综述：无毒性元素量子点作为药物递送纳米载体：功能配体在杂化体系开发中的作用

《Nanoscale》：Toxic element-free quantum dots as nanocarriers in drug delivery: the role of functional ligands in hybrid systems development

　　

在可用于药物递送系统的众多纳米载体类型中，如聚合物纳米颗粒、固体脂质纳米颗粒及金属纳米颗粒等，无机半导体胶体纳米晶体（即量子点，QDs）发挥着重要作用。量子点本质上是杂化纳米客体，由无机核与诱导其胶体稳定性的有机配体共同构成，这种结构赋予其其他纳米材料无法比拟的特性。例如，可通过将初始疏水性配体置换为亲水性配体，使疏水性纳米晶体具备亲水性，从而获得胶体稳定的水分散体系。引入的配体可进一步通过共价接枝药物分子，或利用药物与表面配体之间的非共价相互作用实现功能化。其他生物活性分子也可连接至纳米晶体表面，即所谓“靶向配体”，确保药物高效递送至作用靶点。过去15年间，研究人员开发了多种合成策略，用于制备不含毒性元素的纳米晶体，其发射波长不仅覆盖第一近红外生物窗口（NIR-I，650–950 nm），还延伸至第二近红外生物窗口（NIR-II，1000–1400 nm）。近年来，碳点（CDs）作为一类纳米材料崭露头角，其在尺寸范围、尺寸依赖的光致发光等特征上与无机半导体量子点表现出高度相似性。本短篇综述旨在批判性评估这两类纳米材料，重点关注其作为药物纳米载体的功能化策略。

1. 1.
   引言
   无机半导体纳米晶体及其相关的量子限域效应的原创性研究可追溯至20世纪80年代，Ekimov与Onushchenko¹及Brus²首次观测到“晶体”尺寸对其光学性质的显著影响。然而，该领域的广泛关注始于1993年Moungi Bawendi等人发表的工作，其描述了首种尺寸分散度窄的硫族化镉纳米晶体（CdE，E = S, Se, Te）的合成方法³。所得准单分散纳米晶体表现出显著的量子限域效应，最典型的特征是其光致发光颜色具有尺寸依赖性，因此被称为“量子点”（QDs），这一术语同时强调了其量子电子特性与小尺寸特征。该发现之后，关于这类纳米材料的物理、化学及应用技术的研究呈指数级增长，Ekimov、Brus与Bawendi因在量子点领域的贡献共同获得2023年诺贝尔化学奖⁴。

量子点研究早期的两篇开创性工作均来自Alivisatos课题组，分别面向两种截然不同的应用场景。第一篇报道了CdSe量子点在发光二极管（LEDs）⁵中的应用，第二篇则探讨了其在生物成像中的应用^6,7。此后，上述应用领域持续通过新研究概念的提出不断拓展。在生物医学应用中，当时广泛使用的CdSe纳米晶体的镉毒性成为严重问题，研究表明其硒离子可发生氧化，同时游离镉离子从纳米晶体表面释放至环境中^8,9，这推动了用两亲性聚合物包覆CdSe纳米晶体的研究，重点在于不显著劣化纳米晶体的发光性能及其在宽pH范围内的稳定性^10,11。但体内实验表明，静脉注射25 mg·kg^?1聚合物包覆的核/双壳层量子点（CdSe/CdS/ZnS）至雄性恒河猴后，90天内未检测到有毒镉释放或主要器官的组织学异常，然而大部分纳米晶材料仍积累于肝脏、脾脏与肾脏，长期存在潜在风险¹²，因此亟需开发不含镉、铅、汞等毒性元素的胶体无机半导体纳米晶体。另一类不含毒性元素、被认为适用于生物医学应用的量子点是胶体碳点，也称为碳量子点（CDs），这类发光碳纳米颗粒尺寸通常为1–10 nm，其尺寸依赖的光学性质常归因于量子限域效应，由于可采用天然碳前驱体合成，常被描述为生物源量子点^13,14。

量子点生物医学应用的另一个关键问题是确定其吸收与发射的适宜光谱范围，这与生物背景吸收最低的“生物光谱窗口”密切相关。第一生物窗口（NIR-I）覆盖650–950 nm光谱范围。2009年，研究首次揭示了第二生物窗口（NIR-II，1000–约1400 nm甚至1700 nm，依体系而定）^15,16。尽管NIR-II范围内水分子对光子的吸收略高于NIR-I，但组织散射显著降低且自发荧光极弱（即组织中天然存在的荧光分子产生的荧光），因此图像检测深度、分辨率与灵敏度等关键参数均得到提升^17,18。

