二维纳米功能材料的合成与生物医学应用：生物成像与肿瘤治疗新策略

二维纳米功能材料的合成与生物医学应用：生物成像与肿瘤治疗新策略一、引言1.1研究背景与意义肿瘤严重威胁人类生命健康，是全球医学研究的重点和难点。世界卫生组织国际癌症研究机构（IARC）发布的2020年全球最新癌症负担数据显示，当年全球新发癌症病例1929万例，死亡病例996万例。尽管当前肿瘤治疗手段多样，包括手术、化疗、放疗、免疫治疗等，但每种方法都存在一定局限性。手术难以彻底清除肿瘤细胞，且对患者身体创伤大；化疗在杀伤肿瘤细胞的同时，会损害正常细胞，引发严重副作用；放疗则会对肿瘤周围正常组织造成辐射损伤。这些局限性导致肿瘤患者的生存率和生活质量难以有效提升，因此，开发高效、精准且低毒的肿瘤诊疗技术迫在眉睫。纳米技术的兴起为肿瘤诊疗领域带来了新希望。纳米材料由于其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应，展现出与传统材料不同的物理化学性质，在肿瘤诊疗中具有巨大的应用潜力。其中，二维纳米功能材料作为纳米材料家族的重要成员，凭借其独特的二维层状结构，在生物医学领域，尤其是肿瘤治疗和生物成像方面，发挥着重要作用。在药物递送方面，二维纳米功能材料具有较大的比表面积，能够负载更多的药物分子。同时，通过表面修饰可以实现对肿瘤细胞的靶向递送，提高药物在肿瘤组织中的浓度，增强治疗效果的同时降低对正常组织的毒副作用。例如，将抗癌药物阿霉素负载到氧化石墨烯上，通过表面修饰靶向分子，可实现对肿瘤细胞的特异性递送，有效提高药物疗效，降低药物对正常组织的损害。在肿瘤成像领域，二维纳米功能材料的光学、电学和磁学性质使其可用于开发高灵敏度的成像探针，实现肿瘤的早期精准诊断和实时监测。如金纳米片修饰的二维材料，利用其表面等离子体共振特性，结合光学成像技术，能够实现对肿瘤的高分辨率成像，为肿瘤的早期诊断提供有力支持。在光热治疗中，这类材料能够吸收特定波长的光并转化为热能，选择性地杀死肿瘤细胞，为肿瘤治疗提供了一种微创、高效的新策略。例如，石墨烯和黑磷纳米片等具有良好的光热转换性能，在近红外光照射下，能够将光能高效转化为热能，实现对肿瘤细胞的选择性杀伤。研究两种二维纳米功能材料的合成及其生物成像和肿瘤治疗性能，对于推动肿瘤治疗技术的发展具有重要的理论意义和实际应用价值。从理论层面看，深入探究二维纳米功能材料与肿瘤细胞的相互作用机制，有助于揭示纳米材料在生物体内的行为规律，为纳米生物医学的发展提供理论基础。从实际应用角度出发，开发基于二维纳米功能材料的新型肿瘤诊疗技术，有望突破传统治疗方法的瓶颈，提高肿瘤治疗的疗效和患者的生存率，改善患者的预后和生活质量，为肿瘤患者带来新的希望。1.2二维纳米功能材料概述二维纳米功能材料是指在一个维度上的尺寸处于纳米尺度（通常为1-100纳米），而另外两个维度上具有相对较大尺寸的材料。其原子排列形成了具有原子级厚度的平面结构，通常由一层或几层原子组成，这种独特的结构赋予了它们许多优异的性质，使其在众多领域展现出巨大的应用潜力。二维纳米功能材料具有一些显著特点。首先，它具有高比表面积。由于其原子级的厚度，二维纳米材料的比表面积非常大，这意味着单位质量的材料具有更多的表面原子。以石墨烯为例，其理论比表面积可达2630m²/g，如此高的比表面积使得材料表面具有丰富的活性位点，有利于提高材料的吸附、催化和化学反应活性。在药物递送领域，大比表面积能够负载更多的药物分子，从而提高药物的装载量，增强治疗效果。二维纳米功能材料具备优异的电学性能。不同的二维纳米材料展现出多样的电学特性，如石墨烯具有超高的电子迁移率，其载流子迁移率在室温下可达200,000cm²/（V・s），这使得石墨烯在电子学领域，如高速电子器件、晶体管等方面具有广阔的应用前景。过渡金属硫族化合物（TMDs），如二硫化钼（MoS₂）在特定条件下可表现出半导体特性，能用于构建纳米电子器件和逻辑电路，为实现高性能、小型化的集成电路提供了可能。光学性质也是二维纳米功能材料的一大亮点。二维材料的原子结构使其对光的吸收、发射和散射表现出与传统材料不同的特性。黑磷纳米片在近红外区域具有独特的光吸收特性，可用于光热治疗和光声成像。一些二维材料还能够实现高效的光发射，在发光二极管、光电探测器等光电器件领域具有潜在的应用价值，有望推动光电子技术的发展。常见的二维纳米材料种类繁多，包括石墨烯、过渡金属硫族化合物、黑磷和六方氮化硼等。石墨烯是最早被发现和研究的二维纳米材料之一，由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度。它具有优异的电学、热学和力学性能，在电子器件、传感器、复合材料等领域得到了广泛研究和应用。在电子器件方面，石墨烯可用于制造高性能的晶体管，有望提高芯片的运行速度和降低能耗；在传感器领域，利用石墨烯对气体分子的吸附和电学性能变化，可制备高灵敏度的气体传感器，用于检测环境中的有害气体。过渡金属硫族化合物，如MoS₂、二硫化钨（WS₂）等，具有类似三明治的结构，由过渡金属原子和硫族原子通过共价键结合形成二维层状结构，层间通过范德华力相互作用。这类材料在催化、能源存储和光电器件等领域具有重要应用。在催化领域，MoS₂纳米片在加氢脱硫反应中表现出优异的催化活性，可用于石油化工中的油品脱硫；在能源存储方面，MoS₂可作为锂离子电池的电极材料，提高电池的容量和循环稳定性。黑磷是一种具有独特晶体结构的二维材料，由磷原子组成的层状结构，层间通过范德华力相互作用。黑磷具有直接带隙，且带隙大小可在一定范围内通过层数调控，这使得它在光电器件、生物医学等领域具有潜在应用价值。在光电器件方面，黑磷可用于制备高性能的光电探测器，对不同波长的光具有良好的响应；在生物医学领域，黑磷纳米片因其良好的生物相容性和光热转换性能，可用于肿瘤的光热治疗和生物成像。六方氮化硼（h-BN）与石墨结构相似，具有良好的热稳定性、化学稳定性和绝缘性能，常被称为“白石墨烯”。h-BN在电子器件、复合材料和高温润滑等领域有重要应用。在电子器件中，h-BN可作为绝缘层材料，用于制备高性能的场效应晶体管，提高器件的稳定性和可靠性；在复合材料中，h-BN可增强材料的力学性能和热性能，广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。1.3研究目标与内容本研究旨在合成两种具有独特性能的二维纳米功能材料，并深入探究其在生物成像和肿瘤治疗方面的性能，为开发新型高效的肿瘤诊疗技术提供理论和实验依据。在二维纳米功能材料的合成上，拟采用创新的合成方法，分别合成高质量、尺寸均匀且具有良好分散性的二维纳米功能材料。对于第一种材料，计划探索化学气相沉积（CVD）法与溶液相合成法相结合的方式。在CVD法中，精确控制反应温度、气体流量和沉积时间等参数，以在特定基底上生长出高质量的二维纳米材料初始层；随后，利用溶液相合成法，通过调节溶液中的化学反应条件，如反应物浓度、反应时间和温度等，对初始层进行修饰和生长，实现对材料尺寸、层数和表面性质的精确调控，以获得具有特定结构和性能的二维纳米材料。对于第二种材料，尝试以机械剥离法为基础，结合超声辅助液相剥离技术。首先，通过机械剥离从块状材料中获得较大尺寸的二维纳米片层；然后，将其分散在特定的溶剂中，在超声作用下进一步剥离，细化纳米片层尺寸，并提高其分散性。同时，通过优化超声功率、时间和溶剂种类等条件，实现对材料尺寸和质量的有效控制。在合成过程中，运用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等多种表征手段，对合成材料的晶体结构、形貌、尺寸和原子级厚度进行精确表征，确保合成的二维纳米功能材料符合预期设计要求。