Vooruitgang en uitdagingen van fluorescerende nanomaterialen voor synthese en biomedische toepassingen

Synthese van fluorescerende nanomaterialen

Kwantumpunten (halfgeleiderkristallen)

Quantum dots (QD's) waren de onderzoeksplek in de afgelopen decennia vanwege hun brede absorptie- en symmetrische fotoluminescentiespectra, hoge kwantumopbrengst, hoge weerstand tegen fotobleken, hoge molaire extinctiecoëfficiënten en grote effectieve Stokes-verschuivingen [8]. In termen van het vormingsmechanisme van QD's, wanneer ladingsdragers (elektronen en gaten) worden beperkt door potentiële barrières voor bepaalde regio's, vertonen halfgeleiders dramatische kwantumgrootte-effecten, wat resulteert in de verschuiving van het absorptiespectrum en het fluorescentiespectrum. De kleine gebieden zijn kleiner dan de de Broglie-golflengte van de ladingsdragers, of equivalent, de nanokristaldiameter is minder dan tweemaal de Bohr-straal van excitonen in het bulkmateriaal [9]. Wanneer de ladingsdragers worden opgesloten door potentiële barrières in drie ruimtelijke dimensies, worden QD's gevormd, die voornamelijk bestaan ​​uit atomen uit de groepen II-VI (CdSe, ZnS), III-V (GaAs, InP) of IV-VI (PbS, PbSe).

De synthese van QD's werd voor het eerst gerapporteerd in 1982 [10, 11]. Nanokristallen en microkristallen van halfgeleiders werden gekweekt in glasmatrices. Met de ontwikkeling van fluorescerende materialen zijn QD's bereid met verschillende methoden, zoals directe adsorptiemethode, linker-geassisteerde adsorptiemethode, situ-methoden en de combinatie van eerdere bereidingsmethoden. De combinatie van eerdere methoden omvat een combinatie van geprepareerde halfgeleiders met QD-precursors en een combinatie van eerder geprepareerde QD's met halfgeleiderprecursoren, waarbij de halfgeleiders of QD's afzonderlijk worden geprepareerd [12].

Na een reeks onderzoeken naar de synthese van QD's, rapporteerden veel onderzoekers de studie van fluorescerende eigenschappen van QD's. Bawendi et al. heeft de QD's gesynthetiseerd met smalle grootteverdelingen door het introduceren van halfgeleiderprecursoren zoals cadmiumsulfide (CdS), cadmiumselenide (CdSe) of cadmiumtelluride (CdTe) om de grootteafhankelijke optische eigenschappen van QD's te onderzoeken [13]. Sindsdien is CdSe de meest voorkomende chemische samenstelling van QD's geworden, en een verscheidenheid aan oppervlaktemodificaties [14,15,16] of beschermende anorganische schil [13, 17] is gebruikt om colloïdale stabiliteit te geven.

Koolstofstippen

Carbon dots (CD's) zijn opkomende nanomaterialen in de nanokoolstoffamilie met afmetingen van minder dan 10 nm, die voor het eerst werden verkregen bij de zuivering van enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) door elektroforese in 2004 [18]. Het is opmerkelijk dat cd's geleidelijk halfgeleider-kwantumdots vervangen op grond van hoge oplosbaarheid in water, lage cytotoxiciteit, hoge fotostabiliteit, excitatie-afhankelijke meerkleurige emissie, bij voorkeur flexibiliteit in oppervlaktemodificatie, uitstekende celpermeabiliteit en betere biocompatibiliteit [19, 20]. Over het algemeen bestaan ​​de cd's voornamelijk uit carbon quantum dots (CQD's) en grafeen quantum dots (GQD's). Een massa synthetische methoden voor cd's met afstembare formaten kan grofweg worden onderverdeeld in twee hoofdgroepen:chemische methoden en fysische methoden [21].

Chemische synthetische methoden

Chemische synthetische methoden worden het meest gebruikt bij de bereiding van koolstofdots omdat de resulterende CD's uitstekende eigenschappen bezitten, zoals superieure oplosbaarheid in water, chemische inertie, lage toxiciteit, gemak van functionalisering en weerstand tegen fotobleken. Over het algemeen omvatten chemische synthetische methoden elektrochemische synthese [22, 23], zure oxidatie [24, 25], hydrothermische carbonisatie [26], microgolf-geassisteerde/ultrasone behandeling [27,28,29], oplossingschemische methoden [30], ondersteunde synthese [31], enz.

Van de vele synthetische methoden is elektrochemische synthese de afgelopen decennia herhaaldelijk gerapporteerd. Zhao's groep rapporteerde een nieuwe methode voor het bereiden van cd's met lage cytotoxiciteit door middel van elektro-oxidatiesynthese, waarbij de cd's werden bereid door een grafietkolomelektrode te oxideren tegen een verzadigde calomelelektrode met een Pt-draadtegenelektrode in NaH₂ PO₄ waterige oplossing [22]. Het supernatant werd vervolgens ultragefilterd door centrifugale filterapparaten om de CD's te verkrijgen met respectievelijk blauwe en gele fluorescentie. Een andere directe elektrochemische benadering werd onlangs gerapporteerd door Qu et al., voor de GQD's met een uniforme grootte van 3-5 nm door elektrochemische oxidatie van een grafeenelektrode in fosfaatbufferoplossing [23]. De fotoluminescente (PL) kleur van deze deeltjes was groen.