上述问题推动了针对不含毒性元素且在NIR-I或NIR-II光谱范围内发光的纳米晶体的大量研究。图1a展示了选定二元、三元及四元不含镉、铅、汞的无机半导体纳米晶体的潜在发射调谐范围，这些纳米晶体目前已用于生物成像及药物递送载体。通过严格控制尺寸与形状，即利用量子限域效应，可实现其光吸收与发射的调谐^2,19,20。但更便捷通用的光学性质调控方法是制备三元或四元合金纳米晶体，即两种及以上二元半导体的合金（图1b）^21,22。此外，还存在大量多组分纳米晶体，其组成显著偏离合金的化学计量比，这一现象也被用于制备吸收与发射可调的纳米晶体^23,24。

设计发射位于NIR-I与NIR-II光谱范围的纳米晶体时，能隙（E_g）的数值至关重要，其严格取决于给定半导体的体相能隙（E_g(bulk)）与激子玻尔半径（r_B）：当纳米晶体尺寸小于r_B时，E_g相对于E_g(bulk)增大。实践中，E_g(bulk)在2 eV至1 eV范围内可实现发射位于NIR-I范围的量子点，而能隙显著小于1 eV则可实现NIR-II发射。利用量子限域效应可在NIR-I或NIR-II范围内进一步精细调谐发射，此时尽可能低的E_g(bulk)值与相对较大的r_B值有利于精确控制纳米晶体尺寸。例如，因优异光学性质被广泛研究的CdSe半导体，E_g(bulk)为1.74 eV，r_B为5.6 nm，这些数值使其发射颜色可在整个可见光谱范围调谐，并延伸至NIR-I的高能端²⁵。值得注意的是，不含毒性镉的AgInS₂半导体具有与CdSe极为相似的参数（E_g(bulk)=1.87 eV，r_B=5.5 nm），因此其纳米晶体表现出相似的光学性质^26,27。InP的E_g(bulk)（1.35 eV）与r_B（10 nm）更具优势，利用量子限域效应可合成发射波长达900 nm的纳米晶体²⁸。Ag₂S纳米晶体的E_g(bulk)为0.9–1.1 eV，可实现NIR-II发射，但由于其r_B值较低（实验测定为2.2 nm），发射调谐范围有限²⁹。Ag₂Se（E_g(bulk)=0.15 eV，r_B=2.9 nm）纳米晶体可作为Ag₂S在NIR-II发射方面的替代选择^30,31。需注意，许多“初始”纳米晶体的光致发光量子产率（PLQY）极低，这是由表面缺陷导致的发光淬灭所致，可通过在纳米晶体核上沉积适当的壳层制备核/壳型纳米晶体以消除缺陷。InP纳米晶体沉积ZnS壳层后，PLQY可从<1%（InP）提升至60–70%（InP/ZnS）^32,33，核/双壳层InP/GaP/ZnS纳米晶体的PLQY甚至可达85%³⁴，且壳层不影响发光颜色，仅由核的尺寸决定。如前所述，E_g不仅可通过量子限域效应调谐，更实用的方法是制备由不同E_g(bulk)值的半导体组成的合金纳米晶体，通过改变组成即可调控E_g，进而调谐吸收与发射光谱。合金纳米晶体制备的条件为：（i）待合金化的半导体晶体结构相似；（ii）晶格失配足够小。典型例子为合金化的AgInS₂–ZnS纳米晶体，其E_g(bulk)分别为1.87 eV（AgInS₂）与3.61 eV（ZnS）（见图1b），目前已报道多种（AgInS₂）_x（ZnS）_y量子点的制备方法³⁵，以及偏离合金化学计量的非化学计量比Ag–In–Zn–S纳米晶体，可显著扩大组成变化范围^36,37。这类量子点无需钝化层即可达到高PLQY，且具有大斯托克斯位移、宽发射峰半峰宽（FWHM）及长光致发光寿命（~1.0 μs），表明其辐射复合机制不同于CdSe量子点，可能源于定域施主与受主态之间的电子–空穴复合^38–41，或近年提出的“自由到束缚”机制，即离域电子与定域空穴的复合（见图1c）⁴²。