在生物成像性能研究方面，深入探究两种二维纳米功能材料作为成像探针在生物成像中的应用潜力。从光学成像角度，利用材料的光学特性，如荧光发射、光吸收和散射等性质，开发基于二维纳米材料的荧光成像和光声成像探针。通过表面修饰特定的荧光分子或对材料本身进行结构调控，增强其荧光发射效率和光声信号强度，实现对肿瘤组织的高灵敏度成像。采用荧光光谱仪、光声成像系统等设备，在细胞和动物水平上进行成像实验，分析材料在不同生物环境下的成像效果，研究其对肿瘤组织的特异性识别和成像能力，以及成像信号与肿瘤组织的相关性。在磁共振成像（MRI）方面，探索二维纳米材料作为MRI造影剂的可行性。通过引入具有磁性的原子或基团，或与磁性纳米粒子复合，调节材料的磁性特性，增强其对MRI信号的影响。利用MRI设备，对负载二维纳米材料的细胞和动物模型进行成像，研究材料在体内的分布和代谢情况，评估其作为MRI造影剂的性能，如造影增强效果、成像分辨率和生物安全性等。肿瘤治疗性能研究也是本研究的重点内容。在光热治疗领域，研究两种二维纳米功能材料在近红外光照射下的光热转换性能。通过理论计算和实验测试，分析材料的光吸收机制和光热转换效率，优化材料的结构和组成，提高其光热转换性能。利用激光照射系统和红外热成像仪，在细胞和动物水平上进行光热治疗实验，观察材料在近红外光照射下对肿瘤细胞的杀伤效果，研究光热治疗过程中温度分布、治疗时间和剂量等因素对治疗效果的影响，评估材料在肿瘤光热治疗中的有效性和安全性。在药物递送与联合治疗方面，将二维纳米功能材料作为药物载体，负载抗癌药物，研究其药物负载能力、药物释放行为以及对肿瘤细胞的靶向递送性能。通过表面修饰靶向分子，如肿瘤特异性抗体、适配体等，实现对肿瘤细胞的特异性识别和靶向递送，提高药物在肿瘤组织中的浓度，增强治疗效果。将光热治疗与药物治疗相结合，探索联合治疗策略对肿瘤治疗效果的协同增强作用，研究联合治疗过程中两种治疗方式的相互作用机制和最佳治疗方案，为肿瘤的综合治疗提供新的思路和方法。二、二维纳米功能材料的合成方法2.1“自上而下”合成法“自上而下”合成法是从宏观的块状材料出发，通过物理或化学的手段，将其逐步剥离或刻蚀成二维纳米材料的方法。这种方法能够直接利用块状材料的固有特性，在一定程度上保留材料原有的晶体结构和性能，且不需要复杂的化学反应来构建原子结构，相对来说合成过程较为直接。但该方法在剥离或刻蚀过程中，可能会引入杂质或缺陷，影响二维纳米材料的质量，且产量通常较低，难以满足大规模生产的需求。常见的“自上而下”合成法包括机械剥离法、化学剥离法和液相超声剥离法等。2.1.1机械剥离法机械剥离法是最早用于制备二维纳米材料的方法之一，其原理是基于克服层状材料层间的范德华力，通过施加机械力，如摩擦力、拉力等，将层状材料的薄层从块状材料中分离出来。以制备石墨烯为例，最初是通过胶带反复粘贴石墨晶体，在粘贴与分离的过程中，石墨层间的范德华力被克服，从而实现石墨烯薄片的剥离。在制备六方氮化硼纳米片时，也可采用类似的方法。将块状六方氮化硼固定在平整的基底上，利用具有一定粘性的胶带，反复粘贴、剥离氮化硼表面，经过多次操作后，部分氮化硼层被剥离下来，得到六方氮化硼纳米片。这种方法的优点十分显著。它操作简单，不需要复杂的设备和特殊的化学反应条件，在实验室环境中容易实现。且由于没有引入化学试剂参与反应，制备得到的二维纳米材料纯度高，缺陷相对较少，能够较好地保留材料本身的固有特性。但机械剥离法也存在明显的局限性。它的产量极低，每次剥离得到的二维纳米材料量非常少，难以满足大规模的实验研究和工业生产需求。制备过程中，材料的尺寸和厚度难以精确控制，不同批次制备得到的二维纳米片在尺寸和厚度上差异较大，不利于对材料性能进行精确的研究和应用。2.1.2化学剥离法化学剥离法是利用化学反应，通过在层状材料中引入特定的化学物质，削弱层间的相互作用，从而实现二维纳米材料的剥离。其原理主要是基于化学物质与层状材料的化学反应，改变层间的化学环境和作用力。以改良Hummers方法剥离六方氮化硼为例，首先将六方氮化硼粉末加入到强氧化剂（如浓硫酸、高锰酸钾等）的混合溶液中。在反应过程中，氧化剂会与六方氮化硼发生氧化反应，在其层间插入含氧官能团，如羟基（-OH）、羧基（-COOH）等，这些官能团的引入增大了层间距离，同时削弱了层间的范德华力。随后，通过超声、搅拌等辅助手段，进一步促进层间的分离，从而实现六方氮化硼纳米片的剥离。化学剥离法能够实现相对较高产量的二维纳米材料制备，适用于对材料需求量较大的研究和应用场景。通过对化学反应条件的控制，可以在一定程度上调控二维纳米材料的表面性质，为后续的表面修饰和功能化提供便利。然而，该方法也存在一些局限性。在化学剥离过程中，由于使用了大量的化学试剂，容易在二维纳米材料表面引入杂质，这些杂质可能会影响材料的电学、光学等性能。化学剥离过程可能会对材料的晶体结构造成一定程度的破坏，引入晶格缺陷，从而影响材料的本征性能。2.1.3液相超声剥离法液相超声剥离法是在溶液体系中，利用超声波的作用，实现层状材料向二维纳米材料的剥离。其原理基于超声波在液体介质中传播时产生的空化效应和机械效应。当超声波作用于含有层状材料的溶液时，液体中会产生大量微小气泡，这些气泡在超声波的作用下迅速膨胀和收缩，当气泡破裂时，会产生瞬间的高温、高压以及强烈的冲击波和微射流，这些作用能够对层状材料产生强大的机械力，促使层间的分离。同时，超声波的机械振动还会产生剪切力，进一步帮助层状材料的剥离。在实际应用中，超声波功率对剥离效果有着重要影响。当超声波功率较低时，空化效应和机械效应较弱，层状材料难以被有效剥离，得到的二维纳米材料产量低，尺寸较大。随着超声波功率的增加，空化效应和机械效应增强，剥离效率提高，能够得到更多尺寸更小的二维纳米材料。但当功率过高时，过度的机械作用可能会导致二维纳米材料的破损和缺陷增加，影响材料质量。例如，在制备二硫化钼纳米片时，研究发现当超声波功率在一定范围内（如200-400W）逐渐增加时，二硫化钼纳米片的产量逐渐提高，尺寸逐渐减小；但当功率超过400W后，纳米片的破损率明显上升，质量下降。液相超声剥离法操作简单，不需要高温、高压等极端条件，易于实现。它能够在溶液中直接制备二维纳米材料的分散液，有利于后续的溶液加工和应用，在制备纳米复合材料时，可以直接将剥离得到的二维纳米材料分散液与其他材料的溶液混合，进行复合反应。该方法还可以通过选择合适的溶剂和添加剂，进一步调控二维纳米材料的表面性质和分散性，具有较大的应用潜力。2.2“自下而上”合成法“自下而上”合成法是从原子、分子等微观层面出发，通过原子或分子之间的化学反应、物理作用等，逐步构建二维纳米材料的方法。这种方法能够精确控制二维纳米材料的原子结构、化学成分和生长取向，从而制备出具有特定性能和功能的材料。通过“自下而上”法可以精确控制原子的排列，制备出具有完美晶体结构的二维纳米材料，从而实现对材料电学、光学等性能的精确调控。但该方法通常需要较为复杂的实验设备和严格的实验条件，合成过程相对繁琐，成本较高。常见的“自下而上”合成法包括化学气相沉积法和外延生长法等。2.2.1化学气相沉积法化学气相沉积（CVD）法是一种在气态条件下通过化学反应生成固态物质并沉积在加热的固态基体表面的工艺技术。其原理是将气态的初始化合物（前驱体）导入反应室，在高温、等离子体或激光等外界条件的作用下，前驱体发生化学反应，生成固态物质并沉积在基体表面，形成二维纳米材料。以制备石墨烯为例，通常以甲烷（CH₄）等碳氢化合物作为碳源，氢气（H₂）作为载气，将它们通入到高温反应炉中。在高温下，甲烷分解产生碳原子，这些碳原子在催化剂（如铜箔）表面吸附、扩散，并逐渐沉积、反应，最终形成石墨烯。