Mao et al. voltooide de verbrandingsoxidatiesynthese van cd's in 2007 door kaarsroet te mengen met een oxidatiemiddel, gevolgd door reflux, centrifugatie en dialyse om de cd's te zuiveren. De geprepareerde fotoluminescentiespectra van CD's hebben een breed kleurbereik, met emissiepiekgolflengten variërend van 415 (violet) tot 615 nm (oranje-rood). Vervolgens werden de verkregen CD's verder onderworpen aan polyacrylamidegelelektroforese om de CD's met verschillende optische karakteriseringen te scheiden. Zure oxidatie is ook op grote schaal gebruikt voor de bereiding van stabiele nanomaterialen zoals koolstofstippen. Na de zuurbehandeling van koolstofnanobuisjes/grafiet en refluxen, vertoonden de resulterende CD's van 3-4 nm een ​​geelbruine transparante vloeistof die heldergele fluorescentie uitstraalde onder ultraviolet licht en vrij stabiel was in zoutoplossing. Hierdoor hadden cd's met langegolf (geel/oranje/rood) fluorescentie een betere penetratie. De CD-oplossing is lang houdbaar bij kamertemperatuur en er worden geen precipitaten gevormd die het fluorescentieverlies veroorzaken [25].

Microgolf/ultrasone synthese is geleidelijk en voornamelijk een ondersteunende synthetische technologie geworden in het syntheseproces [32]. Fluorescerende cd's, met een diameter van 3-5 nm, werden door Xiao's groep gesynthetiseerd via een economische, snelle en groene microgolf-ondersteunde benadering [33]. Het meest opvallende kenmerk van deze eenstapsbenadering was dat zowel de vorming als de functionalisering van CD's gelijktijdig werden voltooid door de microgolfpyrolyse die voor het eerst werd afgeleid van de ionische vloeistoffen [34]. Het reactieproces vond plaats in een magnetron met goedkope ionische vloeistoffen als koolstofbron en de oplossing veranderde van kleurloos in donkerbruin naarmate de reactietijd vorderde [35]. Tang et al. gebruikte een ultrasone methode op basis van glucose of actieve koolstof als koolstofbron om monodisperse in water oplosbare cd's te synthetiseren. Ze straalden heldere en kleurrijke fluorescentie uit [28]. Evenzo Vanesa Romero et al. verkregen sterk fluorescerende stikstof (N) en zwavel (S) co-gedoteerde koolstofstippen (CD's) na fotochemische oxidatie van de koolhydraten in groenten. De co-doping van N en S verhoogt het aantal actieve plaatsen op het oppervlak van de CD's, waardoor de luminescentieprestaties worden verbeterd [36]. Met stikstof gedoteerde koolstofkwantumdots (NCQD's), een fluorescerende sonde, werden met succes toegepast voor de bepaling van doxycycline [37]. Pathak et al. bereidde ook co-gedoteerde koolstofstippen met stikstof en zwavel (NSCD's), die werden gesynthetiseerd uit thioureum en tris-acetaat-ethyleendiaminebuffer door middel van een hydrothermische microgolfmethode. De NSCD's werden in gebruik genomen om verschillende pathogene bacteriën en menselijke buccale epitheelcellen in beeld te brengen dankzij meerkleurige fluorometrie [38].

Aangezien de meeste van de bovengenoemde synthetische methoden sterk zuur, verschillende gecompliceerde experimentele stappen en verdere modificaties met andere verbindingen nodig hadden om de oplosbaarheid in water van de CD's te verbeteren en hun fotoluminescentie-eigenschap te verbeteren, maakten sommige onderzoeksteams gebruik van de hydrothermische carbonisatie van fotoluminescentie van koolhydraten, zoals chitosan, glucose, citroenzuur, enz. om de complexe en tijdrovende zuiverings- en functionaliseringsprocessen te vermijden [39]. Yang et al. beschreef een eenstaps synthetische methode voor sterk amino-gefunctionaliseerde fluorescerende cd's met een kwantumopbrengst (QY) van 7,8% door hydrothermische carbonisatie van chitosan bij een milde temperatuur. Voor deze methode was noch een sterk zuur oplosmiddel noch een oppervlaktepassiveringsreagens nodig. Bovendien verbeterden de functionele groepen op het oppervlak van de CD's hun oplosbaarheid in water en verminderden hun potentiële biotoxiciteit [26]. De multi-gedoteerde koolstofdots (MCD's), met heldere en kleurafstembare emissie, werden gesynthetiseerd door een eenpotsmethode zonder enige verdere oppervlaktepassivering. De gesynthetiseerde MCD's werden gedoteerd met overvloedige biogene elementen (O, N, P) en vertonen daarom sterke fluorescentie-emissie en excitatie-golflengte-afhankelijke kenmerken, goede oplosbaarheid in water, hoge optische stabiliteit en ionenstabiliteit. De MCD's kunnen niet alleen selectief en gevoelig Fe ³⁺ . detecteren onder blauw licht van detectie bij 15,9 nm, maar meet ook de intracellulaire Fe ³⁺ via meerkleurige fluorescentiebeeldvorming [40].

Voor oplossingschemische methoden is oxidatieve condensatie van arylgroepen de afgelopen decennia met succes toegepast bij de bereiding van GQD's. Stabiele colloïdale GQD's met gewenste afmetingen en structuren werden geproduceerd door Li's groep met een oplossingsstrategie. Deze methode zorgde voor afstembaarheid van de grootte en een smalle grootteverdeling van cd's zonder enig onpraktisch scheidingsproces voor grootte [30]. Als het gaat om de ondersteunde synthetische procedure, hebben een aantal onderzoeksteams er gebruik van gemaakt om de synthese van monodisperse nanomaterialen zoals cd's in nanoformaat te voltooien. Zhu's groep gebruikte mesoporeuze silica (MS) bollen als nanoreactoren en citroenzuur als de koolstofprecursor en hydrofiele cd's met een grootte van 1,5-2,5 nm werden bereid met een impregnatiemethode. De CD's met een hoge fotoluminescentie-efficiëntie van 23% waren in staat om sterke blauwe luminescentie uit te zenden en hadden uitstekende conversieluminescentie-eigenschappen [31]. Heldergele emitterende koolstofstippen (Y-CD's) werden bereid door Yan et al. via de solvothermische methode, met watervrij citroenzuur als koolstofbron en 2,3-fenazinediamine als stikstofbron. De Y-CD's met overvloedige carboxylgroepen vertoonden een respectabele fluorescentiequantumopbrengst (24%), 188-nm Stokes-verschuiving, hoge gevoeligheid en uitstekende stabiliteit [41]. De synthetische methoden en eigenschappen van cd's worden weergegeven in tabel 1.

