手性碳量子点的研究进展*

凡新刚，杨莉花，孙 伟，蒋 丽，覃爱苗

(1.桂林理工大学 材料科学与工程学院，有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林理工大学 理学院，广西 桂林 541004)

0 引 言

手性是指与其镜像不相同且不能相互重合。手性材料最初的研究集中在手性的有机分子上，随着科学技术的发展，越来越多的手性分子被发现、提取和分离出来，而且它们在化学、生物学和医学等领域的研究发挥越来越重要的作用[1-4]，其中，在检测、催化、生物医药等方面的应用最多[5-7]。目前，手性在分子水平上的研究较为成熟，但手性分子的抗光漂白性较差。手性纳米材料的出现弥补了这方面的不足，早期的手性纳米材料主要包括手性半导体纳米颗粒和手性金属纳米颗粒[8-9]，其具有较好的稳定性，但是存在较高的细胞毒性和昂贵的原料价格。相比早期的手性纳米材料，手性碳量子点的原料价格低廉且细胞毒性低。碳量子点是一种新型的零维碳基材料，具有很多优点，如荧光性能好、抗光漂白、生物相容性好和毒性低等[10-12]，因此，碳量子点是一种环境友好型材料[13-14]。将手性分子连接在碳量子点上不仅使其具备手性特征，而且拓展了碳量子点的应用方向，尤其是在手性识别、不对称催化和手性检测等方面具有潜在的应用价值[15-18]。因此，本文主要综述了手性碳量子点的发展历程、合成方法和应用研究等方面，并对其所面临的问题及挑战进行简要分析，并且对其发展及应用前景进行了展望。

1 手性碳量子点的发展

手性广泛存在于自然界中，早期，手性的研究主要集中在分子领域。2000年，Whetten等[19]最初发现谷胱甘肽纳米团簇具有很强的旋光性，进一步证实了手性纳米结构的存在。从此，手性的研究不再局限于分子水平。研究初期，手性半导体量子点的研究较多；2011年，Li等[20]将L/D-谷胱甘肽包裹在CdTe量子点上，探究了手性半导体量子点对细胞毒性的影响。研究发现，用D-谷胱甘肽修饰的CdTe量子点毒性更小。2015年，Tedsana等[21]使用L-半胱氨酸作为手性源，合成了手性硫化镉量子点，并将手性硫化镉量子点应用到圆二色传感器上，成功应用于检测重金属离子，这是首次将手性量子点作为圆二色传感器应用于检测重金属离子。2017年，Gao等[22]通过一锅法，合成了水溶性的手性L-NAC-CdSe/CdS量子点，并且构建荧光检测器，成功检测出L-酪氨酸和 D-酪氨酸。手性半导体量子点，虽然能应用在手性识别和手性检测等方面，但其成分中存在一些有毒元素(如Cd、Hg等)，这就限制了其应用发展。因此，研发无毒、生物相容性好的手性量子点具有重要意义。

2004年，Xu等[23]用电弧放电法制备单壁碳纳米管，在用电泳法纯化产物的过程中，首次发现了可以放出明亮荧光的碳量子点。因碳量子点具有低毒性、优异的荧光特性，而开始受到广泛关注。随着对碳量子点的深入研究，发现将手性分子修饰在碳量子点上，可以合成手性碳量子点。2016年，Suzuki等[24]首次合成了手性石墨烯量子点(L/D-GQDs)，通过L/D-半胱氨酸与石墨烯量子点表面的活性基团共价结合，获得了L/D-GQDs。通过在肝脏细胞分别添加L-GQD或D-GQDs进行培养研究，发现石墨烯量子点的生物相容性和立体异构体毒性存在显著差异。2016年，Zhang等[25]将碳酸化柠檬酸和L-半胱氨酸(或D-半胱氨酸)通过水热处理合成了手性碳量子点(L/D-CQDs)，CD光谱证明其手性存在，且通过电化学测试结果表明，L-CQDs和D-CQDs由于被手性分子包围在电极表面，因此对一些小分子具有优先氧化能力。电极表面的手性碳量子点可以提高电子的转移能力，从而提高其识别能力。此外，手性碳量子点具有低毒性等优势，能够很好的替代手性半导体量子点，有望成为绿色环保的功能性纳米材料[26]。

