPQDs在静脉注射后为NCs赋予了强烈的荧光。BPQDs@ss-Fe3O4@C选择性地积累在肿瘤区域，荧光信号持续超过24小时，突显了它们在MRI和基于荧光的肿瘤成像中的潜力（图12b）。通常，NCs具有理想的肿瘤成像特性，如有效的肿瘤积累、持续的滞留和从非目标组织的有效清除。

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图12. (a) 在5分钟NIR照射下PBS（a-i）；BPQDs（a-ii）、ss-Fe3O4@C纳米颗粒（a-iii）、BPQDs@DOX@ss-Fe3O4@C（a-iv）和BPQDs@DOX@ss-Fe3O4@C-EGFR（a-v）的IR热图像。(a-vi) 随照射时间变化的肿瘤光热加热曲线。经许可改编自[273]。多功能纳米颗粒（NPs）的发展也为癌症诊断和治疗领域打开了新的大门，将成像和治疗功能结合在单一平台上。例如，Wang等人通过一锅法溶热合成方法制备了氧化铁-碳核壳纳米颗粒，用于双模态成像引导的光热疗法[274]。使用二茂铁作为双功能纳米颗粒（BFNP），平均直径约为16纳米，由结晶Fe3O4核心（-9.1纳米）包裹在荧光碳壳（-3.4纳米）中，开发出用于多模态成像和光热治疗（PTT）的纳米颗粒。BFNP的超顺磁性氧化铁核心在MRI中表现出卓越的对比增强潜力，其横向弛豫率（r2）为264.76 mM-1 s-1，从而在体外和体内环境中都能提高T2加权对比度。荧光成像（FI）显示，在近红外（NIR）激发下，这些纳米颗粒在携带肿瘤的小鼠体内发出强烈的、可调波长的信号，证实了它们适用于精确的肿瘤定位（图13）。此外，BFNP能够有效地将NIR激光照射（825纳米，1.5 W/cm2）转化为局部热量，导致显著的肿瘤消融，同时将对周围健康组织的损伤降到最低。细胞毒性和组织毒性评估表明，在治疗浓度下，BFNP对健康细胞和组织的毒性可以忽略不计，未受照射时的细胞存活率保持在95%以上。虽然其他材料如金纳米结构或纯碳材料可能在光热效率上更优，但纯氧化铁系统具有更好的生物降解性。体内PTT实验进一步证明，经过BFNP处理并接受NIR照射的小鼠肿瘤生长受到显著抑制，这强调了它们在成像和癌症治疗方面的双重能力。下载：下载高分辨率图像（950KB）下载：下载全尺寸图像图13. 不同激发波长下BFNP在肿瘤组织（i–iv）和PBS溶液（0.5 mg/mL，插图）（v–viii）中的NIR荧光（FL）图像：(i, v) 白光；(ii, vi) 605 nm；(iii, vii) 640 nm；(iv, viii) 675 nm。经许可改编自[274]。

6. 挑战与未来展望
尽管在用于生物成像和治疗诊断的聚合碳纳米颗粒（C@NPs）的开发方面取得了显著进展，但仍存在一些关键挑战需要克服，以确保其成功临床转化和大规模应用。这些挑战包括合成、表面功能化、毒理学评估、监管问题、体内监测、经济可行性和伦理考虑等（图14）。

6.1. 合成与可扩展性
C@NP开发中的一个主要挑战是实现标准化的合成和可扩展性。虽然已经开发了多种合成方法，包括水热法、溶热法、化学气相沉积（CVD）和牺牲模板法，但批次间的重复性仍然难以保证。例如，Fe@C通常通过激光烧蚀、电弧放电或金属羰基热解等方法制备，这些方法需要极端条件和复杂的设备[275]。这些方法每次只能生产少量纳米颗粒，且难以扩大生产规模。前体组成、反应动力学、碳壳厚度和sp2/sp3杂化比例的变化都可能影响这些纳米颗粒的物理化学性质和功能性能。缺乏符合临床标准的稳健、可扩展的制造协议，限制了C@NP从实验室规模生产向工业生产的过渡。