在生物医学领域，大多数量子点应用集中于生物成像，利用NIR-I与NIR-II两个生物窗口的可控发射^43–48。另一方面，胶体量子点还具有诸多其他有趣的性质，使其成为可控药物递送的有前景的平台（载体）^25,49。单个胶体量子点是尺寸最小的纳米客体之一，常为1–10 nm，因此表面离子（原子）占比高，便于表面功能化。需强调的是，即使是“初始”量子点也已表面功能化，通常带有确保其胶体稳定性的有机配体，这类“初始配体”多为疏水性，在生物医学研究中必须置换为亲水性配体以保证其在水相介质中的胶体稳定性。更广义而言，通过适当的配体交换，不仅可获得量子点的水分散体系，还可获得其在几乎所有常用溶剂中的分散体系。若配体带有反应性末端基团，还可通过连接各类小分子与大分子实现进一步功能化^50,51。某些情况下，这种功能化可使初始纳米晶体尺寸显著增加至200–500 nm，但仍保留其可用于癌症治疗等疗法的独特性质⁵²。除亲水性配体外，为实现生物成像及各种治疗应用，还可在纳米晶体表面连接叶酸等生物活性部分。正常细胞膜的叶酸受体表达水平低，而癌细胞膜则高表达叶酸受体^53,54，这一特征已被用于抗癌治疗⁵⁵。图2展示了叶酸及基于量子点的杂化药物载体中测试的药物的结构。

1. 2.
   胶体量子点的合成
   用于构建杂化药物纳米载体的量子点可为亲水性或疏水性（表1）。对于疏水性量子点，并非必须进行配体交换，也可通过聚合物壳层包封，或将初始疏水性配体置换为亲水性配体。这是一项精细的操作，因为常导致纳米晶体PLQY急剧下降，因此需开发特殊流程以最小化这一不利影响。第三种策略是从反应混合物中引入亲水性部分作为初始配体。

2.1 胶体二元量子点的合成

从能隙与激子玻尔半径来看，ZnO（E_g(bulk)=3.37 eV，r_B=0.9 nm）⁵⁶与ZnS（E_g(bulk)=3.61 eV，r_B=2.5 nm）^57,58无法产生NIR-I甚至NIR-II发射。两者r_B值较小，严重限制了利用量子限域效应调谐其吸收与发射的可能性。但锌的无毒性及ZnS常作为核/壳结构量子点的壳层材料，使这类半导体纳米晶体成为潜在的纳米载体候选。常通过掺杂改性量子点组成，以将吸收与发射移至目标方向。例如，镁掺杂ZnO纳米晶体可通过两步法由Zn(OAc)₂/Mg(OAc)₂（摩尔比10/1）的乙醇溶液制备，第一步得到的纳米晶体在第二步中用3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）进行表面修饰^59,60。掺杂的光谱表现为~340 nm处的发射峰完全淬灭，同时在~525 nm处出现新峰⁶¹。尺寸为3–4 nm的镁掺杂ZnO量子点具有pH响应发光：pH=7.4时发射绿光，pH=5.0时发光淬灭⁵⁹。ZnO纳米晶体可见光区发光的缺陷也可在无掺杂的情况下产生，例如采用Zn(OAc)₂与氢氧化钠或氢氧化钾在乙醇中通过两步法制备胺封端的ZnO量子点，其发射位于约540 nm的绿光区^62,63。胺封端ZnO-NH₂量子点水分散体系的发射光谱中，位于约540 nm的宽峰归属于氧空位缺陷相关的跃迁，而377 nm与415 nm处的两个峰源自量子点本身^63,64。可见光区发光的ZnO纳米晶体还可通过有机金属路线合成⁶⁵，例如由Et₂Zn前驱体制备、由亚砜配体封端的量子点，尺寸分布为5.4–8.2 nm，具有超长寿命的绿色光致发光⁶⁶。

Mn²⁺离子常被选作ZnS纳米晶体的掺杂剂。例如，锰掺杂ZnS量子点可由ZnSO₄/MnCl₂前驱体（摩尔比12.5/1.0）在室温水溶液中与Na₂S反应制备，所得量子点随后与3-巯丙基三乙氧基硅烷（MPTS）反应进行表面修饰⁶⁷。这类锰掺杂ZnS量子点发射波长为600 nm，衰减时间约为1.3 ms。作为对比，不含锰的ZnS量子点（尺寸~4 nm）由羧甲基纤维素（CMC）作为亲水性配体稳定，发射峰位于约426 nm⁶⁸。