2 手性碳量子点的合成方法

手性碳量子点主要由碳量子点与手性分子构成，其表面具有很多活性基团也可以进一步功能化。手性碳量子点的合成按照合成步骤可分为一步法和二步法。一步法是采用非手性化合物和手性化合物或者直接用手性化合物作为碳源和手性源，通过“一锅法”来合成手性碳量子点，其合成方法简单，易于操作，但需要精确控制反应条件继承手性。二步法分两步进行，第一步用碳源合成碳量子点，第二步采用手性源对其进行修饰合成具有手性的碳量子点。与一步法相比，二步法步骤相对复杂，但因二步法合成的碳量子点的碳化程度高，故手性碳量子点的合成成功几率高，而且具有更高的量子产率和更好的稳定性。手性碳量子点的合成按照其反应类型可分为化学氧化法、热解法、水热法、微波辅助法、电化学法及手性自组装等[27]。本文主要对化学氧化法、热解法、水热法等方法进行了介绍。

2.1 化学氧化法

化学氧化法是将大尺寸的碳材料如碳棒、碳纤维、石墨粉、碳黑等作为碳源通过物理或化学的方法氧化或剥离出尺寸较小的碳量子点，然后再用手性分子进行修饰。Vázquez-Nakagawa等[28]先用酸剥离和氧化石墨，然后采用纯R/S-2-苯基-1-丙醇进行反应，最后透析纯化制备出手性碳量子点(如图1所示)。Suzuki等[24]将微米级沥青基碳纤维经过化学氧化和切割得到石墨烯量子点，然后将L/D-半胱氨酸连接到量子点的表面得到手性石墨烯量子点(如图2所示)。

图1 以石墨和R/S-2-苯基-1-丙醇合成的手性 CQDs[28]

图2 以碳纤维和L/D-Cys为原料合成的 L/D-GQDs[24]

2.2 热解法

热解法是先将碳源在高温条件下碳化，然后再添加手性源来合成手性碳量子点。Li等[29]将柠檬酸作为碳源，先形成碳核，然后添加L-半胱氨酸进行修饰，最终合成L-CQDs，添加手性源后其量子产率大幅度提高(如图3(a)所示)。Yuan等[30]同样采用柠檬酸作为碳源，手性源采用L/D-青霉胺(D/L-Pen)，第一步碳化后获得碳量子点的量子产率为4.8%，第二步加入L/D-Pen得到L/D-CQDs的量子产率分别达到了49.2%和52.7%(如图3(b)所示)，因此通过与手性配体的结合后可以提高量子产率。在热解法合成手性碳量子点中，常添加EDC/NHS催化剂来促进手性配体与碳量子点的连接。Askari等[31]先用柠檬酸制备碳量子点，在EDC/NHS催化剂存在下将L/D-半胱氨酸耦联到碳量子点上，合成了L/D-CQDs。Copur等[32]用柠檬酸和乙二胺 为原料，合成了掺氮碳量子点；在EDC/NHS催化下加入L-半胱氨酸合成了L-CQDs(如图3(c)所示)。

图3 (a)以柠檬酸为碳源，L-半胱氨酸为手性源合成手性碳量子点[29]，(b)以柠檬酸和D/L-青霉素为原料合成[30]，(c)以柠檬酸和乙烯胺合成掺氮的碳点与L-半胱氨酸合成手性碳量子点[32]，(d)以柠檬酸和L/D-酪氨酸为原料合成手性碳量子点[33]

手性碳量子点在合成过程中，适宜的温度对于手性分子成功修饰到碳量子点上至关重要，甚至可能会产生手性反转或消失。Zhang等[33]将柠檬酸在200 ℃碳化30 min，然后再用D/L-酪氨酸和碳化的碳核分别在120、180 ℃下反应30 min，发现通过调节反应温度可以有效控制它们的手性，实现了手性转移和转化(如图3(d)所示)。Rao等[34]分别用手性分子酒石酸和非手性分子柠檬酸作为碳源合成碳核，然后用L/D-青霉胺做手性源合成L/D-CQDs。在第一步两种分子都能合成碳量子点，然而在第二步加入手性源过程中，其碳化温度需要低于手性源的熔点，才能继承手性分子的手性。