6.2. 表面功能化与长期稳定性
表面功能化在控制C@NP的生物分布、靶向特异性和免疫反应方面起着关键作用。然而，保持稳定的长期功能化具有挑战性。表面修饰必须能够抵抗体内降解、蛋白质冠层形成和非特异性吸附。这些相互作用可能会改变药代动力学和治疗效果，导致不可预测的生物反应。尽管生物启发涂层、两性离子配体和抗污染聚合物显示出潜力，但它们的长期临床验证仍不足。未来的研究应探讨涂层化学如何影响纳米颗粒的寿命和体内功能。

6.3. 毒理学评估
全面的毒理学评估是另一个值得关注的领域。尽管基于碳的涂层在体外和短期动物研究中显示出良好的生物相容性，但缺乏长期毒理学评估。一项关于碳涂层Fe3C纳米颗粒的全面体内研究发现，即使反复注射这些纳米颗粒，小鼠在一年内也没有出现组织炎症、纤维化或器官功能丧失的迹象[267]。这些结果表明其具有良好的生物相容性和清除特性。潜在的风险如生物积累、慢性器官滞留、免疫原性和延迟基因毒性需要进一步研究。结合先进的器官芯片模型的纵向体内研究对于理解C@NP的代谢途径和长期毒性效应至关重要，这对于获得监管批准至关重要。

6.4. 监管与临床转化
迄今为止，还没有C@NP获得FDA的批准。C@NP可能因其碳壳的生物相容性和高低剂量疗效而受益，例如白蛋白功能化的Fe@C[275]。由于其多功能性（结合了磁性、光学和治疗特性），C@NP的监管和临床转化面临重大障碍。这种复杂性使得难以将其归类为药物、设备或组合产品。实际上，几种临床批准的基于纳米颗粒的系统为监管分类和评估提供了有用的基准。例如，脂质体多柔比星（Doxil?/Caelyx?）已被FDA和EMA批准为具有改进的药代动力学和降低全身毒性的纳米载体化疗药物[277, 278]。同样，白蛋白结合的紫杉醇（Abraxane?）是一种用于癌症治疗的纳米颗粒驱动的药物递送系统[279, 280]。此外，超顺磁性氧化铁纳米颗粒如Ferumoxytol已被批准作为铁替代疗法，并被广泛研究作为MRI造影剂[281, 282]。这些例子表明，纳米颗粒系统通常根据其主要作用方式被归类为药品或组合产品，这突显了全面评估药代动力学、生物分布、免疫原性和制造可重复性的重要性。此外，缺乏全球统一的纳米颗粒表征和安全评估框架也延缓了其临床转化。开发普遍接受的评估框架对于C@NP的成功临床应用至关重要。

6.5. 体内实时监测与剂量测定
当前的成像技术往往缺乏必要的分辨率和灵敏度来追踪体内的C@NP行为，尤其是在单颗粒水平上。实时监测和准确的剂量测定对于评估治疗效果和安全性至关重要。整合先进的定量成像技术，如活体显微镜、多光子成像、单颗粒跟踪和人工智能驱动的图像重建，可以显著提高C@NP的能力，使其在体内的行为评估更加准确。

6.6. 经济可行性与成本效益
C@NP的经济可行性也是一个挑战。这些纳米颗粒的生产通常涉及复杂的合成过程，需要多步骤操作、稀有试剂和高能耗，这会显著增加生产成本。为了使基于C@NP的疗法更加经济实惠，简化制造过程至关重要，可以通过绿色化学方法和使用廉价、可再生的碳源来实现。