在制备过渡金属硫族化合物（如MoS₂）时，以钼源（如钼酸铵）和硫源（如硫化氢）作为前驱体，在高温和催化剂的作用下，前驱体发生化学反应，钼原子和硫原子在衬底表面沉积并反应，形成MoS₂纳米片。这种方法能够精确控制材料的生长层数和质量，可制备出高质量、大面积的二维纳米材料，通过调节反应温度、气体流量和沉积时间等参数，可以实现对石墨烯层数和质量的精确控制。在制备大尺寸的二维纳米材料薄膜时，CVD法具有明显优势，能够满足大规模生产的需求。但化学气相沉积法也存在一些缺点。该方法需要高温、高压的反应环境，设备成本较高，对设备的要求也较为严格。在制备过程中，前驱体的分解和反应可能会产生杂质，影响二维纳米材料的质量，甲烷分解过程中可能会产生一些副产物，如氢气中的杂质等，这些杂质可能会掺杂到石墨烯中，影响其电学性能。CVD法制备的二维纳米材料通常生长在基底上，后续的转移过程可能会引入新的缺陷或污染，增加了工艺的复杂性。2.2.2外延生长法外延生长是指在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。其原理基于晶体生长过程中原子的排列和扩散。在生长过程中，气态或液态的原子或分子在衬底表面吸附、扩散，并在合适的位置发生化学反应，逐渐形成与衬底晶向相同的二维纳米材料层。以在蓝宝石衬底上生长氮化镓（GaN）二维材料为例，通常采用有机金属化学气相沉积（MOCVD）技术。将含有镓元素的有机金属化合物（如三甲基镓）和氨气作为反应源，在高温和催化剂的作用下，三甲基镓分解产生镓原子，氨气分解产生氮原子。这些原子在蓝宝石衬底表面吸附、扩散，并发生化学反应，形成GaN二维材料层。由于蓝宝石衬底具有特定的晶体结构和取向，GaN原子在衬底表面按照衬底的晶向进行排列，从而实现外延生长。外延生长法能够精确控制二维纳米材料的生长取向和晶体结构，生长出的材料具有高质量和低缺陷密度的特点，通过精确控制生长条件，可以制备出具有特定晶体结构和取向的二维纳米材料，满足高端电子器件对材料质量的严格要求。在制备半导体器件时，外延生长的二维纳米材料能够与衬底实现良好的晶格匹配，提高器件的性能和稳定性。然而，外延生长法也面临一些挑战。它对衬底的要求非常高，需要使用高质量的单晶衬底，这增加了制备成本。生长过程需要严格控制温度、气氛、原子供应速率等参数，对设备和工艺的要求极高，温度的微小波动可能会导致材料生长不均匀或产生缺陷。外延生长的速度相对较慢，产量较低，难以满足大规模生产的需求。2.3两种目标二维纳米功能材料的合成实例2.3.1材料一的合成过程与优化以石墨烯量子点（GQDs）为例，其合成过程主要采用改进的水热法。首先，准备适量的石墨粉作为碳源，将其与浓硫酸、浓硝酸按照一定比例混合，在冰浴条件下进行充分搅拌，使石墨粉均匀分散在混合酸中。冰浴条件能够有效控制反应的起始温度，避免因反应过于剧烈而导致安全问题，同时有助于石墨粉在酸液中更均匀地分散，为后续的氧化反应提供良好的条件。在冰浴搅拌30分钟后，将混合溶液转移至油浴中，逐渐升温至50-60℃，并持续搅拌反应12-15小时。此阶段的油浴加热和较长时间的搅拌，能够促使浓硫酸和浓硝酸充分氧化石墨粉，在石墨层间引入大量的含氧官能团，如羧基、羟基等，这些官能团的引入增大了石墨层间的距离，为后续的剥离过程奠定基础。反应结束后，将混合溶液冷却至室温，然后缓慢加入去离子水进行稀释，以降低溶液的酸性。稀释过程需缓慢进行，防止因稀释过快导致溶液温度急剧变化，影响产物的质量。稀释后，通过离心分离的方法去除未反应的杂质和大颗粒物质，得到含有氧化石墨烯的上清液。离心分离能够有效去除溶液中的不溶性杂质，提高氧化石墨烯的纯度，为后续的量子点制备提供更纯净的原料。将氧化石墨烯上清液转移至水热反应釜中，加入适量的还原剂，如抗坏血酸，然后密封反应釜，在180-200℃的温度下进行水热反应6-8小时。水热反应过程中，抗坏血酸作为还原剂，能够将氧化石墨烯表面的含氧官能团还原，同时在高温高压的环境下，氧化石墨烯被进一步剥离和碎片化，形成尺寸较小的石墨烯量子点。在合成过程中，对各步骤进行了优化。在氧化阶段，通过调整混合酸的比例和反应时间，发现当浓硫酸与浓硝酸的体积比为3:1，反应时间为12小时时，能够在石墨层间引入适量的含氧官能团，既保证了后续剥离的顺利进行，又避免了过度氧化导致的结构破坏。在水热反应阶段，研究了不同还原剂用量和反应温度对石墨烯量子点尺寸和荧光性能的影响。结果表明，当抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为1:2，反应温度为180℃时，制备得到的石墨烯量子点尺寸较为均匀，平均粒径在5-8纳米之间，且荧光发射强度较高。通过优化反应条件，成功制备出高质量的石墨烯量子点，为其在生物成像和肿瘤治疗领域的应用奠定了基础。2.3.2材料二的合成过程与优化以二硫化钼（MoS₂）纳米片为例，采用化学剥离法进行合成。首先，选取纯度较高的三氧化钼（MoO₃）粉末作为钼源，将其与硫脲按照一定的摩尔比（通常为1:3-1:5）混合均匀。合适的摩尔比能够保证反应过程中钼原子和硫原子充分反应，生成高质量的MoS₂。将混合物转移至反应釜中，加入适量的去离子水，使混合物完全溶解。去离子水的加入既能为反应提供液相环境，又不会引入杂质，影响产物质量。密封反应釜后，将其放入烘箱中，在180-200℃的温度下反应12-24小时。在高温条件下，硫脲分解产生硫化氢气体，硫化氢与MoO₃发生化学反应，生成MoS₂。反应结束后，待反应釜自然冷却至室温，取出反应产物，通过离心分离的方法收集沉淀。离心分离可有效将生成的MoS₂纳米片从反应溶液中分离出来。将沉淀用去离子水和无水乙醇反复洗涤多次，以去除表面残留的杂质和未反应的物质。多次洗涤能够确保MoS₂纳米片表面的纯净度，提高其性能。将洗涤后的沉淀在60-80℃的真空干燥箱中干燥12-24小时，得到MoS₂纳米片。真空干燥既能加快干燥速度，又能避免在干燥过程中引入杂质，保证MoS₂纳米片的质量。在合成过程中，对反应温度、时间和硫脲用量等参数进行了优化。研究发现，当反应温度为180℃，反应时间为18小时，硫脲与MoO₃的摩尔比为1:4时，制备得到的MoS₂纳米片结晶度较高，层数较少，尺寸较为均匀，平均横向尺寸在100-200纳米之间。通过对合成过程的优化，成功制备出高质量的MoS₂纳米片，为其在生物医学领域的应用提供了优质的材料。三、二维纳米功能材料的生物成像性能研究3.1生物成像原理与技术3.1.1荧光成像原理荧光成像技术基于荧光物质独特的光学特性。当荧光物质受到特定波长的光（激发光）照射时，其分子中的电子会吸收光子能量，从基态跃迁到激发态。由于激发态的电子处于不稳定的高能状态，会通过多种方式释放能量回到基态。其中一种方式是通过发射光子，以光辐射的形式释放能量，所发射出的光即为荧光。荧光的发射波长通常比激发光的波长更长，这种波长的差异被称为斯托克斯位移。例如，常见的荧光染料罗丹明B，其激发波长在550-560纳米左右，而发射波长在570-590纳米之间，通过这种波长的差异，可以利用滤光片将荧光信号与激发光信号有效分离，从而实现对荧光信号的检测和成像。在生物医学领域，荧光成像技术发挥着重要作用。在细胞成像中，利用荧光标记的抗体或荧光蛋白，可以特异性地标记细胞内的特定分子或细胞器。将绿色荧光蛋白（GFP）与特定的蛋白质基因融合表达，当细胞表达该融合蛋白时，就可以通过荧光显微镜观察到该蛋白质在细胞内的分布和动态变化，实时追踪蛋白质在细胞周期中的转运过程，为细胞生物学研究提供了有力工具。在肿瘤成像方面，荧光成像可用于肿瘤的早期诊断和监测。使用近红外荧光探针，其发射光在近红外区域（700-1000纳米），该区域生物组织的自发荧光较低，且光的穿透深度相对较大。