2.3 水热法

水热法是以水作为溶剂，在高压反应釜中经过高温反应来合成手性碳量子点。采用水热法合成碳量子点，一般采用的合成原料有3种：手性分子、非手性材料和手性分子、纤维素纳米晶体。

第一种采用手性化合物合成手性碳量子点，手性源能同时充当碳源和手性源两个角色。Hu等[35]采用水热法，以L/D-半胱氨酸为原料，在120 ℃下，以氢氧化钠为活性剂，反应16 h，合成了手性碳量子点(如图4(a)所示)。Arad 等[36]以 L/D-赖氨酸为手性源和碳源，在170 ℃反应3 h成功制备手性碳量子点。Li等[37]通过水热法处理L/D半胱氨酸，在60 ℃不隔绝空气的条件下，合成了氮硫掺杂的手性碳量子点(如图4(b)所示)，该实验也表明了在高温下以半胱氨酸为稳定剂来合成纳米材料是不可行的。

图4 (a)D/L-半胱氨酸水热法合成手性CQDs[35],(b)手性半胱氨酸水热处理合成手性CQDs[37],(c)柠檬酸、尿素和D/L-半胱氨酸合成手性CQDs[39],(d)在CNC表面上合成手性CQDs的过程[41]

第二种是以非手性含碳化合物为碳源和手性分子为手性源进行合成手性碳量子点。这种方法相比于第一种方法，在合成过程中碳源和手性源都能进行碳化，增强了手性碳量子点的荧光性能。Zhang等[38]将柠檬酸和L/D-半胱氨酸在聚四氟乙烯高压釜中，在180 ℃下反应1.5 h合成了L/D-CQDs，经过CD光谱测试显示其旋光性符号相反且对称，是一对对映异构体。Arefina等[39]将柠檬酸、尿素和L/D-半胱氨酸混合在超纯水中，在180 ℃的烤箱中加热1 h 碳化合成了手性碳量子点(如图4(c)所示)。Gao等[40]用柠檬酸和L-天冬氨酸利用水热法在200 ℃反应4 h合成了手性碳量子点，并发现了手性碳点的荧光可被Sn2+猝灭，而且会被L-天冬氨酸恢复，因此可作为检测Sn2+的荧光探针。

第三种是从天然物质中提取的纤维素纳米晶体作为合成手性碳量子点的原料。Chekini等[41]以纤维素纳米晶体作为碳源和手性底物，在回流条件下直接水热合成掺氮的手性碳量子点(如图4(d)所示)，研究也表明其手性不是由纤维素纳米晶体表面的几何排列引起的，而是继承了纤维素纳米晶体表面葡萄糖分子的手性。

2.4 微波辅助法

微波辅助法利用微波加热的方法来合成手性碳量子点，微波辅助法通过穿透辐射加热，加热迅速，可大大缩短反应时间。Arshad等[42]将苯醌和L/D-半胱氨酸在乙醇中通过微波法，合成了氮硫共掺杂手性CQDs。Vulugundam等[43]以蔗糖和手性配体金雀花碱，用微波炉在1 200 W的功率下加热10 min，得到手性碳量子点，CD光谱表明了其手性的存在。Ostadhossein等[44]首次报道了环状氨基酸在碳量子点表面可以发生手性反转。其采用蔗糖水溶液在微波炉中加热10 min获得碳量子点，在室温下使用EDC/NHS催化剂在碳量子点表面引入多种氨基酸，这不仅可以让碳量子点保持手性，而且采用环状α-氨基酸修饰时其手性可以发生反转。

2.5 电化学法

电化学法是在电解液中加入手性源，通过控制电极两端的电压，使电极两端在电解液中发生氧化还原反应，改变电流强度和电解时间，从而合成手性碳量子点。Zhang等[45]用电化学的方法，将L/D-谷氨酸作为原料，在碱性水溶液中电化学聚合制备了手性碳量子点，通过控制反应的时间可以调节其的旋光性。Hu等[46]以两根石墨棒为阴极和阳极，将L/D-半胱氨酸溶解在氢氧化钠溶液中，以电化学法来合成手性碳量子点。