Fysische synthetische methoden

Over het algemeen omvatten fysische synthetische methoden voornamelijk boogontlading, laserablatie/passivering en plasmabehandeling. Xu en collega's oxideerden het boogontladingsroet met HNO₃ en scheidde vervolgens de suspensie door gelelektroforese in SWCNT's. Uiteindelijk isoleerden ze de snel bewegende band van zeer fluorescerende nanodeeltjes van koolstofstippen [18]. Cd's met nano-koolstofmaterialen als voorloper en een milieuvriendelijk oplosmiddel als vloeibaar medium werden bereid door Li et al. via een milde laserablatiebenadering [44]. Bovendien toonden Gokus en collega's aan dat het gebruik van zuurstofplasma de sterke fluorescentie in enkellaags grafeen zou kunnen induceren [45].

Koolstof nanodeeltjes

Fluorescerende koolstofnanodeeltjes, met hun verminderde cytotoxiciteit, weerstand tegen fotobleken en verhoogde biocompatibiliteit, trekken steeds meer aandacht voor bioimaging en andere biomedische toepassingen. Vergeleken met de typische afmetingen van koolstofdots binnen 1-6 nm, zijn de afmetingen van koolstofnanodeeltjes meer dan 20 nm, wat de moeite bespaart om te scheiden, te zuiveren en te verzamelen [46]. Synthesemethoden voor koolstofnanodeeltjes zijn vergelijkbaar met koolstofstippen, waaronder hydrothermische carbonisatie, microgolfbehandeling, chemische ablatiemethode en laserablatie. Deze methoden hebben hun eigen voordelen, maar kunnen de grootte van nanodeeltjes niet effectief beheersen. Elektrochemische carbonisatie is een eenstapsmethode die de grootte en luminescentie-eigenschappen van koolstofnanodeeltjes kan regelen. Helaas zijn er maar zeer weinig substraten beschikbaar voor deze methode. Op dit moment zijn er enkele nieuwe intrigerende methoden gerapporteerd, zoals de fosforpentoxide-verbrandingsmethode [47].

De laatste jaren worden koolstofnanodeeltjes die geschikt zijn voor biomedische toepassingen, gesynthetiseerd met aangepaste methoden. Santu et al. loste de synthese op van rode fluorescerende koolstofnanodeeltjes van hoge kwaliteit door gecontroleerde carbonisatie van resorcinol [48]. Deze benadering omvat oxidatieve fenolkoppeling geassocieerd met uitdroging om rode fluorescerende koolstofnanodeeltjes te vormen. Anara et al. gesynthetiseerde fluorescerende koolstofnanodeeltjes met een kwantumopbrengst van 6,08% met behulp van een gemodificeerde hydrothermische methode. Vergeleken met de conventionele methoden die een lange thermische behandeling tot enkele uren vereisen, verkortte deze methode de reactietijd tot minder dan 30 min, waardoor de snelle synthese van fluorescerende koolstofnanodeeltjes werd gerealiseerd [46].

Koolstofnanobuisjes

Eendimensionale (1D) koolstofnanobuisjes hebben op biomedisch gebied enorm veel aandacht gekregen vanwege hun uitstekende elektronische en optische eigenschappen. Koolstofnanobuizen kunnen worden onderverdeeld in enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) en meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNT's) volgens het aantal cilindrische grafeenlagen. Terwijl SWCNT's zijn samengesteld uit een enkele laag grafeenplaat die in een cilinder is gerold, omvatten MWCNT's verschillende concentrische lagen grafeenplaat. De buitendiameter van koolstofnanobuisjes is minder dan 100 nm, maar hun lengte kan oplopen tot enkele millimeters, wat leidt tot een zeer hoge aspectverhouding en een groot oppervlak [49]. Bovendien vormt de unieke rangschikking van koolstofatomen in koolstofnanobuisjes een rijke π-elektronenconjugatie buiten de nanobuis [50]. Bovendien zijn koolstofnanobuisjes begiftigd met sterke absorptie en fluorescentie in het NIR-gebied [51]. Al deze eigenschappen dragen bij aan een effectieve interactie met biomoleculen, waardoor koolstofnanobuisjes een ideale kandidaat zijn voor biomedische toepassingen.

Synthetische methoden hebben grote invloed op de diameter, lengte, structuur, chiraliteit en kwaliteit van koolstofnanobuisjes, en ondertussen moet worden bekeken of deze methode geschikt is voor grootschalige productie. Veelgebruikte methoden zijn onder meer boogontlading [52], laserablatie [53] en chemische dampafzetting [54]. Bovendien moeten koolstofnanobuisjes worden gefunctionaliseerd om hun oplosbaarheid te verbeteren en te voorkomen dat ze aggregeren in oplosmiddelen en biologische media. Covalente functionalisering zou defecten in de structuur van koolstofnanobuisjes introduceren, wat zou leiden tot een dramatische afname of zelfs volledig verlies van hun NIR-fluorescentie. Niet-covalente functionalisering met amfifiele moleculen zoals polymeren zou de structuur en fluorescerende eigenschappen van koolstofnanobuizen behouden, maar de QY van koolstofnanobuizen verlagen. Om deze obstakels te overwinnen, zijn onlangs nieuwe methoden gerapporteerd voor het synthetiseren en functionaliseren van koolstofnanobuizen. Lee et al. rapporteerde dat de toevoeging van dithiothreitol, dat een reductiemiddel is, voor het eerst de fluorescerende QY van SWCNT's kan verbeteren, wat resulteert in fluoroforen met een helderheid die equivalent is aan die van QD's [55]. Hou et al. onderzocht de toevoeging van dithiothreitol aan SWCNT's gefunctionaliseerd met een verscheidenheid aan oppervlakteactieve stoffen. Voor DNA- en SDS-omhulde SWCNT's nam de fluorescerende QY ervan significant toe, terwijl fluorescentie-uitdoving in verschillende mate werd waargenomen voor andere oppervlakteactieve stoffen [56]. Als gevolg hiervan is de toevoeging van dithiothreitol aan DNA- of SDS-omhulde SWCNT's haalbare oplossingen om de toepassing van koolstofnanobuisjes in de biogeneeskunde te bereiken.