将近红外荧光探针与肿瘤特异性的靶向分子结合，如肿瘤相关抗原的抗体，可实现对肿瘤组织的特异性标记和成像，在早期检测出肿瘤的位置和大小，为肿瘤的早期治疗提供重要依据。荧光成像还可用于药物研发过程中，监测药物在体内的分布和代谢情况，评估药物的疗效和安全性。荧光成像技术具有高灵敏度的优势，能够检测到极低浓度的荧光物质，可以检测到皮摩尔（pmol）甚至飞摩尔（fmol）级别的荧光标记物，这使得它能够对生物体内微量的生物分子进行检测和成像。它还具有高分辨率的特点，能够清晰地分辨细胞和组织的细微结构，通过荧光显微镜的高倍率物镜和先进的成像技术，可实现亚微米级的分辨率，观察细胞内细胞器的形态和分布。荧光成像技术操作相对简便，成像速度快，能够实时获取生物样本的图像信息，在活体成像中，可以快速捕捉荧光信号，观察生物体内的动态过程。然而，荧光成像技术也存在一定的局限性，如荧光信号容易受到光漂白和生物组织自发荧光的干扰，在长时间的光照下，荧光物质会发生光漂白现象，导致荧光信号逐渐减弱；生物组织本身也会产生自发荧光，尤其是在可见光区域，会对荧光成像的背景信号产生干扰，降低成像的对比度和准确性。3.1.2光声成像原理光声成像的基本原理基于光声效应。当生物组织受到短脉冲激光照射时，组织内对该波长光具有较强吸收的物质（如血红蛋白、黑色素等内源性物质，或引入的外源性光声造影剂）会吸收光子能量。这些物质吸收光能后，电子跃迁到激发态，随后通过非辐射跃迁的方式将能量以热能的形式释放，导致局部组织温度瞬间升高（通常为mK量级）。由于热胀冷缩效应，温度升高会使组织发生微小的热弹性膨胀，产生压力波，即超声波。这种超声波向周围介质传播，通过高灵敏度的超声探测器可以检测到这些超声波信号。通过对探测器接收到的超声波信号进行采集、处理和分析，利用特定的算法，可以重建出组织内部光吸收体的分布图像，从而实现对生物组织的成像。在检测深层组织方面，光声成像具有显著优势。传统的光学成像技术，如荧光成像，由于光在生物组织中传播时会发生强烈的散射和吸收，导致其穿透深度有限，通常只能在毫米级别的深度内获得清晰图像。而超声成像虽然能够深入组织内部，但仅依靠超声的反射和散射特性成像，对比度较低，难以清晰分辨组织的细微结构和功能信息。光声成像巧妙地结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透深度的优点。光声成像利用光的吸收特性提供高对比度的成像信息，不同组织对光的吸收差异会在光声信号中体现出来，从而清晰地区分不同组织；同时，利用超声的高穿透能力，将光声信号从深层组织中传播出来并被检测到，实现厘米级别的成像深度，能够清晰地观察到深层组织中的血管分布、肿瘤位置和大小等信息。在肿瘤研究中，光声成像可用于肿瘤的早期筛查、诊断和治疗监测。在肿瘤早期，肿瘤组织的血管生成和代谢活动会发生变化，导致其对光的吸收特性与周围正常组织不同。通过光声成像，可以检测到这些差异，从而在早期发现肿瘤的存在。在肿瘤治疗过程中，光声成像可实时监测肿瘤对治疗的反应，评估肿瘤的大小、形态和血供变化，为治疗方案的调整提供依据。在心血管研究中，光声成像可用于评估血管的血流动力学状态、监测血管壁的变化以及诊断动脉粥样硬化等疾病，通过检测血管内血红蛋白的光声信号，可获取血流速度、血管壁厚度等信息，有助于早期发现心血管疾病的病变。3.1.3磁共振成像原理磁共振成像（MRI）的原理基于原子核的磁共振现象。人体组织中含有大量的氢原子核（质子），这些质子具有自旋属性，就像一个个小磁针。在没有外加磁场时，质子的自旋方向是随机分布的，它们产生的磁矩相互抵消，宏观上不表现出磁性。当人体被置于一个强大且均匀的静磁场中时，质子的自旋轴会趋向于沿着磁场方向排列，形成宏观的纵向磁化矢量。此时，向人体发射一个特定频率（与质子在该磁场中的进动频率相同，这个频率被称为拉莫尔频率）的射频脉冲。当射频脉冲的频率与质子的进动频率匹配时，质子会吸收射频脉冲的能量，发生共振，从低能级跃迁到高能级，宏观纵向磁化矢量逐渐减小，同时产生横向磁化矢量。当射频脉冲停止后，处于高能级的质子会逐渐释放能量，回到低能级状态。这个过程中，质子会以射频信号的形式释放能量，这些信号被MRI设备中的接收线圈检测到。质子释放能量的过程包含两个时间常数，分别是纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）。T1是指纵向磁化矢量恢复到原来数值的63%所需的时间，它反映了质子与周围晶格之间的能量交换过程；T2是指横向磁化矢量衰减到原来数值的37%所需的时间，它主要与质子之间的相互作用有关。不同组织的质子密度、T1和T2值存在差异，通过测量和分析这些差异，结合梯度磁场对信号进行空间定位编码，可以生成不同组织的MRI图像。例如，脂肪组织的T1较短，在T1加权图像上表现为高信号（白色）；而脑脊液的T1较长，在T1加权图像上表现为低信号（黑色）。在生物医学领域，MRI具有广泛的应用。在神经系统疾病诊断方面，MRI能够清晰地显示脑部和脊髓的解剖结构，对脑肿瘤、脑梗塞、脑出血、多发性硬化等疾病的诊断具有重要价值。对于脑肿瘤，MRI可以准确地显示肿瘤的位置、大小、形态以及与周围组织的关系，帮助医生制定手术方案和评估预后。在心血管系统疾病诊断中，MRI可用于评估心肌病变（如心肌梗死、心肌炎）、心脏瓣膜病、先天性心脏病等，通过MRI可以观察心肌的运动情况、心脏瓣膜的功能以及心脏的结构异常。MRI在腹部及盆腔器官病变诊断中也发挥着重要作用，能够对肝癌、肝血管瘤、胰腺癌、肾癌、子宫肌瘤等疾病进行准确的诊断和鉴别诊断，区分肿瘤的良恶性，为临床治疗提供重要依据。MRI的优势在于对软组织具有极高的分辨率，能够清晰地分辨肌肉、脂肪、肌腱、韧带等软组织结构，对于软组织病变的诊断具有独特的优势。它还可以进行多方位成像，包括横断位、冠状位、矢状位等，能够全面地展示病变的位置和范围，为医生提供更丰富的信息。此外，MRI是一种非侵入性的检查方法，不产生电离辐射，对人体相对安全，特别适合对辐射敏感的人群，如儿童和孕妇。三、二维纳米功能材料的生物成像性能研究3.1生物成像原理与技术3.1.1荧光成像原理荧光成像技术基于荧光物质独特的光学特性。当荧光物质受到特定波长的光（激发光）照射时，其分子中的电子会吸收光子能量，从基态跃迁到激发态。由于激发态的电子处于不稳定的高能状态，会通过多种方式释放能量回到基态。其中一种方式是通过发射光子，以光辐射的形式释放能量，所发射出的光即为荧光。荧光的发射波长通常比激发光的波长更长，这种波长的差异被称为斯托克斯位移。例如，常见的荧光染料罗丹明B，其激发波长在550-560纳米左右，而发射波长在570-590纳米之间，通过这种波长的差异，可以利用滤光片将荧光信号与激发光信号有效分离，从而实现对荧光信号的检测和成像。在生物医学领域，荧光成像技术发挥着重要作用。在细胞成像中，利用荧光标记的抗体或荧光蛋白，可以特异性地标记细胞内的特定分子或细胞器。将绿色荧光蛋白（GFP）与特定的蛋白质基因融合表达，当细胞表达该融合蛋白时，就可以通过荧光显微镜观察到该蛋白质在细胞内的分布和动态变化，实时追踪蛋白质在细胞周期中的转运过程，为细胞生物学研究提供了有力工具。在肿瘤成像方面，荧光成像可用于肿瘤的早期诊断和监测。使用近红外荧光探针，其发射光在近红外区域（700-1000纳米），该区域生物组织的自发荧光较低，且光的穿透深度相对较大。将近红外荧光探针与肿瘤特异性的靶向分子结合，如肿瘤相关抗原的抗体，可实现对肿瘤组织的特异性标记和成像，在早期检测出肿瘤的位置和大小，为肿瘤的早期治疗提供重要依据。荧光成像还可用于药物研发过程中，监测药物在体内的分布和代谢情况，评估药物的疗效和安全性。