InP（E_g(bulk)=1.35 eV，r_B=10 nm）因其较低的E_g(bulk)与较高的r_B，几乎理想适用于制备发射可调、覆盖几乎整个NIR-I范围的纳米晶体，即使是小尺寸（<5 nm）纳米晶体也可实现该范围发射⁶⁹。如前所述，InP量子点必须在InP核上沉积ZnS或ZnSe钝化层，否则PLQY极低（<1%）。用于生物医学应用的InP/ZnS量子点多通过两步策略制备：第一步获得由疏水性配体（主要为长链羧酸）稳定的量子点，第二步将疏水性配体置换为亲水性配体，获得水分散稳定的量子点。过去20年已开发多种合成方法，可严格控制InP纳米晶体的尺寸与形状⁷⁰。优化过程中，非配位溶剂1-十八烯（ODE）的使用被视为关键⁷¹，且磷前驱体从昂贵不稳定的P(TMS)₃（三(三甲基硅基)膦）先替换为原位生成的剧毒PH₃⁷²，再替换为稳定无毒的三(二乙氨基)膦⁷³。InP/ZnS核/壳纳米晶体的制备主要采用两步反应且不分离InP颗粒：第一步将P(TMS)₃的1-辛胺溶液注入In(OAc)₃与肉豆蔻酸（MA）的ODE混合物中，通过MA浓度与反应条件（温度与时间）控制纳米晶体尺寸；第二步交替注入硬脂酸锌Zn(SA)₂与硫的ODE溶液以沉积ZnS层。该方法可制备发射波长450–750 nm、PLQY约40%的一系列InP/ZnS纳米晶体，且在pH=10条件下将初始疏水性配体（硬脂酸，SA）置换为亲水性3-巯基丙酸（3-MPA），未劣化其发光性质⁷⁴。另一种两步法中，通过将PH₃（由Ca₃P₂与HCl反应生成）引入In(OAc)₃/MA=1/3的ODE溶液制备InP纳米晶体，随后依次加入Zn(SA)₂与乙基黄原酸锌的ODE溶液引入ZnS层⁷²，可合成发射波长675–720 nm可调的InP/ZnS量子点。针对该系列纳米晶体，研究人员开发了将初始疏水性配体（硬脂酸，SA）置换为半胱氨酸（Cys）、巯基乙酸（TGA）、二巯基丙酸（DHLA）、11-巯基十一酸（MUA）及3-MPA等亲水性配体的流程，所得稳定水分散体系发射红光（最大发射波长约700 nm）⁶⁹。

如前所述，Ag₂S的E_g(bulk)值为0.9–1.1 eV（依多晶型物晶体结构而异），Ag₂Se的E_g(bulk)为0.15 eV。该参数的低值明确表明，制备发射位于NIR-I与NIR-II光谱范围的Ag₂S与Ag₂Se量子点具有可行性。此外，这两种半导体均具有极低溶解度，Ag₂S与Ag₂Se的溶度积分别为6.3×10^–50与2.0×10^–64，限制了游离银离子向溶液中的释放，有利于胶体纳米晶体的形成⁷⁵。对这两种半导体，通常通过量子限域效应、组成改性或二者结合来实现光谱性质的精确调谐。由于Ag₂S与Ag₂Se纳米晶体在应用上的高度关注，近年来已开发多种制备方法，可获得由疏水性或亲水性配体稳定的这类量子点。

首批Ag₂S量子点的制备方法之一是配合物前驱体(C₂H₅)₂NCS₂Ag在油酸（OA）与n-十八胺（ODA）配体的ODE混合物中分解，所得Ag₂S量子点尺寸为10.2±0.4 nm，发射近红外光（最大发射波长1058 nm）⁷⁶。Pang等人通过精确控制量子点尺寸在1.5–4.6 nm范围内，实现了发射波长在690–1227 nm范围内的严格调控⁷⁷。反应采用热注射法，将(TMS)₂S（六甲基二硅硫醚）的TOP（三辛基膦）溶液注入乙酸银、肉豆蔻酸与1-辛胺的ODE混合物中，通过改变反应温度与时间控制纳米晶体尺寸，并开发了将疏水性初始配体置换为亲水性MUA的方法，获得了稳定的Ag₂S纳米晶体水分散体系⁷⁷。

近期，研究人员合成了尺寸可控（2.4–7.0 nm）的一系列Ag₂S量子点，实现了发射波长在975–1175 nm范围内的精确调谐，并测定其激子玻尔半径r_B=2.2 nm。该方法采用加热法，即配合物前驱体(C₂H₅)₂NCS₂Ag在1-十二硫醇（DDT）中分解，DDT同时作为配体与溶剂，通过改变分解温度与时间实现尺寸控制²⁹。以此法制备的量子点可通过将初始DDT配体置换为亲水性DHLA实现亲水化，所得水分散体系胶体稳定，发射位于NIR-II光谱范围（最大发射波长1200 nm）⁷⁸。