Op grafeen gebaseerde nanomaterialen

Als tweedimensionale koolstofnanomaterialen zijn grafeen en zijn derivaten op grote schaal onderzocht voor een reeks biomedische toepassingen zoals bioimgaing en medicijnafgifte. Grafeen nanomaterialen omvatten grafeen nanosheet, grafeenoxide (GO) en gereduceerd grafeenoxide (rGO) nanosheet. Ze hebben grote oppervlakten en unieke oppervlakte-eigenschappen die niet-covalente interacties met kleurstofmoleculen, biomoleculen en in water onoplosbare geneesmiddelen mogelijk maken. Veel onderzoekers hebben verschillende bereidingsmethoden voor grafeen gerapporteerd sinds het voor het eerst in 2004 met succes werd bereid. Synthetische methoden van grafeen-nanomaterialen kunnen worden ingedeeld in twee categorieën, de top-down en de bottom-up.

Top-down methoden omvatten de isolatie van gestapelde grafietlagen om grafeenvellen te vormen, waaronder mechanische exfoliatie [57], exfoliatie op basis van oplosmiddelen [58] en elektrochemische exfoliatie [59]. Gu et al. heeft systematisch ultrasone exfoliatie op basis van oplosmiddelen bestudeerd en ontdekte dat ultrasone golven een goed exfoliërend effect hebben. Ze kunnen ook de grootte en dikteverdeling van grafeenplaten beïnvloeden, wat een beheersbare synthese mogelijk maakt. Bottom-up benaderingen omvatten reorganisatie van koolstofatomen met behulp van alternatieve koolstofbronnen. Epitaxiale groei [60] en chemische dampafzetting (CVD) [61] zijn de meest gebruikte bottom-up synthesemethoden. GO-bladen samengesteld uit vele sp ² domeinen geïsoleerd door zuurstofbevattende groepen kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van Hummer's methode. Variaties in maten van deze sp ² domeinen zorgen ervoor dat de PL van GO-bladen sterk varieert van 500 tot 800 nm [62]. rGO is afgeleid van GO door chemische reductie met behulp van reductiemiddelen zoals hydrochinon en hydrazine. Vergeleken met GO vertoonde de fluorescentie van rGO een blauwverschoven emissie in het UV-gebied, samen met fluorescerende uitdoving, wat wordt toegeschreven aan de percolatieroutes tussen de nieuw gevormde kristallijne sp ² clusters [63]. Akbari et al. verduidelijkt dat de verhouding van sp ³ /sp ² domeinen in GO-bladen bepaalt hun fluorescentiespectra. Daarom is GO een veelbelovend fluorescerend nanomateriaal over een breed scala aan golflengten onder verschillende gradaties van reductie, dat kan worden gebruikt in de biomedische toepassingen.

Metalen nanomaterialen

Edelmetaalatomen vertonen tegelijkertijd minder cytotoxiciteit in vergelijking met QD's. Nanodeeltjes van goud, zilver en koper krijgen steeds meer aandacht en worden op een groot aantal gebieden toegepast. Op biomedisch gebied maken de kwantummechanische effecten van gouden nanodeeltjes, zoals fotoluminescentie-emissie of plasmonresonantie, gouden nanodeeltjes (AuNP's) een ideale kandidaat voor een andere in vivo nanosensor met lage cytotoxiciteit [64, 65].

AuNP's hebben veel wetenschappelijke belangstelling gewekt vanwege hun gemak van synthese en unieke eigenschappen, en er zijn diverse synthetische methoden gerapporteerd. Als een van de belangrijkste methoden worden chemische methoden in het algemeen uitgevoerd door een waterige oplossing van chloorauraat te behandelen met reductiemiddelen in aanwezigheid van een stabilisator. Citroenzuur wordt meestal veel gebruikt, dat zowel als stabilisator als reductiemiddel kan werken [66]. AuNP's die zijn gestabiliseerd met citroenzuur, kunnen echter onomkeerbare accumulatie ondergaan tijdens de ontwikkeling van functionalisering met thiolaatliganden. Dit probleem kan worden overwonnen door de reactie te laten plaatsvinden in de aanwezigheid van in water oplosbare polymeren, oppervlakteactieve stoffen of afdekmiddelen die helpen om een ​​hogere stabiliteit te bieden en aggregatie van nanodeeltjes te voorkomen. De grootte en vorm van AuNP's kan worden geregeld door de goud-citraatverhouding, oppervlaktemodificerende middelen of reactieomstandigheden te veranderen. Met een ultrasone emulgeringsmethode in één pot laadden Zhang en zijn collega's samen Bis (4-(N-(2-naftyl) fenylamino) fenyl)-fumaronitril en AuNP's in micellen om de nanosonde te verkrijgen [67]. Bovenal verwerkte de verkregen nanosonde, met een groot potentieel om te worden toegepast in tumorgerichte beeldvorming en diagnose in vivo, uitstekende fluorescentiebeeldvormingscapaciteit, ondanks het bestaan ​​van gouden nanodeeltjes. Hoewel AuNP's onder bepaalde experimentele omstandigheden niet-toxisch zijn, moeten de toxiciteit en de bijwerkingen grondig worden onderzocht [68].

Fluorescerende Ag-nanoclusters hebben veel aandacht gekregen vanwege hun unieke fysische en chemische eigenschappen. Het syntheseproces van dergelijke nanoclusters wordt door de stabiliserende scaffold geclassificeerd in DNA-oligonucleotiden, peptiden, eiwitten, dendrimeren en polymeren. Bovendien heeft uitgebreide literatuur enige groene synthese aangetoond, zoals de toepassing van waterige stamextracten van D. trifoliata en S. alba om de bereidingsomstandigheden te optimaliseren [69].