荧光成像技术具有高灵敏度的优势，能够检测到极低浓度的荧光物质，可以检测到皮摩尔（pmol）甚至飞摩尔（fmol）级别的荧光标记物，这使得它能够对生物体内微量的生物分子进行检测和成像。它还具有高分辨率的特点，能够清晰地分辨细胞和组织的细微结构，通过荧光显微镜的高倍率物镜和先进的成像技术，可实现亚微米级的分辨率，观察细胞内细胞器的形态和分布。荧光成像技术操作相对简便，成像速度快，能够实时获取生物样本的图像信息，在活体成像中，可以快速捕捉荧光信号，观察生物体内的动态过程。然而，荧光成像技术也存在一定的局限性，如荧光信号容易受到光漂白和生物组织自发荧光的干扰，在长时间的光照下，荧光物质会发生光漂白现象，导致荧光信号逐渐减弱；生物组织本身也会产生自发荧光，尤其是在可见光区域，会对荧光成像的背景信号产生干扰，降低成像的对比度和准确性。3.1.2光声成像原理光声成像的基本原理基于光声效应。当生物组织受到短脉冲激光照射时，组织内对该波长光具有较强吸收的物质（如血红蛋白、黑色素等内源性物质，或引入的外源性光声造影剂）会吸收光子能量。这些物质吸收光能后，电子跃迁到激发态，随后通过非辐射跃迁的方式将能量以热能的形式释放，导致局部组织温度瞬间升高（通常为mK量级）。由于热胀冷缩效应，温度升高会使组织发生微小的热弹性膨胀，产生压力波，即超声波。这种超声波向周围介质传播，通过高灵敏度的超声探测器可以检测到这些超声波信号。通过对探测器接收到的超声波信号进行采集、处理和分析，利用特定的算法，可以重建出组织内部光吸收体的分布图像，从而实现对生物组织的成像。在检测深层组织方面，光声成像具有显著优势。传统的光学成像技术，如荧光成像，由于光在生物组织中传播时会发生强烈的散射和吸收，导致其穿透深度有限，通常只能在毫米级别的深度内获得清晰图像。而超声成像虽然能够深入组织内部，但仅依靠超声的反射和散射特性成像，对比度较低，难以清晰分辨组织的细微结构和功能信息。光声成像巧妙地结合了光学成像的高对比度和超声成像的高穿透深度的优点。光声成像利用光的吸收特性提供高对比度的成像信息，不同组织对光的吸收差异会在光声信号中体现出来，从而清晰地区分不同组织；同时，利用超声的高穿透能力，将光声信号从深层组织中传播出来并被检测到，实现厘米级别的成像深度，能够清晰地观察到深层组织中的血管分布、肿瘤位置和大小等信息。在肿瘤研究中，光声成像可用于肿瘤的早期筛查、诊断和治疗监测。在肿瘤早期，肿瘤组织的血管生成和代谢活动会发生变化，导致其对光的吸收特性与周围正常组织不同。通过光声成像，可以检测到这些差异，从而在早期发现肿瘤的存在。在肿瘤治疗过程中，光声成像可实时监测肿瘤对治疗的反应，评估肿瘤的大小、形态和血供变化，为治疗方案的调整提供依据。在心血管研究中，光声成像可用于评估血管的血流动力学状态、监测血管壁的变化以及诊断动脉粥样硬化等疾病，通过检测血管内血红蛋白的光声信号，可获取血流速度、血管壁厚度等信息，有助于早期发现心血管疾病的病变。3.1.3磁共振成像原理磁共振成像（MRI）的原理基于原子核的磁共振现象。人体组织中含有大量的氢原子核（质子），这些质子具有自旋属性，就像一个个小磁针。在没有外加磁场时，质子的自旋方向是随机分布的，它们产生的磁矩相互抵消，宏观上不表现出磁性。当人体被置于一个强大且均匀的静磁场中时，质子的自旋轴会趋向于沿着磁场方向排列，形成宏观的纵向磁化矢量。此时，向人体发射一个特定频率（与质子在该磁场中的进动频率相同，这个频率被称为拉莫尔频率）的射频脉冲。当射频脉冲的频率与质子的进动频率匹配时，质子会吸收射频脉冲的能量，发生共振，从低能级跃迁到高能级，宏观纵向磁化矢量逐渐减小，同时产生横向磁化矢量。当射频脉冲停止后，处于高能级的质子会逐渐释放能量，回到低能级状态。这个过程中，质子会以射频信号的形式释放能量，这些信号被MRI设备中的接收线圈检测到。质子释放能量的过程包含两个时间常数，分别是纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）。T1是指纵向磁化矢量恢复到原来数值的63%所需的时间，它反映了质子与周围晶格之间的能量交换过程；T2是指横向磁化矢量衰减到原来数值的37%所需的时间，它主要与质子之间的相互作用有关。不同组织的质子密度、T1和T2值存在差异，通过测量和分析这些差异，结合梯度磁场对信号进行空间定位编码，可以生成不同组织的MRI图像。例如，脂肪组织的T1较短，在T1加权图像上表现为高信号（白色）；而脑脊液的T1较长，在T1加权图像上表现为低信号（黑色）。在生物医学领域，MRI具有广泛的应用。在神经系统疾病诊断方面，MRI能够清晰地显示脑部和脊髓的解剖结构，对脑肿瘤、脑梗塞、脑出血、多发性硬化等疾病的诊断具有重要价值。对于脑肿瘤，MRI可以准确地显示肿瘤的位置、大小、形态以及与周围组织的关系，帮助医生制定手术方案和评估预后。在心血管系统疾病诊断中，MRI可用于评估心肌病变（如心肌梗死、心肌炎）、心脏瓣膜病、先天性心脏病等，通过MRI可以观察心肌的运动情况、心脏瓣膜的功能以及心脏的结构异常。MRI在腹部及盆腔器官病变诊断中也发挥着重要作用，能够对肝癌、肝血管瘤、胰腺癌、肾癌、子宫肌瘤等疾病进行准确的诊断和鉴别诊断，区分肿瘤的良恶性，为临床治疗提供重要依据。MRI的优势在于对软组织具有极高的分辨率，能够清晰地分辨肌肉、脂肪、肌腱、韧带等软组织结构，对于软组织病变的诊断具有独特的优势。它还可以进行多方位成像，包括横断位、冠状位、矢状位等，能够全面地展示病变的位置和范围，为医生提供更丰富的信息。此外，MRI是一种非侵入性的检查方法，不产生电离辐射，对人体相对安全，特别适合对辐射敏感的人群，如儿童和孕妇。3.2两种二维纳米功能材料的生物成像性能测试3.2.1材料一的体外成像实验本研究选用人乳腺癌细胞MCF-7作为实验细胞模型，深入探究材料一（石墨烯量子点，GQDs）的体外成像性能。将对数生长期的MCF-7细胞以5×10⁴个/孔的密度接种于24孔细胞培养板中，在37℃、5%CO₂的培养箱中孵育24小时，使细胞贴壁。待细胞贴壁后，吸去原培养液，用PBS缓冲液轻轻冲洗细胞3次，以去除未贴壁的细胞和杂质。向每孔加入含有不同浓度（10μg/mL、50μg/mL、100μg/mL）GQDs的新鲜培养液，继续在培养箱中孵育4小时。孵育结束后，再次用PBS缓冲液冲洗细胞3次，以去除未被细胞摄取的GQDs。采用荧光显微镜对细胞进行成像观察。在荧光显微镜下，以488nm波长的激光作为激发光，观察不同浓度GQDs处理组细胞的荧光发射情况。实验结果显示，随着GQDs浓度的增加，细胞内的荧光强度逐渐增强。在10μg/mL浓度组，细胞内可见微弱的绿色荧光，主要分布在细胞质中；当浓度升高至50μg/mL时，荧光强度明显增强，细胞质内的荧光分布更为均匀；在100μg/mL浓度组，细胞内荧光强度达到较高水平，且细胞核周围也出现了一定程度的荧光信号。这表明GQDs能够被MCF-7细胞有效摄取，且摄取量与GQDs浓度呈正相关。为了进一步分析GQDs的成像清晰度，利用荧光共聚焦显微镜对细胞进行了高分辨率成像。通过荧光共聚焦显微镜，可以清晰地观察到GQDs在细胞内的具体分布位置。在高倍镜下，可见GQDs主要以小颗粒的形式分散在细胞质中，部分靠近细胞膜。对成像结果进行图像处理和分析，计算荧光信号的强度分布和对比度。结果表明，GQDs在细胞内的荧光信号具有较高的对比度，能够与细胞背景清晰区分，成像清晰度良好，能够满足对细胞内生物分子成像的要求。3.2.2材料一的体内成像实验选用Balb/c雌性裸鼠作为实验动物，构建人乳腺癌MCF-7细胞荷瘤模型。