《CARBON》：Unveiling Photochemical and Photophysical Properties of Carbon Nano-Onions Towards Combined Phototherapy Applications
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为解决碳纳米材料在光疗中光物理与光化学性质不清、难以精准调控的问题，研究人员系统探究了原始与氧化碳纳米洋葱的光热转换与活性氧产生能力。研究发现表面氧化基团是活性氧生成的关键，氧化碳纳米洋葱能在近红外光下高效产生活性氧并展现高生物相容性，为发展联合光疗平台提供了新见解。
论文解读
在对抗癌症的征途中，科学家们一直在寻找能精准打击肿瘤、同时最大限度保护健康组织的“智能武器”。光疗，特别是光热疗法（Photothermal Therapy, PTT）和光动力疗法（Photodynamic Therapy, PDT），正是这样一对有前途的“组合拳”。PTT依靠能将光能高效转化为热能的材料，在激光照射下局部升温“热死”癌细胞；PDT则利用光敏材料在光照下产生活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）这类有毒化学物质来“毒杀”癌细胞。然而，找到一种既能高效产热、又能可控产生活性氧，并且自身足够安全、生物相容性好的材料，并非易事。
碳基纳米材料，如石墨烯、碳纳米管等，因其独特的光学性质曾被广泛研究，但它们往往面临尺寸不均、性能不可控或潜在毒性等问题。这时，一种结构像俄罗斯套娃、由多层富勒烯同心嵌套而成的碳材料——碳纳米洋葱（Carbon Nano-Onions, CNOs）走进了研究人员的视野。它具有尺寸均一、结构明确、生物相容性好等潜在优势。但一个核心问题尚未解决：CNOs本身，特别是其表面化学状态（是保持原始石墨化状态还是经过氧化修饰），究竟如何影响其光热转换和产生活性氧的能力？这直接决定了它是只能用作“加热器”（PTT），还是能升级为“加热器”兼“毒药工厂”（PTT+PDT）的双功能平台。
为了回答这个问题，由Julia Requena-Ramírez、Matteo Andrea Lucherelli等研究人员组成的研究团队开展了一项系统研究，相关成果发表在期刊《CARBON》上。他们决心揭开原始碳纳米洋葱（p-CNOs）与经过氧化处理、分散性更好的个性化氧化碳纳米洋葱（ox-CNOs）在光物理与光化学行为上的根本差异，评估它们用于联合光疗的潜力。
研究采用了几个关键的技术方法：
- 1.
材料合成与表征：通过高温退火纳米金刚石制备p-CNOs，并用浓硝酸氧化得到ox-CNOs，利用X射线光电子能谱（XPS）等分析其表面化学组成。
- 2.
光热性能评价：用808纳米近红外激光照射材料分散液，直接测量溶液温升，并计算光热转换效率（PCE）。
- 3.
活性氧检测与鉴定：核心方法是电子顺磁共振（EPR），结合DMPO、TMP-OH等特异性自旋捕获剂，在无细胞体系中直接、特异地检测和区分超氧阴离子（O2•-）和单线态氧（1O2）等ROS种类；同时使用荧光探针ABDA对单线态氧进行定量。
- 4.
生物相容性与细胞实验：在HeLa、A549、MCF-7、Raw 264.7四种细胞系中，通过检测ATP的发光法评估材料细胞毒性，避免了材料自身吸光度对传统比色法的干扰。
- 5.
细胞内在化与定位：将ox-CNOs用荧光染料Cy3.5标记，通过共聚焦显微镜观察其在HeLa细胞内的摄取和亚细胞定位（与溶酶体共定位）。
- 6.
体外光疗效果评估：在HeLa细胞模型中，分别进行PTT和PDT实验。PTT通过照射后检测细胞活力评估；PDT则结合流式细胞术和共聚焦显微镜，使用Si-DMA、DHE、H2DCF-DA等特异性荧光探针，检测细胞内由光照产生的不同种类ROS。
研究结果
1. 碳纳米洋葱的光热性能
研究测量了p-CNOs和ox-CNOs在不同浓度下的光热升温曲线。两者在近红外光照射下都能有效升温，但表现有所不同。在50 μg/mL浓度下，p-CNOs分散液能产生更高的绝对温升（ΔT 为 31.7 °C），而ox-CNOs为 24.5 °C。然而，计算出的光热转换效率（PCE）却显示ox-CNOs（约59.76%）显著高于p-CNOs（约38.60%）。这种看似矛盾的现象源于氧化处理带来的双重效应：虽然略微降低了材料的光吸收，但极大地提高了纳米颗粒在水中的分散性和稳定性，减少了团聚，增加了与溶剂接触的有效表面积，从而增强了热交换效率。这意味着，氧化处理通过改善材料的分散状态，提升了其将吸收的光能转化为热能的内在效率。
2. 活性氧的检测与定量
这是本研究的核心发现之一。利用EPR技术，研究人员清晰地揭示了两种CNOs在产生活性氧方面的根本差异。
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ox-CNOs是ROS的“生产者”：在近红外光照射下，ox-CNOs能与DMPO自旋捕获剂反应，产生特征性的DMPO-OH加合物信号，表明产生了超氧阴离子（O2•-）。同时，利用TMP-OH捕获剂检测到了单线态氧（1O2）的信号。通过荧光探针ABDA进一步定量，计算出ox-CNOs每克材料可产生31.5 μmol的单线态氧。