2.6 手性自组装

手性组装也是合成手性碳量子点的一种方法，一般是先合成碳量子点，然后再以具有手性的纳米材料为模板进行组装。Lizundia等[47]以D-葡萄糖和三聚氰胺为原料，合成了氮掺杂碳量子点，通过蒸发诱导自组装(EISA)将与纤维素纳米晶体(CNCs)进行共组装，制备了具有随机分布纳米粒子的新型手性向列复合材料。Xiong等[48]通过碳量子点来修饰纤维素纳米晶体得到具有手性结构的荧光材料，其中合成成分和天然成分非均相的相互作用能促进这种组装，得到相应的手性发光纳米粒子。这种杂化纳米结构可以自组织成荧光手性液晶相，并在柔性固体CNC薄膜中保持这种手性形态，得到的薄膜具体一种荧光指纹特征，使得手性荧光与光子行为的结合，在生物光学领域具有广阔的应用前景。

3 手性碳量子点的应用

在手性碳量子点中不同手性分子能影响碳量子点的功能，在生物医药、手性催化、手性识别、离子检测等方面具有巨大的应用前景。

3.1 生物医药

手性碳量子点具有低毒性、良好的生物相容性等优点，在生物医药方面具有广阔的应用前景。Li等[29]通过L-半胱氨酸修饰的碳量子点靶向高尔基体，可得到高尔基体的原位成像，由此可利用手性碳量子点来观察高尔基体的变化，为高尔基体病变的早期发现和治疗提供一种诊疗方法。Yuan等[30]用柠檬酸和L/D-青霉胺(L/D-Pen)经两步热解得到发射蓝光的手性碳量子点，研究发现，D-Pen包裹CQDs比L-Pen包裹CQDs的毒性要低，并且他们都能特异性的标记高尔基体(如图5所示)，这提供了一种通过实时监测高尔基体形态来追踪细胞状态的新方法。Malishev等[49]采用水热法制备的手性 CQDs，能抑制淀粉样蛋白-42(Aβ42)的纤维性颤动，采用CD 光谱研究了在Aβ42中加入 L/D-CQDs 前后的二级结构，结果表明，L-CQDs抑制Aβ42构象的转变效果比D-CQDs明显，且细胞毒性更小。这项研究首次证明手性 CQDs 可直接调节 Aβ42 的聚集过程和脑纤维形态，并为治疗阿尔茨海默病开辟新的治疗途径。

图5 D-Pen-CDS和高尔基追踪器处理Hep-2细胞的共聚焦显微镜图像[30]

3.2 手性催化

酶是高效的生物催化剂，具有特异性和高效性，但是它们的催化活性往往很难调节，手性碳量子点可以调节其催化活性，从而影响其催化性能。Zhang等[45]合成的L-CQDs和D-CQDs对麦芽糖酶显示出不同的抑制率(分别为15.5%和54.7%)，因此开发了手性碳量子点作为降糖药物来控制血糖的新应用。Hu等[46]首次证明了手性碳量子点能够调节漆酶的催化活性(如图6所示)；其中，L-CQDs可以增强漆酶的活性，其活性可提高至20.2%，而D-CQDs具有抑制的作用，其抑制作用能达到10.4%，这个发现，拓宽了手性碳量子点在调控酶活性方面的应用。纳米酶(模拟酶活性的纳米材料)具有储存时间长、容易修饰和成本低等优势，成为最有前途的天然酶的替代品[50-51]。Li等[52]以L/D半胱氨酸为手性源合成的手性碳量子点，发现其能够模拟出拓扑异构酶I的功能，能够对映选择性地介导超螺旋DNA的拓扑重排。与L-CQDs相比，D-CQDs能更有效地催化质粒DNA从超螺旋构型到有切口的圆形结构的拓扑转变。虽然手性碳量子点在功能性方面没有天然酶全面，但在替代天然酶方面有巨大的应用潜力。

图6 手性碳量子点的评估及其对漆酶活性调节的示意图[46]

3.3 手性识别

手性碳量子点的荧光性能可以进行手性识别。Copur等[32]用合成的手性碳量子点去检测L/D-赖氨酸，当在L/D-CQDs溶液的纳米纸基(NPs)中加入D-赖氨酸时其荧光强度没有变化，而加入L-赖氨酸时其荧光强度会增强，可以通过其荧光强度的强弱变化来识别L-赖氨酸。Song等[53]通过以柠檬酸为碳源，L-半胱氨酸为手性源，合成了L-CQDs，通过对多种手性氨基酸进行检测发现，当L-异亮氨酸加入到手性碳量子点中，其荧光强度会升高，加入其他种类的手性氨基酸时，其荧光强度没有变化，因此，L-CQDs可以实现对L-异亮氨酸的特异性识别(如图7所示)。Huo等[54]将碳量子点包裹到手性铕(D-Cam)配位框架中，制备出新型手性荧光杂化探针，该探针使用便捷、操作简单，可以识别出L-苯丙氨酸。