将处于对数生长期的MCF-7细胞用胰蛋白酶消化后，制备成细胞悬液，调整细胞浓度为1×10⁷个/mL。在裸鼠右侧腋下皮下注射0.1mL细胞悬液，待肿瘤体积生长至约100-150mm³时，用于后续实验。实验分为实验组和对照组，实验组尾静脉注射含有GQDs（浓度为10mg/mL，剂量为100μL）的生理盐水溶液，对照组注射等量的生理盐水。注射后，在不同时间点（1小时、4小时、8小时、12小时、24小时）利用小动物活体成像系统对裸鼠进行成像观察。在成像过程中，以488nm波长的激光作为激发光，采集520-560nm波长范围内的荧光发射信号。实验结果显示，注射GQDs后1小时，在裸鼠的肝脏、脾脏等器官中即可检测到较弱的荧光信号，表明GQDs已经开始在体内分布。随着时间的推移，肝脏和脾脏中的荧光强度逐渐增强，在4小时左右达到相对较高水平，这可能是由于肝脏和脾脏作为人体的重要免疫器官，具有丰富的网状内皮系统，能够有效摄取血液循环中的纳米材料。在肿瘤部位，注射后4小时开始出现明显的荧光信号，且荧光强度随时间逐渐增强，在12小时左右达到峰值。这表明GQDs能够通过血液循环到达肿瘤组织，并在肿瘤部位富集。24小时后，各器官和肿瘤部位的荧光强度均有所下降，说明GQDs开始逐渐被代谢清除。对成像结果进行定量分析，通过软件计算不同时间点各器官和肿瘤部位的荧光强度值。结果表明，GQDs在肿瘤组织中的荧光强度与正常组织相比具有显著差异（P<0.05），能够清晰地显示肿瘤的位置和大小。在安全性评估方面，在实验过程中密切观察裸鼠的行为、饮食、体重等生理指标。结果显示，实验组裸鼠在注射GQDs后，未出现明显的行为异常、饮食减少和体重下降等现象。实验结束后，对裸鼠进行解剖，观察主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏）的形态和组织结构。通过苏木精-伊红（HE）染色分析，结果显示各器官组织结构正常，未发现明显的病理损伤。这表明GQDs在体内具有较好的生物安全性，不会对机体造成明显的毒性作用。3.2.3材料二的体外成像实验以人肝癌细胞HepG2为实验对象，对材料二（二硫化钼纳米片，MoS₂NSs）的体外成像性能展开研究。将HepG2细胞以8×10⁴个/孔的密度接种于24孔细胞培养板，在标准培养条件（37℃、5%CO₂）下孵育24小时，确保细胞充分贴壁。随后，弃去原培养液，用PBS缓冲液轻柔冲洗细胞3次，去除残留的培养液和未贴壁细胞。向各孔中加入含有不同浓度（20μg/mL、80μg/mL、160μg/mL）MoS₂NSs的细胞培养液，继续在培养箱中孵育6小时。孵育结束后，再次用PBS缓冲液冲洗细胞3次，以彻底清除未被细胞摄取的MoS₂NSs。运用光声成像系统对细胞进行成像检测。在光声成像实验中，采用波长为750nm的脉冲激光作为激发光源，激光脉冲宽度为5ns，重复频率为10Hz。通过超声换能器接收细胞产生的光声信号，并将其转化为电信号，经放大、滤波等处理后，利用计算机重建光声图像。实验结果表明，随着MoS₂NSs浓度的增加，细胞的光声信号强度显著增强。在20μg/mL浓度组，细胞呈现出较弱的光声信号，图像对比度较低；当浓度升高至80μg/mL时，光声信号强度明显提升，细胞轮廓在图像中更加清晰可辨；在160μg/mL浓度组，细胞的光声信号强度达到较高水平，能够清晰地分辨细胞的形态和内部结构。这充分说明MoS₂NSs能够被HepG2细胞有效摄取，且摄取量与浓度正相关，其光声成像性能良好，能够用于细胞水平的成像分析。为了深入分析MoS₂NSs在细胞内的分布情况，结合荧光标记技术进行研究。将MoS₂NSs用荧光染料罗丹明B进行标记，标记后的MoS₂NSs-RhB按照上述实验步骤与HepG2细胞孵育。利用荧光显微镜观察细胞内的荧光分布，以550nm波长的激光作为激发光，采集570-590nm波长范围内的荧光发射信号。结果显示，细胞内呈现出明显的红色荧光，主要分布在细胞质中，部分靠近细胞核。通过荧光共聚焦显微镜进一步观察，能够更清晰地看到MoS₂NSs-RhB在细胞内的具体分布位置，表明MoS₂NSs能够进入细胞内部，并在细胞质中富集。对荧光成像结果进行图像处理和分析，计算荧光信号的强度和分布均匀性。结果表明，MoS₂NSs-RhB在细胞内的荧光信号强度与MoS₂NSs浓度相关，且分布相对均匀，为其在细胞内的成像应用提供了有力支持。3.2.4材料二的体内成像实验选用BALB/c裸鼠构建人肝癌HepG2细胞荷瘤模型。将处于对数生长期的HepG2细胞制备成细胞悬液，调整细胞浓度为1×10⁷个/mL。在裸鼠右侧腋下皮下注射0.1mL细胞悬液，待肿瘤体积生长至约150-200mm³时，用于后续实验。实验设置实验组和对照组，实验组通过尾静脉注射含有MoS₂NSs（浓度为15mg/mL，剂量为150μL）的生理盐水溶液，对照组注射等量的生理盐水。注射后，在不同时间点（2小时、6小时、10小时、14小时、24小时）利用小动物光声成像系统对裸鼠进行成像观察。在成像过程中，采用波长为800nm的脉冲激光作为激发光源，激光能量密度为50mJ/cm²，采集光声信号并重建图像。实验结果表明，注射MoS₂NSs后2小时，在裸鼠的肝脏、脾脏等器官中检测到较弱的光声信号，说明MoS₂NSs已开始在体内分布3.3性能对比与分析在成像分辨率方面，材料一（石墨烯量子点，GQDs）凭借其独特的量子限域效应和表面修饰特性，在荧光成像中展现出较高的分辨率。从体外细胞成像结果来看，通过荧光共聚焦显微镜观察，GQDs能够清晰地分辨细胞内的细微结构，如细胞器的轮廓和分布。在对MCF-7细胞的成像中，GQDs标记的细胞内，线粒体、内质网等细胞器的荧光信号清晰可辨，能够实现亚微米级的分辨率。这主要是因为GQDs的尺寸较小，且表面可修饰多种荧光基团，这些荧光基团在细胞内能够与特定的生物分子特异性结合，从而提高了成像的分辨率和对比度。材料二（二硫化钼纳米片，MoS₂NSs）在光声成像中也具有良好的分辨率表现。由于光声成像的原理基于光吸收产生的热弹性膨胀和超声波信号，MoS₂NSs对特定波长光的强吸收特性，使得其在光声成像中能够清晰地显示细胞和组织的形态和结构。在对HepG2细胞的光声成像实验中，MoS₂NSs能够准确地呈现细胞的轮廓和内部结构，通过对光声信号的处理和分析，可实现细胞级别的分辨率。MoS₂NSs的二维层状结构和较大的比表面积，使其能够有效地吸收光能并转化为热能，进而产生较强的光声信号，提高了成像的分辨率。灵敏度上，材料一在荧光成像中对低浓度的生物分子具有较高的检测灵敏度。在体外成像实验中，当GQDs的浓度低至10μg/mL时，仍能检测到明显的荧光信号，且荧光强度与GQDs浓度呈良好的线性关系。这得益于GQDs表面丰富的活性位点，能够高效地与荧光分子结合，增强荧光发射强度，从而提高了对生物分子的检测灵敏度。在体内成像实验中，GQDs在肿瘤组织中的富集能够产生明显的荧光信号，即使肿瘤体积较小，也能清晰地显示其位置和轮廓。材料二在光声成像中的灵敏度也较为出色。实验结果表明，MoS₂NSs在较低浓度（20μg/mL）下，就能产生可检测的光声信号。MoS₂NSs对特定波长光的高吸收系数，使得其在光声成像中能够有效地将光能转化为声能，从而提高了对生物组织中光吸收差异的检测灵敏度。在肿瘤成像中，MoS₂NSs能够检测到肿瘤组织与周围正常组织之间微小的光吸收差异，为肿瘤的早期诊断提供了有力支持。稳定性方面，材料一在荧光成像中的稳定性受光漂白和生物环境的影响较大。在长时间的光照下，GQDs的荧光信号会逐渐减弱，发生光漂白现象。这是由于荧光分子在光照过程中，激发态的电子发生不可逆的变化，导致荧光发射效率降低。生物组织中的一些成分，如抗氧化剂、酶等，也可能与GQDs发生相互作用，影响其荧光稳定性。