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p-CNOs是ROS的“沉默者”：在相同条件下，p-CNOs不产生任何可检测到的ROS信号。
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表面氧化基团是关键：研究明确指出，表面的含氧官能团（如羧基、羟基）是ROS产生的必要条件。没有这些基团的p-CNOs不具备光动力活性。
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两种ROS的产生机制不同：一个有趣的发现是，通过对比单纯加热（模拟光热效应）和光照实验，研究人员提出，超氧阴离子的形成可以由表面加热促进（热催化），而单线态氧的产生则主要由光诱导（能量转移）。在近红外光照射下，这两种机制可以同时起作用。
3. 碳纳米洋葱的生物相容性评估
在多种细胞系（包括癌细胞系HeLa、A549、MCF-7和巨噬细胞Raw 264.7）中进行的细胞毒性测试表明，p-CNOs和ox-CNOs在宽浓度范围（1-100 μg/mL）内都表现出良好的生物相容性。在较高浓度（50和100 μg/mL）下，虽然观察到细胞活力有所下降，但未达到剧烈细胞毒性水平。其中，巨噬细胞Raw 264.7对纳米颗粒更为敏感，这与其活跃的吞噬功能相符。总体上看，两种材料在生物安全性方面没有显著性差异，适合后续的生物应用。
4. 细胞摄取与细胞内定位
为了观察材料如何进入细胞、去往何处，研究人员将ox-CNOs用荧光染料Cy3.5进行标记。共聚焦显微镜成像显示，ox-CNOs-Cy3.5能被HeLa细胞有效内化，并主要定位于溶酶体中（与溶酶体标记物共定位系数高达0.71）。细胞形态保持完整，进一步证实了其良好的生物相容性。材料主要分布在细胞质区域，未进入细胞核。
5. 光热与光动力特性在光疗中的应用
最后，研究在HeLa细胞模型上验证了两种CNOs的体外光疗效果。为了避免p-CNOs因团聚在洗涤后残留造成的非特异性热效应，研究使用了牛血清白蛋白（BSA）分散的p-CNOs@BSA进行对比。
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光热/光动力联合治疗效应：经过近红外光照射后，与未照射组相比，ox-CNOs处理组的细胞活力下降更为显著（降至约63%），而p-CNOs@BSA组的下降幅度较小（降至约85.4%）。这表明ox-CNOs在光照下同时发挥了光热和光动力杀伤作用，而p-CNOs主要贡献光热效应。
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细胞内ROS验证：通过流式细胞术，研究人员使用特异性荧光探针直接在照射后的活细胞中检测ROS。结果证实，只有ox-CNOs在照射后能显著增加细胞内单线态氧和超氧阴离子的水平，而p-CNOs@BSA则不能。共聚焦显微镜成像进一步展示了照射后ox-CNOs处理细胞内，单线态氧（呈点状分布，可能与纳米颗粒定位有关）和超氧阴离子（呈弥散分布）信号的特异性增强。
研究结论与意义
本研究系统揭示了碳纳米洋葱的光物理与光化学性质，明确了其表面化学状态对其光疗功能的决定性影响。主要结论如下：
- 1.
光热性能可调：氧化处理虽然可能略微降低CNOs的光吸收，但通过显著改善其分散性，反而能够提高其光热转换的内在效率（PCE）。分散性更好的ox-CNOs展现出与金纳米棒、氧化石墨烯等相当的高PCE。
- 2.
光动力性能有無，氧化是关键：表面氧化基团是CNOs产生活性氧的必要条件。氧化的CNOs（ox-CNOs）能在近红外光照射下同时产生超氧阴离子和单线态氧，而原始的CNOs（p-CNOs）完全不产生ROS。这为根据需要选择“纯”光热剂或“光热+光动力”双功能剂提供了清晰依据。
- 3.
揭示了ROS产生的双重机制：研究提出并初步验证，ox-CNOs产生的两种主要ROS可能有不同触发机制：超氧阴离子的形成可由（光热转换导致的）表面加热促进，而单线态氧的生成则直接由光诱导。这统一并深化了对碳纳米材料光化学行为的理解。
- 4.
证实了生物应用潜力：两种CNOs在多种细胞系中均表现出高生物相容性，且ox-CNOs能被细胞有效内化并定位于溶酶体。体外光疗实验证明，ox-CNOs能通过联合光热和光动力效应，更有效地杀伤癌细胞。
这项研究的意义在于，它不仅为碳纳米洋葱这一特定材料在生物医学，尤其是癌症光疗领域的应用提供了坚实的理论基础和实验依据，更在于其研究范式——通过精密的物理化学手段（如EPR）在无细胞层面厘清机制，再在细胞层面验证功能——为理性设计功能化的碳基纳米治疗平台树立了典范。它告诉我们，通过对碳材料表面化学的简单修饰（如氧化），就能像开关一样控制其是否具备“投毒”（产生活性氧）的能力，从而为实现更精准、更高效、副作用更低的联合光疗策略开辟了新的道路。