图7 (a)在手性碳量子点中加入不同种类L/D-氨基酸后的荧光强度比,(b)加入L/D-异亮氨酸后荧光强度[53]

手性碳量子点还可修饰到电极上，通过电化学方法来识别相关的对映异构体。Hou等[55]报道了在镍箔上电沉积手性碳量子点和金属有机骨架(MOF)，构建了MOF@CQDs/NIF电极，通过循环伏安法来对溶液中酪氨酸进行识别，发现其峰电流和酪氨酸呈线性关系，因此可以定量的检测酪氨酸。Liu等[56]将手性碳量子点连接到金属有机骨架上，在铜萡表面生长，构建电极(C-dots@MOF/CuF)，手性碳量子点可识别对映异构体，MOF骨架作为相容的多孔载体，二者的结合来构建电化学传感平台，发现L/D-青霉胺的浓度和峰电流有良好的线性关系，该方法实现了对青霉胺的手性识别。

3.4 离子检测

不同的离子对手性碳量子点的荧光强度有不同的响应，因此，可以通过荧光强度的变化来检测相应的离子。Gao等[40]以柠檬酸和L-天冬氨酸为原料合成L-CQDs，其荧光能被Sn2+猝灭，并能被L-赖氨酸恢复，L-CQDs可用来检测Sn2+和L-赖氨酸。Sun等[57]将碳量子点引入到含有低分子表面活性剂和凝胶剂的两种经典胶体体系中，构建荧光囊泡和手性水凝胶，通过增加脱氧胆酸钠的浓度和添加三肽制备了手性水凝胶，将水凝胶涂在硅胶板上，风干后，可以检测水溶液中的Cu2+离子(如图8所示)。

图8 使用涂有含有100 mmol的水凝胶的硅胶板目视检测Cu2+离子[57]

3.5 其他应用

手性碳量子点和其他材料进行复合得到功能材料，这样不仅能够保持手性的特性，也能够发挥材料自身性能的优势。Liu等[58]以手性碳量子点作手性模板，诱导卟啉形成手性超分子组装体，证明了卟啉可以通过静电组装与碳量子点相互作用，形成超分子卟啉碳量子点杂化物(如图9(a)所示)；手性碳点-卟啉复合材料可制备传感器，用来区分不同手性底物。Zhou等[59]将手性碳量子点与手性凝胶剂N，N′-(十八烷基)-D-氨基谷氨酸二胺共混，制备了复合凝胶体系(如图9(b)所示)，研究结果表明在手性碳量子点引入凝胶后，不仅可实现对凝胶的手性调节，而且其荧光效率和荧光强度都得到增强。这种基于手性碳点的复合功能材料的发展具有广阔的前景。

图9 (a)以D/L-半胱氨酸合成手性碳点[58]，(b)L-Glu-CDs掺杂到可匹配的手性凝胶剂[59]

4 结 语

手性碳量子点拥有对环境友好、成本低、生物相容性好等特性，在应用方面也取得了相应进展，但在后续的研究中可能存在以下一些问题和挑战。(1)在手性碳量子点方面的研究还是一个初级阶段，缺乏完整的理论体系，其合成的机理问题尚没有很好的解释。(2)对于合成手性碳量子点的手性源的来源比较单一，基本都是一些氨基酸类的物质，对其他手性源的探讨比较少，量子产率也需要进一步提高。(3)手性碳量子点的和其他材料形成的复合功能材料有待开发，目前这种功能性的材料是比较少的，能够成功应用到的更是凤毛麟角，与手性碳量子点相结合的多功能新型复合材料的研发，具有广阔的发展前景，也是当今需要关注的热点。因此，在手性碳量子点的合成过程中，需要管控温度、时间等关键因素，形成成熟的理论体系，完善其合成工艺，挖掘其应用价值，这样才能将手性碳量子点快速、有效地应用到实际的工业生产中。