基于碳的纳米材料的光物理和光化学性质在光驱动的生物医学应用中起着关键作用。[1] 具有扩展sp2-共轭网络的材料能够高效吸收近红外（NIR）光并将其转化为热能，从而实现光热疗法（PTT）。当存在合适的电子态和表面化学性质时，照射还可以诱导活性氧物种（ROS）的生成，实现光动力疗法（PDT）。光能转化为热能的同时产生ROS，使得这两种疗法可以结合使用。
碳纳米洋葱（CNOs），也被称为类洋葱碳纳米粒子或多层富勒烯，是一种具有同心马祖卡结构的碳同素异形体。[2] 它们最初由伊吉玛（Iijima）在1980年的碳烟尘颗粒中鉴定出来，[3] 乌加特（Ugarte）于1992年报道了在高强度电子束电压下的合成方法。[4] 它们的多层石墨结构赋予了高机械稳定性以及优异的热导率和电导率。[2] 这些特性使得CNOs成为广泛应用于储能和超级电容器[5],[6]、摩擦学[7]以及纳米医学的材料，因为它们具有生物相容性和可生物降解性。[8]
CNOs的结构和形态特征强烈依赖于合成方法，这决定了颗粒大小、壳层数量、石墨化程度以及是否存在残留核心。[8],[9] 最常见的生产方法是纳米钻石（NDs）的热退火，该方法在真空或惰性气氛中于800°C以上温度下进行。[10] 这是一种最具成本效益的大规模生产方法，适用于潜在的工业应用，[2],[11] 而NDs向CNOs的转化程度受退火温度控制，尤其是在1500°C左右时，可以生成完全石墨化的或部分转化的CNOs。[12] 这些结构差异影响了最终材料的物理化学和界面性质，预计会影响其光热转化效率和ROS生成行为。
基于碳的纳米材料（CNMs）由于其可调的表面化学性质、可控的功能化以及相对较低的免疫原性，在纳米医学领域受到广泛研究。[13],[14] 与其他纳米材料（如金属纳米粒子和低维纳米材料）相比，CNMs通常表现出更好的光稳定性和生物降解性。[15],[16] CNOs还具有其他CNMs所不具备的优势，例如更窄且可重复的颗粒大小分布和形态[17],[18]，以及较小的尺寸和明确的晶体结构（不同于碳点），并且具有良好的生物相容性。[19] 这些特性使得CNOs成为合理设计的光响应纳米平台的理想候选材料。
基于这些考虑，CNOs完全石墨化的多层sp2结构表明其具有强的NIR吸收能力和高效的光热转化能力，类似于碳纳米管（CNTs）、石墨烯和氧化石墨烯（GO）以及碳点（CDs）。此外，氧化形式的CNMs（如GO和CNTs）在近红外（NIR）照射下表现出光化学性质，能够在局部光诱导的光动力疗法（PDT）中用于癌症治疗。[20],[21] 类似地，CNOs的光热和光动力响应可以通过氧化状态、个体化程度和表面化学性质进行精细调节。
然而，关于CNOs的光物理和光化学行为的系统研究仍然很少。关于光热性质的报道有限，且通常涉及含有ND核心的部分转化CNOs，[22],[23],[24]，这限制了材料的设计和推进临床应用的策略的发展。尽管已经有很多研究致力于功能化CNOs在生物成像和药物递送方面的应用，但对于原始CNOs的基本研究以及原始形式与氧化形式之间的系统比较仍然不足。同样，对其光热和光动力性质的全面研究也尚未开展。[8],[25],[25],[26]
在这里，我们报告了完全转化CNOs的光物理和光化学性质的基本知识，揭示了它们的光热性能和ROS生成机制，并强调了原始CNOs与氧化改性CNOs之间的差异。通过使用NIR照射下的电子顺磁共振（EPR），我们强调了表面化学对ROS生成的重要性，证明不同的刺激（NIR照射或加热）可以产生不同的ROS物种。我们将这些发现应用于p-CNOs与ox-CNOs的生物学效应的广泛比较，研究了它们在不同细胞系中的细胞毒性，并体外验证了PTT和PDT应用的潜力和不同影响（见图1）。流式细胞术和共聚焦激光扫描显微镜的使用使我们能够进行广泛的体外ROS分析及其在细胞中的特异性检测，从而扩展了我们对这一基本现象的认识。