Cu-nanoclusters (Cu NC's) worden relatief veel gebruikt als edelmetaalmaterialen, maar hun synthese is nog steeds schaars vanwege hun kwetsbaarheid voor oxidatie. Onlangs hebben Kawasaki et al. met succes stabiele Cu NC's bereid met een microgolfondersteunde polyolmethode [70]. DNA zou kunnen worden gebruikt als sjabloon voor de synthese van fluorescerende Cu NC's. Mohir et al. stelde een methode voor op basis van dubbelstrengs DNA in oplossing om Cu NC's met hoge selectiviteit te verkrijgen [71]. Met behulp van fluorescerende eigenschappen van Cu NC's werd het met succes gebruikt als een effectieve fluorescerende inschakelsignaalindicator voor de selectieve bepaling van RDX [72].

Silica nanodeeltjes

Gezien de eigenschappen van transparantie, mechanische stabiliteit, robuustheid en stabilisatie van de ingebedde fluoroforen, worden nanodeeltjes van silica op grote schaal toegepast in biologische domeinen. Bijvoorbeeld, silica core/shell NP's toegepast voor de intracellulaire detectie van Zn ²⁺ en H₂ PO₄ ⁻ in levende cellen werden gesynthetiseerd als "uit / aan" fluorescerende nanosensoren. In de afgelopen jaren zijn nanodeeltjes van silica gedoteerd met organische kleurstoffen gesynthetiseerd en op grote schaal gebruikt in veel toepassingen zoals biodetectie [73]. De meest gebruikte synthesemethoden voor silica-nanodeeltjes zijn de Stöber-methode en de omgekeerde micro-emulsiemethode. De Stöber-methode, voor het eerst beschreven in de jaren zestig [74], omvat de hydrolyse van alkylsilicaten en daaropvolgende condensatie van kiezelzuur in alcoholische oplossingen gekatalyseerd door de toevoeging van ammoniak. De tweede methode voor de vorming van silica NP, de omgekeerde micro-emulsiemethode, omvat de reactie van alkylsilicaten, typisch TEOS, in de waterdruppeltjes van een water-in-olie micro-emulsie [75]. Hij et al. bereidde drie soorten kleurstofdoping silica nanodeeltjes met Stöber-methode en omgekeerde micro-emulsiemethode door kleurstof in de kern van het deeltje in te bedden. Sommige moleculen reageren functioneel op Zn ²⁺ worden afgezet op deeltjesoppervlakken [76]. De fluorescerende silica nanodeeltjes werden gebruikt voor fluorescerende beelden intracellulair Zn ²⁺ (H₂ PO₄ ⁻ ) in HeLa-cellen. Wanneer Zn ²⁺ is toegevoegd aan de proportionele Zn ²⁺ nanosensor, de nanodeeltjes toonden het vermogen om de concentratie van H₂ . ratiometrisch te detecteren PO₄ ⁻ .

Over het algemeen kunnen silica-nanocomposieten met een goede monodispersiteit en biocompatibiliteit gemakkelijk verder worden gemodificeerd met functionele groepen [77,78,79]. Lee et al. gedoteerde magnetische nanodeeltjes en fluorescerende kleurstoffen tot silica nanodeeltjes. Deze silica-nanocomposieten kunnen niet alleen worden gebruikt als multimodale beeldvormingssondes voor magnetische resonantie (MR) en fluorescentiebeeldvorming, maar ook als dragers voor de afgifte van geneesmiddelen tegen kanker [80]. In een notendop, silicadeeltjes zouden in dergelijke gevallen een onderzoeksplek kunnen zijn met een zeer uitgebreid gebruik.

Fosforen

Fosforen worden veel gebruikt in de biogeneeskunde vanwege hun unieke voordelen bij het verminderen van de autofluorescentie en lichtverstrooiende interferentie van weefsels. Over het algemeen zijn fosforen samengesteld uit gastheermaterialen en gedoteerde ionen [81]. Onder de gastheermaterialen van fosforen, yttriumoxide (Y₂ O₃ ) is meer dan veelbelovend vanwege de lage lichtduurzaamheid en de fonon-energie. Lanthaniden zijn grotendeels gedoteerd in fosforen gezien hun overvloedige elektronenniveaus en energieoverdrachtskanalen. Er zijn talloze methoden gerapporteerd voor de bereiding van fosforen, waaronder hydrothermische [82], vlamnevelpyrolyse [83], sol-gel [84] en co-precipitatieprocessen [85].

Hydrothermische synthese komt naar voren als een ideaal proces, waarvan is bewezen dat het efficiënt en economisch is voor de synthese van fosforen. Yu et al. gesynthetiseerde Y₂ O₃ :Eu ³⁺ fosforen door hydrothermische methode in aanwezigheid van natriumcitraat [82]. Het concentraat van natriumcitraat, de toegevoegde hoeveelheid NaOH en Eu in het hydrothermische proces bepaalden de eigenschappen van de verkregen fosforen. Vlamnevelpyrolyse is een veelbelovende methode voor de snelle en opeenvolgende synthese van op oxide gebaseerde fosforen. Vergeleken met conventionele methoden levert deze methode fosforen op met een hoge kristalliniteit en homogene doteringsverdeling. Khan et al. succesvol geproduceerd Tb ³⁺ –gedoteerde Y₂ O₃ fosforen met een diameter van ongeveer 100 nm met een smalle grootteverdeling met behulp van pyrolyse met vlamnevel [83]. Bij hun methode werd alkalizout gemengd met andere metaalnitraatprecursors, die de grootteverdeling in een nauw bereik effectief controleerden. De sol-gel-syntheseroute biedt verschillende voordelen, zoals hoge homogeniteit en zuiverheid, kortere synthesetijd, uniforme deeltjesmorfologie en smalle deeltjesgrootteverdeling [86]. Leonardo et al. Sm ³⁺ . behaald gedoteerde SiO₂ -Gd₂ O₃ fosforen door een sol-gel-proces [84]. Co-precipitation is a common and simple method for synthesizing crystalline phosphors, which ensures high homogeneity and controlled morphology characteristics. Perhaita et al. reported that the phase composition of the phosphors strongly depends on the pH during the precipitation [85].

