当二维材料遇到光学疗法

英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov关于石墨烯（graphene）的开创性研究工作不仅给他们带来了2010年的诺贝尔物理学奖，也开启了二维材料（2D materials）的研究热潮。受石墨烯研究的启发，越来越多的具有不同物理和化学性质的单层或多层二维材料，如六方氮化硼（h-BN）、黑磷（black phosphorus，BP）、金属及其氧化物（Metals and Metal oxides）、层状双氢氧化物（LDHs）、过渡金属碳化物/碳氮化物（MXenes）、过渡金属硫族化合物（TMDs）等，已经被成功制备和表征出来了。而作为二维材料界冉冉升起的一颗新星，关于黑磷纳米薄片（black phosphorus nanosheet）的研究备受瞩目。

图1. 一些典型的超薄二维纳米材料，如石墨烯（Graphene）、六方氮化硼（h-BN）、黑磷（BP）、金属（Metals）、氧化物（Oxides）、层状双氢氧化物（LDHs）、过渡金属碳化物/碳氮化物（MXenes）、共价有机框架（COFs）、金属有机框架（MOFs）、过渡金属硫族化合物（TMDs）。图片来源：DOI: 10.1021/acsnano.5b05040

黑磷是磷单质的多种同素异形体中密度最大、热力学最稳定、化学性质最不活泼的一种；一般由白磷（化学性质活泼，着火点较低，易自燃；工业上用于制备高纯度磷酸，军事上用来制造燃烧弹等）在高温高压下转化得到。并且，与常见的白磷和红磷不同，而类似于石墨烯的片层状结构，黑磷晶体是由位于两个位面的波浪形磷原子构成；面内相邻磷原子靠P-P键、面与面之间靠范德华力结合在一起。

图2. 磷单质的几种同素异形体及黑磷的结构。图片来源：wikipedia

由于黑磷特殊的物化性质，世界各地的研究人员正在凭借他们的聪明才智和辛勤的劳动致力于推进基于黑磷纳米薄片的功能性二维材料的构筑。2014年3月2日的《Nature Nanotechnology》在线报道了复旦大学张远波教授和中国科学技术大学陈仙辉教授及其同事们完成的利用二维黑磷材料制备场效应晶体管的工作（DOI:10.1038/NNANO.2014.35）。根据Google Scholar的统计，截至2015年9月29日，这篇文章已经被引用457次——这也从一定程度上反映了当前二维黑磷材料研究的火热程度。

图3. 基于多层黑磷晶体的场效应晶体管。图片来源：DOI:10.1038/NNANO.2014.35

除了应用于制备电子器件外，具有优良性能的二维材料已经被广泛的用于催化（如MoS2和WS2用于电催化产氢）、能量存储（如石墨烯用于电极填充材料）、和生物医用（如石墨烯及氧化石墨烯用于检测探针、药物载体）等领域。近年来，石墨烯（DOI：10.1038/ncomms5596；10.1002/am504071z）和MoS2（DOI: 10.1002/smll.201501655）等一些二维材料中的明星分子都已经被报道用作某些疾病的光热（Photothermal therapy，PTT）及光动力学疗法（Photodynamic therapy，PDT）；然而，目前文献上报道的关于二维黑磷单晶材料的研究，基本上还都集中于其物理和电子传输特性——其化学和生物应用却很少被专门研究。

图4. 石墨烯及MoS2应用于肿瘤成像、基因和药物传输、光热及光动力学疗法。图片来源：DOI: 10.1002/am504071z; 10.1002/smll.201501655

针对这一问题，并且利用二维黑磷材料优越的光物理性质，中国科学技术大学的谢毅教授及其合作者在2015年8月18日的《Journal of the American Chemical Society》上发表了一篇利用可见光辐照超薄黑磷纳米片产生单线态氧（singlet oxygen；1O2）进行肿瘤光动力学疗法的工作（DOI:10.1021/jacs.5b06025）。

图5. 二维黑磷纳米薄片的制备及表征。图片来源：DOI:10.1021/jacs.5b06025

文章报道了通过超声机械剥离制备二维黑磷纳米薄片的方法；并利用透射电镜、原子力显微镜、高角度环形暗场扫描透射电镜、拉曼光谱等手段详细表征了黑磷纳米薄片的结构。随后的研究显示，在可见光照射下，黑磷纳米薄片具有很强的单线态氧生成能力——更为重要的是，与传统的光敏试剂（photosensitizer；包括有机光敏试，如亚甲基蓝、曙红等；金属有机光敏试剂；无机光敏试剂，如富勒烯、金属氧化物纳米粒子等）相比，二维黑磷纳米薄片具有良好的溶剂分散性（水、丙酮、醇类、NMP、DMF等）、相对较高的单线态氧量子产率（约为0.91）、较高的光稳定性、较低的细胞毒性、生物可降解性（在水中降解成磷酸根和亚磷酸根等小分子产物）及较高的生物相容性等诸多优势。

图6. 二维黑磷纳米薄片用于肿瘤光动力学疗法的效果评价。图片来源：DOI:10.1021/jacs.5b06025

在详细地研究了二维黑磷纳米薄片的物理化学性质之后，研究者们又通过皮下注射的方法将二维黑磷材料溶液注射进荷瘤裸鼠体内，并于注射后12小时用660纳米的激光照射肿瘤部位20分钟以产生单线态氧，用以评价二维黑磷材料作为光敏试剂通过光动力学疗法抑制肿瘤生长的效果。随后在16天内连续的跟踪实验显示，与对照组（注射磷酸盐缓冲溶液，或者注射二维黑磷纳米薄片、但不接受光辐照）相比，注射了二维黑磷纳米薄片、并且接受光辐照的实验组小鼠体内肿瘤的生长被明显地抑制了。

紧随其后，8月21日的《Angew. Chem. Int. Ed.》在线报道了来自中国科学院深圳先进技术研究院、深圳大学、香港城市大学的研究者们关于利用超小黑磷量子点（ultrasmall black phosphorus quantum dots）进行肿瘤光热治疗的工作（DOI: 10.1002/anie.201506154）。

首先，研究者们通过多步超声的方法制备出了超小黑磷量子点；随后利用溶剂交换及静电络合的途径，将带正电荷的氨基改性的聚乙二醇（PEG-NH2）非共价的修饰到分散于水相中的黑磷量子点上面。

图7. 聚乙二醇修饰的超小黑磷量子点的制备方法。图片来源：DOI: 10.1002/anie.201506154

在完成了基本结构和性能的表征之后，研究者们利用808纳米的近红外激光照射超小黑磷量子点的水溶液，以研究其光热转换性能。研究发现，在一定浓度范围及辐照时间内，水溶液的温度随着黑磷量子点浓度及辐照时间的增加而显著增加。随后的细胞实验也进一步证明，利用超小黑磷量子点优异的光热转换性能，可以非常有效的杀死一些常见的肿瘤细胞。

图8. 超小黑磷量子点的光热转换性能，以及利用超小黑磷量子点作为光热试剂对肿瘤细胞的杀伤效果。图片来源：DOI: 10.1002/anie.201506154

可以预见，一方面，随着新型的检测和表征手段的发展和应用，对现有的二维材料的进一步研究很有可能会帮助我们发现一些新的物化性质；另一方面，随着合成和分离技术的优化和创新，同样能够使我们制备出具有奇特性质的新型二维材料。而将来更深入地发掘这些二维材料的独特属性，必然会使其在物理（如电子器件制造）、化学（如催化反应）、生物（如疾病诊疗）等领域具有广阔的应用前景。

（作者：木子）