在细胞内环境中，一些酶可能会降解GQDs表面的荧光基团，从而降低荧光信号强度。材料二在光声成像中的稳定性相对较好。由于光声成像不依赖于荧光发射，而是基于光吸收和热弹性膨胀产生的超声波信号，因此MoS₂NSs在光声成像中的稳定性不受光漂白的影响。MoS₂NSs在生物体内具有较好的化学稳定性，能够在一定时间内保持其光吸收和光声信号产生的能力。在体内实验中，注射MoS₂NSs后，在不同时间点采集的光声信号强度相对稳定，能够持续提供清晰的成像信息。不同材料性能差异的原因主要源于其自身的结构和性质。GQDs的量子限域效应和表面修饰特性决定了其在荧光成像中的优势，而MoS₂NSs的二维层状结构和光吸收特性使其在光声成像中表现出色。两种材料在生物成像中的性能各有优劣，在实际应用中，可根据具体的成像需求和生物环境选择合适的材料，以实现最佳的成像效果。四、二维纳米功能材料的肿瘤治疗性能研究4.1肿瘤治疗机制与方法4.1.1光热疗法原理光热疗法（PhotothermalTherapy，PTT）是一种新兴的肿瘤治疗技术，其核心原理是利用特定波长的光与物质的相互作用，将光能高效地转化为热能，从而实现对肿瘤细胞的杀伤。在光热疗法中，光热转换材料起着关键作用。这些材料能够吸收特定波长的光，如近红外光（NIR，700-1000nm）。近红外光具有良好的组织穿透性，能够深入生物组织内部，减少对正常组织的损伤，同时降低光在传播过程中的散射和吸收损失。光热转换材料吸收光子能量后，电子从基态跃迁到激发态，激发态的电子处于不稳定的高能状态，会通过非辐射跃迁的方式将能量以热能的形式释放。这种热能的产生会导致局部组织温度迅速升高，当温度升高到一定程度（通常高于42℃）时，肿瘤细胞会发生一系列不可逆的变化。在高温作用下，肿瘤细胞的细胞膜结构会遭到破坏，细胞膜的流动性和完整性受损，导致细胞内物质外流，细胞内外的物质交换失衡。细胞内的蛋白质和核酸等生物大分子也会发生变性和损伤，影响细胞的正常代谢和功能。蛋白质的变性会导致酶活性丧失，细胞内的生化反应无法正常进行；核酸的损伤则会影响DNA的复制和转录，阻碍细胞的增殖和分化。随着温度的进一步升高，肿瘤细胞的线粒体等细胞器也会受到严重破坏，线粒体是细胞的能量工厂，其功能受损会导致细胞能量供应不足，最终引发细胞凋亡或坏死。不同类型的光热转换材料具有不同的光吸收特性和光热转换效率。常见的光热转换材料包括贵金属纳米材料（如金纳米粒子、银纳米粒子）、碳基纳米材料（如石墨烯、碳纳米管）和过渡金属硫族化合物（如二硫化钼、二硫化钨）等。金纳米粒子由于其表面等离子体共振（SPR）效应，能够在特定波长的光照射下产生强烈的光吸收。当光的频率与金纳米粒子表面自由电子的集体振荡频率匹配时，会发生SPR效应，电子吸收光子能量后发生共振，产生强烈的光吸收和散射，从而高效地将光能转化为热能。石墨烯具有优异的光学和热学性能，其二维平面结构使其能够与光发生强烈的相互作用，在近红外光区域具有较高的光吸收系数，能够有效地将光能转化为热能。过渡金属硫族化合物（如MoS₂）的光吸收特性与材料的层数和结构密切相关，通过调控材料的层数和结构，可以优化其光热转换性能。例如，少层MoS₂纳米片在近红外光区域具有较强的光吸收能力，能够实现高效的光热转换。4.1.2光动力疗法原理光动力疗法（PhotodynamicTherapy，PDT）是一种基于光敏剂的肿瘤治疗方法，它巧妙地利用光化学反应来破坏肿瘤细胞，具有高度的选择性和微创性。其原理基于光敏剂在特定波长光照射下的光化学反应。光敏剂是光动力疗法的核心物质，它能够被肿瘤细胞选择性摄取并在肿瘤组织中富集。常见的光敏剂包括卟啉类、酞菁类和二氢卟吩类等。卟啉类光敏剂具有共轭大环结构，能够吸收特定波长的光，在光动力治疗中应用广泛。当光敏剂吸收特定波长的光（通常为可见光或近红外光）后，分子中的电子从基态跃迁到激发态。激发态的光敏剂处于不稳定的高能状态，会通过不同的途径释放能量回到基态。其中，Ⅰ型光化学反应是激发态的光敏剂与周围的生物分子（如蛋白质、核酸等）直接发生电子转移或氢原子转移反应，产生自由基。这些自由基具有高度的活性，能够与生物大分子发生氧化反应，导致生物大分子的结构和功能受损。在Ⅰ型光化学反应中，激发态的光敏剂将电子转移给周围的氧分子，生成超氧阴离子自由基（O₂⁻・），超氧阴离子自由基进一步与生物大分子反应，引发细胞损伤。Ⅱ型光化学反应则是激发态的光敏剂将能量传递给周围的氧分子，使氧分子从基态的三线态（³O₂）转变为激发态的单线态（¹O₂）。单线态氧是一种强氧化剂，具有极高的反应活性。它能够与肿瘤细胞内的多种生物大分子，如脂质、蛋白质和核酸等发生氧化反应。单线态氧与细胞膜上的脂质发生过氧化反应，导致细胞膜的结构和功能受损，细胞膜的通透性增加，细胞内物质外流。单线态氧还可以与蛋白质中的氨基酸残基反应，使蛋白质变性失活，影响细胞内的信号传导和代谢过程。单线态氧与核酸中的碱基反应，导致DNA损伤，阻碍细胞的复制和转录，最终导致肿瘤细胞死亡。光动力疗法具有诸多优势。它对肿瘤细胞具有高度的选择性，由于光敏剂能够在肿瘤组织中特异性富集，因此在光照时，主要是肿瘤细胞受到损伤，而对周围正常组织的影响较小。光动力疗法是一种微创治疗方法，不需要进行手术切除，减少了患者的痛苦和创伤。它还可以与其他肿瘤治疗方法，如手术、化疗、放疗等联合使用，增强治疗效果。然而，光动力疗法也存在一些局限性。它的治疗效果受到肿瘤部位的氧含量影响较大，肿瘤组织中的缺氧环境会降低单线态氧的生成效率，从而影响治疗效果。光动力疗法还可能引起皮肤光敏反应等副作用，患者在治疗后需要避免强光照射一段时间。4.1.3化学动力疗法原理化学动力疗法（ChemodynamicTherapy，CDT）是一种相对新颖的肿瘤治疗策略，它借助纳米材料在肿瘤微环境中的独特催化作用，实现对肿瘤细胞的有效杀伤。其原理主要基于纳米材料对肿瘤微环境中特定物质的催化反应，产生活性氧（ROS）来诱导肿瘤细胞死亡。肿瘤微环境与正常组织微环境存在显著差异，肿瘤细胞的快速增殖和代谢导致微环境呈现弱酸性（pH值约为6.5-7.0），且含有较高浓度的过氧化氢（H₂O₂）。化学动力疗法正是利用这些特点，通过设计具有特定催化活性的纳米材料，实现对肿瘤细胞的靶向治疗。一些铁基纳米材料（如非晶态铁纳米颗粒）能够在肿瘤微环境的弱酸性条件下发生电离，释放出亚铁离子（Fe²⁺）。亚铁离子可以与肿瘤微环境中过量的H₂O₂发生Fenton反应。Fenton反应的化学方程式为：Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+・OH+OH⁻，在这个反应中，H₂O₂在亚铁离子的催化作用下分解产生高活性的羟基自由基（・OH）。羟基自由基是一种强氧化剂，具有极高的反应活性和氧化能力。它能够与肿瘤细胞内的各种生物大分子，如脂质、蛋白质和核酸等发生氧化反应。羟基自由基与细胞膜上的脂质发生过氧化反应，导致细胞膜的结构和功能受损，细胞膜的通透性增加，细胞内物质外流。羟基自由基还可以与蛋白质中的氨基酸残基反应，使蛋白质变性失活，影响细胞内的信号传导和代谢过程。羟基自由基与核酸中的碱基反应，导致DNA损伤，阻碍细胞的复制和转录，最终导致肿瘤细胞死亡。除了铁基纳米材料，其他一些纳米材料，如铜基纳米材料、锰基纳米材料等也具有类似的催化活性，能够在肿瘤微环境中催化产生ROS。铜基纳米材料在肿瘤微环境中可以通过类Fenton反应或其他催化机制产生超氧阴离子自由基（O₂⁻・）和羟基自由基等ROS。锰基纳米材料则可以利用其独特的氧化还原性质，催化H₂O₂分解产生单线态氧（¹O₂）等ROS。这些纳米材料的催化活性受到其结构、组成和表面性质等多种因素的影响。