Organic Frameworks

Covalent-organic frameworks (COFs) are new porous crystalline materials possessing outstanding stability, adsorption and low toxicity. The design of fluorescent small organic molecules with a combination of fluorescence determination methods can be used to construct more efficient nanoprobes [87]. For selective 2,4,6-trinitrophenol (TNP) determination, a novel Naphthalimide-Benzothiazole conjugate was prepared as colorimetric and fluorescent nanoprobe. The fluorescence emission peaks of receptor were selectively quenched by TNP with a limit of detection as low as 1.613 × 10 ^–10  M.

Metal organic frameworks (MOFs) are a kind of new generation multifunctional inorganic–organic materials with various holes and functionalized 3D crystalline structures formed by metal ions and linkers. MOFs show potential applications in separation, catalysis and other aspects due to unique attributes such as excellent chemical tenability, specific surface area and confinement of the pores. Some of the MOFs are luminescent and the quantum yield as well as light intensity will be influenced by temperature and excitation wavelength [88]. With the addition of doxycycline, Yu et al. synthesized a new functional metal–organic framework of pyromellitic acid and europium, which exhibited remarkable fluorescence enhancement at 526 nm and 617 nm. Results showed that both fluorescence intensities were positively correlated with the doxycycline concentration. The unique fluorescence response of the system could discriminate doxycycline from other tetracycline antibiotics with high selectivity.

Biomedical Applications of Fluorescent Nanomaterials

Bioimaging

Quantum Dots for Bioimaging

Fluorescent nanomaterials have been widely used in bioimaging. Compared with conventional organic fluorescent molecules, fluorescent nanomaterials are equipped with many superior properties such as high photostability, tunable emission spectra and high quantum yields [89].

As early as 1998, QDs were first successfully applied in biological imaging [90]. Since then, applications of QDs in this field have been springing up gradually. Chen’s group applied it in bioimaging and nuclear targeting with great stability and biocompatibility in living cells [91]. In spite of the extremely high sensitivity and spatial resolution of QDs, poor performances on hydrophilicity and biocompatibility hindered their applications in bioimaging in vivo. To tackle this problem, it has been found that the water-solubility of QDs can be greatly improved by attaching thiol or other hydrophilic groups to the surface of quantum dots [92]. In the same way, with the intention of improving the effectiveness and specificity of in vivo targeted imaging, targeting molecules are attached to the surface of QDs. Furthermore, the wavelength region of the emission light can be controlled by altering the size of QDs.

The combination of QDs and inorganic metal ions can optimize the application of QDs in bioimaging because the QDs’ defect-site PL peaks will be utterly removed by controlling the proportion of doped inorganic metal ions. Kuwabata, S et al. modulated the degree of Ga ³⁺ doping in Ag–In–Se QDs. Thus, the QDs’ defect-site PL peaks were completely removed and a sharp band-edge emission peak come into appearance [93]. They found a blue shift of the band-edge PL peak ranging from 890 to 630 nm which could be credited to the fact that the energy gap of QDs was enlarged by Ga ³⁺ doping. After injecting a mouse with QDs, the potential of AIGSe@GaS_x core–shell QDs for bioimaging turned out satisfying. The imaging effect of this kind of QDs in mice is demonstrated in Fig. 2. However, sensing of mid-IR wavelengths is challenging due to increased dark currents and noise. HgTe QDs synthesized by colloidal method is a promising candidate for IR bioimaging by virtue of lower dark currents, higher-temperature operation, and higher detectivity [94].

Three-dimensional PL image superimposed on an X-ray CT image of the mouse subcutaneously injected with DSPC-AIGSe@GaS_x liposome dispersions (each 50 mm ³ ) in the back [78]

Carbon Dots for Bioimaging

The poor photostability of current fluorescent nanomaterials hinders their long-term bioimaging to a large extent. To overcome this limitation, CDs have been studied for bioimaging and some positive results have been obtained due to the great performance on PL efficiency. Enormous efforts have been put to improve their water solubility and lower their toxicity in organisms. At present, most CDs are facing a barrier in bioimaging, that is, their short-wavelength excitation disables deep penetration in tissue. Aside from this, being exposed under the short-wavelength for a long time could do irreversible damages to living cells and tissues. As shown in Fig. 3, with the purpose of overcoming this deficiency, Gao et al. designed fluorescent CDs with red emission which were successfully used for bioimaging of noble metal ions (Pt ²⁺ , Au ³⁺ , Pd ²⁺ ) in cells and zebrafish [95]. Sun and co-workers first studied the near infrared (NIR) imaging of CDs in vivo using mice as a model. Recently, it was reported that molecules or polymers containing plentiful sulfoxide or carbonyl groups can enhance NIR fluorescence through the surface modification. As shown in Fig. 4, under NIR excitation, sulfoxide or carbonyl groups are bound to the outer layers and the edges of the CDs. Thus, electron transitions are promoted, influencing the optical bandgap [96].

A Confocal imaging of Pt ²⁺ in PC12 cells. (a1–e1) Bright field images. (a2–e2) Black field images of the CDs in PC12 cells with the different concentrations of Pt ²⁺ (0, 25, 50, 150, and 300 μM). (a3–e3) Overlay images. B Fluorescence imaging of Pt ²⁺ in ZF. (a1–e1) Bright field images. (a2–e2) Fluorescence images of the CDs in ZF with the various concentrations of Pt ²⁺ (0, 30, 60, 100, and 150 μM) [80]

Schematic of structure and energy level alignments of nontreated CDs (left column) and CDs modified with S = O/C = O‐rich molecules (right column). The red (oxygen atom) and green double‐bonded balls represent the C = O/S = O‐rich molecule [81]

Carbon Nanoparticles for Bioimaging

In the field of bioimaging, fluorescent carbon nanoparticles show unique chemical and optical properties over traditional fluorescence probes. Different size, shape and elemental composition make carbon nanoparticles with different features. The biomedical fields are always seeking the most promising fluorescent carbon nanoparticles. Gaurav et al. obtained both larger and smaller size carbon nanoparticles with laser ablation method [97]. Both green and blue fluorescence were observed in the cells incubated with the carbon nanoparticles, suggesting their different sizes. Cell viability results indicated that the prepared carbon nanoparticles were nontoxic and safe for bioimaging applications. Shazid et al. employed carbonization method to obtain fluorescenct carbon nanoparticles derived from biocompatible hyaluronic acid. Both the in vitro and in vivo bioimaging studies showed that the prepared carbon nanoparticles would be reliable and stable for opticle imaging. Moreover, based on the experimenal data, their cytotoxicity was proved to be tolerable for biomedical applications.