还开发了直接获得由亲水性初始配体稳定的Ag₂S量子点的制备方法，反应在水相中进行，pH=7.5，以AgNO₃与Na₂S为银源与硫源，2-巯基丙酸（2-MPA）为配体⁷⁹。同一前驱体还被用于另一种方法，但采用更复杂的亲水性配体谷胱甘肽（GSH，三肽：γ-Glu–Cys–Gly），在不同pH值（4.5、7.0或10.0）与温度（室温至50 °C）下反应，可控制Ag₂S量子点的发射波长在700–900 nm范围内⁸⁰。另有方法以含–SH末端基团的聚乙二醇（MPEG-SH，M_w=2000或5000）与含–SH与–COOH末端基团的聚二醇（CMPEG-SH，M_w=2000）为配体，在不同配体组成与pH值下反应，所得不同尺寸的Ag₂S量子点水分散体系发射波长在775–930 nm范围内，PLQY超过60%⁸¹。O. El-Dahshan等人通过水热（140 °C）与微波辅助相结合的方法合成了亲水性Ag₂S量子点⁸²，反应在水相中进行，以硝酸银与谷胱甘肽（GSH）为原料，加入氨水调节pH至8.0，通过改变AgNO₃/GSH摩尔比与反应时间，获得直径约4–17 nm的Ag₂S量子点，发射波长在950–1220 nm范围内，MTT实验证实其对HepG2/C3A细胞具有生物相容性，研究表明量子点结晶尺寸与结晶度的增加可降低其毒性⁸²。

Ag₂Se是体相能隙极低的半导体，且依多晶型物结构不同差异显著：正交相Ag₂Se的E_g(bulk)=0.15–0.18 eV，四方相的E_g(bulk)=0.07 eV，r_B=2.9 nm³¹。首批Ag₂Se量子点的制备方法之一是银三氟醋酸盐（AgTFA）与硅胺锂发生复分解反应生成银硅胺化合物（Ag[N(Si(CH₃)₃)₂]），将该银配合物溶于油胺（OLA）后，加入硒的TOP溶液，获得尺寸为2.0 nm与3.4 nm的正交相Ag₂Se量子点，分别在1030 nm与1250 nm处有NIR-II光致发光⁸³。正交相Ag₂Se量子点也可通过热注射法制备，将Se/TOP注入AgOAc与1-辛硫醇的ODE混合物中，随后将初始疏水性配体置换为亲水性MUA，获得尺寸3.9 nm、发射约1200 nm的稳定Ag₂Se纳米晶体水分散体系⁸⁴。

Dong等人提出了一种不同于“经典”配体交换的疏水性量子点亲水化方法⁸⁵，即不置换疏水性初始配体，而是通过两亲性交替共聚物聚（马来酸酐-交替-1-十八烯）-甲氧基聚（乙二醇）（C18-PMH-PEG）包封，将尺寸3.4 nm的正交相Ag₂Se量子点转移至水相，所得纳米晶体水分散体系发射位于NIR-II光谱范围（最大发射波长1300 nm）⁸⁵。直接制备亲水性量子点的方法因可避免配体交换步骤而备受关注，Gu等人提出了一种直接制备正交相Ag₂Se量子点的方法⁸⁶：将银前驱体（即Ag⁺的丙氨酸配合物Ag⁺-Ala）与硒前驱体混合，硒前驱体由Na₂SeO₃在亲水性配体（GSH）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）与酵母谷胱甘肽还原酶（GR）存在下还原制得，测试了Ag∶Se比为6∶1与4∶1两种情况，分别获得尺寸1.4 nm与2.4 nm的纳米晶体，发射位于NIR-I光谱范围（700 nm与820 nm）⁸⁶。

2.2 胶体三元量子点的合成

上述合成方法针对二元半导体量子点。三元半导体纳米晶体的研究起步较晚，但在过去15年中关注度持续增长。银铟硫族化物如AgInSe₂（E_g(bulk)=1.24 eV）与AgInS₂（E_g(bulk)=1.87 eV）尤其值得关注，不仅因其光谱性质，还因其高生物相容性及在环境中的自然循环性⁸⁷，相较于含铜的三元硫族化物（Cu