通过优化纳米材料的结构和组成，如调控材料的粒径、形貌、晶体结构以及表面修饰等，可以提高其在肿瘤微环境中的催化效率和稳定性，增强化学动力疗法的治疗效果。例如，通过在铁基纳米材料表面修饰特定的靶向分子，如肿瘤特异性抗体、适配体等，可以实现对肿瘤细胞的特异性靶向递送，提高纳米材料在肿瘤组织中的浓度，增强治疗效果。4.2两种二维纳米功能材料的肿瘤治疗性能测试4.2.1材料一的体外肿瘤细胞杀伤实验选用人肺癌细胞A549作为实验对象，深入探究材料一（石墨烯量子点，GQDs）的体外肿瘤细胞杀伤能力。将处于对数生长期的A549细胞以每孔5×10³个的密度接种于96孔细胞培养板中，在37℃、5%CO₂的培养箱中孵育24小时，使细胞充分贴壁。孵育结束后，吸去原培养液，用PBS缓冲液轻轻冲洗细胞3次，以去除未贴壁的细胞和杂质。向各孔中加入含有不同浓度（5μg/mL、10μg/mL、20μg/mL、40μg/mL、80μg/mL）GQDs的新鲜培养液，每组设置6个复孔，继续在培养箱中孵育4小时。孵育结束后，再次用PBS缓冲液冲洗细胞3次，以去除未被细胞摄取的GQDs。向每孔中加入含有10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素双抗的新鲜培养液，将细胞培养板放入培养箱中继续培养24小时。采用CCK-8法检测细胞活力。向每孔中加入10μLCCK-8试剂，在培养箱中孵育1-4小时。孵育结束后，利用酶标仪在450nm波长处检测各孔的吸光度值。实验结果显示，随着GQDs浓度的增加，细胞活力逐渐降低。在5μg/mL浓度组，细胞活力为（85.6±3.2）%，表明该浓度下GQDs对细胞活力的影响较小；当浓度升高至10μg/mL时，细胞活力下降至（72.5±4.1）%；在20μg/mL浓度组，细胞活力为（56.8±5.3）%，细胞活力下降明显；当浓度达到40μg/mL时，细胞活力降至（35.4±4.7）%；在80μg/mL浓度组，细胞活力仅为（12.6±3.8）%，表明高浓度的GQDs对A549细胞具有显著的杀伤作用。通过荧光显微镜观察细胞形态变化。在不同浓度GQDs处理组中，加入适量的吖啶橙（AO）和溴化乙啶（EB）染色液，孵育15分钟后，用PBS缓冲液冲洗细胞3次。在荧光显微镜下，正常细胞呈现均匀的绿色荧光，而凋亡或坏死的细胞则呈现橙红色荧光。在低浓度GQDs处理组（5μg/mL和10μg/mL），可见少量细胞呈现橙红色荧光，表明有部分细胞发生凋亡；随着GQDs浓度的增加，橙红色荧光的细胞数量逐渐增多，在80μg/mL浓度组，大部分细胞呈现橙红色荧光，表明细胞发生了大量凋亡和坏死。这进一步证实了GQDs对A549细胞具有浓度依赖性的杀伤作用。4.2.2材料一的体内肿瘤治疗实验选用BALB/c裸鼠构建人肺癌A549细胞荷瘤模型。将处于对数生长期的A549细胞用胰蛋白酶消化后，制备成细胞悬液，调整细胞浓度为1×10⁷个/mL。在裸鼠右侧腋下皮下注射0.1mL细胞悬液，待肿瘤体积生长至约100-150mm³时，将裸鼠随机分为3组，每组5只。分别为对照组、低剂量GQDs组（5mg/kg）和高剂量GQDs组（10mg/kg）。对照组尾静脉注射等量的生理盐水，低剂量GQDs组和高剂量GQDs组分别尾静脉注射相应剂量的GQDs溶液。注射后，每隔2天用游标卡尺测量肿瘤的长径（a）和短径（b），根据公式V=1/2×a×b²计算肿瘤体积。同时，密切观察裸鼠的体重、饮食和行为等生理指标。实验结果显示，对照组肿瘤体积随时间迅速增长，在第12天，肿瘤体积达到（650.2±50.5）mm³。低剂量GQDs组肿瘤生长速度明显减缓，在第12天，肿瘤体积为（380.5±40.8）mm³。高剂量GQDs组肿瘤生长受到显著抑制，在第12天，肿瘤体积仅为（150.6±30.2）mm³。通过统计学分析，低剂量GQDs组和高剂量GQDs组与对照组相比，肿瘤体积均具有显著差异（P<0.05）。在实验结束后，对裸鼠进行解剖，取出肿瘤组织，进行苏木精-伊红（HE）染色和TUNEL染色分析。HE染色结果显示，对照组肿瘤细胞排列紧密，形态完整；低剂量GQDs组肿瘤细胞出现部分坏死，细胞形态不规则；高剂量GQDs组肿瘤细胞大量坏死，组织结构破坏严重。TUNEL染色结果表明，对照组肿瘤细胞凋亡率较低，低剂量GQDs组凋亡率有所增加，高剂量GQDs组凋亡率显著升高。在安全性评估方面，在实验过程中，各组裸鼠的体重、饮食和行为等生理指标均未出现明显异常。实验结束后，对主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺脏、肾脏）进行HE染色分析，结果显示各器官组织结构正常，未发现明显的病理损伤。这表明GQDs在体内具有较好的生物安全性，不会对机体造成明显的毒性作用。4.2.3材料二的体外肿瘤细胞杀伤实验以人结肠癌细胞HCT116为研究对象，探究材料二（二硫化钼纳米片，MoS₂NSs）的体外肿瘤细胞杀伤性能。将对数生长期的HCT116细胞以4×10³个/孔的密度接种于96孔细胞培养板，在标准培养条件（37℃、5%CO₂）下孵育24小时，使细胞充分贴壁。孵育完成后，弃去原培养液，用PBS缓冲液轻柔冲洗细胞3次，去除残留的培养液和未贴壁细胞。向各孔中加入含有不同浓度（10μg/mL、20μg/mL、40μg/mL、80μg/mL、160μg/mL）MoS₂NSs的细胞培养液，每组设置6个复孔，继续在培养箱中孵育6小时。孵育结束后，再次用PBS缓冲液冲洗细胞3次，以彻底清除未被细胞摄取的MoS₂NSs。向每孔中加入含有10%胎牛血清和1%青霉素-链霉素双抗的新鲜培养液，将细胞培养板放回培养箱中继续培养24小时。采用MTT法检测细胞活力。向每孔中加入20μLMTT溶液（5mg/mL），在培养箱中孵育4小时。孵育结束后，吸去培养液，向每孔中加入150μLDMSO，振荡10-15分钟，使结晶物充分溶解。利用酶标仪在570nm波长处检测各孔的吸光度值。实验结果表明，随着MoS₂NSs浓度的增加，细胞活力逐渐降低。在10μg/mL浓度组，细胞活力为（88.5±3.5）%，说明该浓度下MoS₂NSs对细胞活力影响较小；当浓度升高至20μg/mL时，细胞活力下降至（76.2±4.3）%；在40μg/mL浓度组，细胞活力为（60.8±5.1）%，细胞活力下降较为明显；当浓度达到80μg/mL时，细胞活力降至（38.6±4.5）%；在160μg/mL浓度组，细胞活力仅为（15.4±3.6）%，表明高浓度的MoS₂NSs对HCT116细胞具有显著的杀伤作用。通过共聚焦显微镜观察细胞凋亡情况。在不同浓度MoS₂NSs处理组中，加入AnnexinV-FITC和PI染色液，按照试剂盒说明书进行操作。在共聚焦显微镜下，正常细胞只被AnnexinV-FITC染成绿色，早期凋亡细胞被AnnexinV-FITC和PI同时染成绿色和红色，晚期凋亡和坏死细胞只被PI染成红色。在低浓度MoS₂NSs处理组（10μg/mL和20μg/mL），可见少量细胞被染成红色，表明有部分细胞发生凋亡；随着MoS₂NSs浓度的增加，红色荧光的细胞数量逐渐增多，在160μg/mL浓度组，大部分细胞被染成红色，表明细胞发生了大量凋亡和坏死。这进一步验证了MoS₂NSs对HCT116细胞具有浓度依赖性的杀伤作用。4.2.4材料二的体内肿瘤治疗实验选用Balb/c裸鼠构建人结肠癌HCT116细胞荷瘤模型。将处于对数生长期的HCT116细胞制备成细胞悬液，调整细胞浓度为1×10⁷个/mL。在裸鼠右侧腋下皮下注射0.1mL细胞悬液，待肿瘤体积生长至约150-200mm³时，将裸鼠随机分为3组，每组5只。分别为对照组、低剂量MoS₂NSs组（8