6.7. 伦理与公众接受度
随着纳米医学的发展，必须解决与患者同意、数据隐私和公众对纳米技术认知相关的伦理问题。必须通过透明的风险-收益沟通、强大的临床试验伦理框架和公众教育计划来解决临床应用中纳米颗粒使用的伦理问题。
展望未来，C@NP系统的未来发展将需要多学科合作，涉及纳米技术、临床医学、监管科学、伦理学和计算建模。关键的研究重点包括设计利用机器学习算法分析大量数据、优化结构参数和预测生物相互作用的人工智能辅助纳米颗粒。这种方法将加速更安全、更有效平台的发现。此外，开发能够响应内源性触发因素（如pH值、氧化还原电位或酶活性）和外源性信号（如磁场、光或温度）的智能纳米载体，将实现定位药物释放和动态治疗调节，从而最小化脱靶效应。同时，集成多种成像模式和治疗干预能力的实时多模态成像引导平台将有助于持续监测纳米颗粒的分布和效果，允许在治疗过程中进行适应性剂量调整。此外，建立全球统一的监管框架将简化混合纳米治疗系统的临床前验证、临床试验和批准流程。推广绿色和可持续的合成技术，利用可再生原料和低能耗过程，将有助于确保这些先进技术的公平和广泛普及。随着持续的创新和合作，聚合碳纳米颗粒有望彻底改变精准医学，为早期诊断、靶向治疗和实时患者监测提供变革性解决方案。

为应对上述挑战，可以采取多种策略来推进C@NP的发展和临床转化。首先，开发可扩展和可重复的合成方法（包括优化的水热法、溶热法和化学气相沉积法）对于实现一致的碳壳形成至关重要[283]。其次，应探索先进的表面功能化和靶向策略，以提高生物特异性并减少在网状内皮系统器官中的非特异性积累[284]。第三，需要全面的长期毒理学和药代动力学研究，并通过标准化的体外和体内评估协议来确保生物安全性[285]。此外，还需要进一步优化多模态成像平台，以便在单一纳米平台上高效整合诊断和治疗功能。最后，以转化为导向的研究，包括监管考虑、大规模生产和临床验证，将在实验室研究与临床应用之间发挥关键作用。这些策略有望加速安全、有效且临床可行的C@NP系统的开发。

7. 结论
聚合碳涂层金属纳米颗粒（C@NPs）已成为推进生物医学成像和治疗诊断应用的一类非常有前景的材料。它们独特的金属核心特性和碳壳稳定性在生物相容性、功能多样性和将多种成像模式整合到单一平台的能力方面具有显著优势。这种多模态成像能力提高了诊断精度，使得疾病检测更加准确、实时监测成为可能，并实现了个性化治疗策略。C@NPs在多种成像技术（如MRI、CT、PAI、MPI、USI、FI和PTI）中表现出巨大潜力，能够改善图像分辨率、对比度和灵敏度。尽管取得了这些进展，但在C@NP的开发和临床应用中仍存在一些挑战。需要解决合成方法的可重复性、表面功能化和长期稳定性等问题，以确保可靠和可扩展的生产。此外，全面了解其毒理学特性和体内长期生物分布对于保证其临床使用的安全性至关重要。C@NP的未来在于克服这些挑战，重点在于开发高效和可持续的合成过程、增强其靶向能力并优化其治疗功能。随着研究的进展，人工智能、刺激响应设计和实时成像的整合将进一步提升C@NP的临床效用。通过持续创新，这些纳米颗粒有望彻底改变精准医学，为早期诊断、靶向治疗和实时患者监测提供变革性解决方案。

CRediT作者贡献声明
Gang Ho Lee：撰写 – 审稿与编辑。
Yongmin Chang：撰写 – 审稿与编辑。
Mazhar Ul-Islam：撰写 – 审稿与编辑，验证。
Abdullah Al Saidi：撰写 – 原始草稿、方法学、研究设计、资金获取、数据管理、概念化。
Md. Wasi Ahmad：撰写 – 审稿与编辑，验证。
Adeeb Shehzad：撰写 – 审稿与编辑，验证。
Huan Yue：研究设计、概念化。
Muhammad Wajid Ullah：撰写 – 审稿与编辑。
Mohammed Al-Abri：撰写 – 审稿与编辑。
Endale Mulugeta：研究设计、概念化。
Tirusew Tegafaw：研究设计、概念化。

未引用的参考文献
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数据可用性
本文描述的研究未使用任何数据。