Carbon Nanotubes for Bioimaging

Fluorescence of carbon nanotubes in the NIR is attracting high attention for their good light penetration depth in biological tissues. However, their low quantum yield requires for considerable excitation doses, leading to a fair degree of blue-shift and failure of penetrating live tissue. Mandal et al. reported that bright and biocompatible p-nitroaryl functionalized SWCNTs, encapsulated in phospholipid-polyethylene glycol, are suitable for bioimaging applications. The prepared SWCNTs enabled high signal-to-noise ratio imaging in live brain tissues using ultra-low excitation intensities. Their 1160 nm emissions in the NIR guarantee that they will provide optimal fluorescence imaging results [98]. Ceppi et al. applied SWCNT-based fluorescence imaging to debulking surgery in an ovarian cancer mouse model. SWCNTs are coupled to an M13 bacteriophage carrying modified peptide binding to the SPARC protein, which is overexpressed in ovarian cancer, leading to real-time imaging to guide intraoperative tumor debulking. This imaging system enables detection in the NIR window with a pixel-limited resolution of 200 μm, demonstrating real potential in fluorescence imaging guided surguries for patients [99].

Furthermore, fluorescent moieties can be conjugated by a carbon nanotube backbone, which integrate strong fluorescent ability with robust mechanism strength, exhibiting ideal bioimgaing results. Katharina et al. functionalized SWCNTs with an amphiphilic C₁₈ -alkylated polymer conjugated with bright perylene bisimide fluorophores. The polymers wrapping around the SWCNT backbones not only increase their water dispersibility but also promote their biocompatibility by providing a shield. In vitro studies on HeLa cells demonstrated that the biocompatibility of SWCNTs is dramatically improved. In microscopy studies, direct imaging of the SWCNTs' cellular uptake via perylene bisimide and SWCNT emission proved their potential for bioimging [100]. Park et al. combined carbon nanotubes with mussel adhesive proteins which can be specifically targeted at tumors in tissue. They then made carbon nanotubes conjugated with a ZW800 NIR fluorophore to obtain NIR fluorescence imaging [101]. The prepared carbon nanotube probes react with a specific tumor in one hour and can be easily eliminated via urine, demonstrating great value as tumor imaging and detecting agent.

Graphene-Based Nanomaterials for Bioimaging

Large surface area and feasible further functionalization make graphene-based nanomaterials a promising candidate for biomedical applications. However, as a result of their chemical sturctures, graphene nanosheets lack photoluminescence and rGO only display weak fluorescence, which makes it difficult to be utilized in bioimgaing applications. Many researchers attempted to resolve this problem by conjugation of fluorescent dyes and probes onto the large surface of graphene and its derivatives. Sun et al. reported an assembly strategy to prepare fluorescence probe RACD functionalized a single layer GO via π-π interaction and hydrogen bonding. The resluting nanomaterials exhibited that the fluorescent probes reduce the aggregation degree and acquire very well monodispersion, hydrophilicity and photostability, which is attributed to the strong synergy between RACD and GO [102]. Even so, fluorescence quenching remains a critical issue for these materials. In addition, the biocompatibility and toxicity of polymers applied to connect graphene-based materials and fluorescent moieties have not been adequately investigated. These facts appeal for alternative solutions to utilize graphene and its derivatives in bioimaging applications. Georgia et al. developed intrinsically photoluminescent graphene derivatives that show desirable biocompatibility and tunable fluorescence properties [103]. They can be organophilic or hydrophilic with different amine functionalization dodecylamine and hexamethylenediamine, respectively. The intrinsic fluorescent graphene-based nanomaterials possess great potential in a variety fileds of bioimgaing.

Metal Nanomaterials for Bioimaging

In recent years, fluorescent metal nanoparticles have shown great potential in bioimaging for improved disease diagnosis and treatment [104]. Gold is the most commonly used metal for bioimaging. The surface of AuNPs can be easily modified with various biomolecules such as peptides, proteins, antibodies, enzymes, and nucleic acids. These biomolecules can interact with specific cells or organelles in vivo, which makes it possible for AuNPs to be used for targeted optical imaging. Gao et al. reported a real-time in situ imaging of nucleus by AuNPs fabricated with bifunctional peptides constructed with both Au-binding affinity and nucleus-targeting ability. The bifunctional peptides showed strong binding affinity toward AuNPs and ensured good surface coverage of the nanoparticles, which made it stable and efficient for precise bioimaging of the nucleus in cells [105]. The Au-Se bond is considered as a better candidate than the Au–S bond to link the peptides and AuNPs due to the stronger ability against interference of intracellular thiol. Pan et al. prepared the Au-Se-peptide nanoprobes through a direct freezing process. The obtained nanoprobe was successfully applied to identify autophagy and apoptosis in chemotherapeutic drug treated cancer cells [106].

As a novel fluorescent imaging technology, DNA-templated silver nanoclusters (DNA-Ag NCs) have aroused the attention of many scientists due to their unique properties, especially the tunable fluorescence emission range relying on DNA sequences. However, the highly negatively charged DNA backbones have always been a great obstacle for the expansive applications in bioimaging because of poor stability as well as poor cell permeability in physiological environment. It is also noteworthy that the PL property and fluorescent efficiency of DNA-Ag NCs are far from satisfying. As a result, figuring out how to neutralize the negative charge on the surface of DNA strands is of great urgency for researchers. Recently, Lyu and co-workers successfully modified fluorescent DNA-Ag NCs with cationic polyelectrolytes via electrostatic force between the positively charged polyelectrolytes and the negatively charged phosphate groups of the DNA strands, leading to a threefold fluorescence intensity enhancement [7] (Fig. 5). Li et al. reported a facile strategy to make gold nanoclusters with positive charge and silver nanoclusters with negative charge form aggregates by electrostatic interactions. An incredible 40-fold fluorescence intensity enhancement was obtained. Results demonstrated that the physiological stability improved a lot and the cell permeability was also enhanced, which promises its practical applications in the future.

Formation of FL DNA–Ag NC–Cationic Polyelectrolyte Complexes for Cell Imaging [7]

Silica Nanoparticles for Bioimaging

Dye-doped fluorescent silica nanoparticles emerge with great potential for bioimaging as a novel and ideal platform for the monitoring of living cells and the whole body. The outer silica shell matrix protects fluorophores from outside chemical reaction factors as well as provides a hydrophilic shell for the inside insoluble nanoparticles, which renders the enhanced photo-stability and biocompatibility to the organic fluorescent dyes. Benefiting from the robust structure of silica matrices, dye-doped fluorescent silica nanoparticles have been presented with several superior properties including good biocompatibility, hydrophilic features, and high fluorescence intensity [107].

Jiao et al. also constructed a local hydrophobic cage in dye-doped fluorescent silica nanoparticles to improve their optical properties, which solves the problems of aggregation-caused quenching (ACQ) and poor photostability in aqueous media by organic fluorescence dyes benefiting from the robust structure of silica nanoparticles [108]. In addition, compared with free dyes, the fluorescent intensity both in water solution and living cells demonstrated a 12.3-fold enhancement due to the limitation of molecular motion, indicating a significant development for silica nanoparticles in biomedical applications. QDs have been developed for bioimaging both in vivo and vitro owing to their excellent optical qualities. However, a critical obstacle faced in QDs’ application in vivo is their poor biocompatibility. Inspired by the organic dye-conjugated silica-NPs, QDs-embedded silica-NPs have also been invented with the advantage that the excellent optical qualities of QDs can be retained, while the silica-NPs coat improves their biocompatibility to a large extent simultaneously. Darwish et al. reported that many QDs could be assembled around a central silica nanoparticle to form supra-NP assemblies. It was expected to be used for enhanced bioimaging because of their higher sensitivity and superior signal-to-background ratios [109]. There is reason to believe that silica-NPs conjugated with fluorescent nanomaterials with ideal optical properties will still be the dominant research interest in the future.

Phosphors for Bioimaging

For bioimaging, the sizes of phosphors need to be controlled so that they are small enough to be integrated with living cells. Furthermore, the aggregation of particles should be avoided for biocompatibility. Hence, the control of both particle sizes and dispersity in an aqueous solution is essential for the bioimaging application of the phosphors. Atabaev et al. prepared Eu, Gd-codoped Y₂ O₃ phosphors which had a spherical morphology within the range 61–69 nm. Enhanced PL emission and low toxicity made these phosphors suitable for bioimgaing applications [110].

Upconversion nanomaterials are able to convert lower-energy near-infrared photons to higher-energy ones as emission. This anti-Stokes photoluminescence process will lead to low background noise, large tissue penetration depth, and low photo-damage in bioimaging applications [111]. Lanthanide-based phosphors are able to show upconversion emission owing to their photodurability and low phonon energy. Nallusamy et al. reported a NIR–NIR bioimaging system based on Er ³⁺ :Y₂ O₃ phosphors by using NIR emission at 1550 nm under 980 nm excitation, which can allow a deeper penetration depth into biological tissues than ultraviolet or visible light excitation [112]. In addition, the surface of Er ³⁺ :Y₂ O₃ was electrostatically PEGylated to improve the chemical durability and dispersion stability under physiological conditions. Thakur et al. synthesized Ho ³⁺ /Yb ³⁺ co-doped GdVO₄ phosphors via a modified sol–gel method. The prepared phosphors showed brilliant red upconversion emission under NIR excitation, which may be useful in bioimaging of the biomolecules [113].

Organic Frameworks for Bioimaging

Careful selection of MOF constituents can yield crystals of ultrahigh porosity and high thermal and chemical stability, with some of them being luminescent [114]. Recently, Sava Gallis’s group described a novel multifunctional MOF material platform which showed a wide spectral region from 614 to 1350 nm covering the deep red to NIR region. Both porosity and tunable emission properties made them highly suitable for in vivo bioimaging [115]. What’s more, to overcome the obstacle of MOF’s low selectivity towards malignant tissues, Liu et al. developed a target-induced bioimaging by conjugating DNA aptamers using ZrMOF nanoparticles as quenchers [116]. Based on the quenching of ZrMOF nanoparticles, target-induced bioimaging is achieved upon binding with the target.

Biodetection

Since fluorescent nanomaterials can amplify the fluorescent signals significantly and be compatible with organisms, there is increasingly more research on their application in the rapid detection of biomolecules [117]. It will shorten the analysis time to a large extent if we are able to establish a real-time detection system by fluorescent nanomaterials. It has been discovered that multiple detection can be achieved by using QDs probes simultaneously [118, 119].

Pathogen Detection

Pathogens have been an unignorable threat to human health for centuries and these include many types of microorganisms ranging from bacteria (pathogenic Escherichia coli, Salmonella, and Streptococcus pneumoniae ) and viruses (Coronavirus, Influenza virus and hepatitis virus ). However, conventional methods for pathogen detection still need improvement of detection limits and detection speeds. For their applications in detecting pathogens, Tan and co-workers reported a bioconjugated nanoparticle-based biodetection for in situ pathogen quantification, which cost less than 20 min [120]. Tan’s success promises that quick and convenient pathogen detection is possible and can be achieved with these ingenious nanomaterials in the future. Here, we list diverse pathogens detected by fluorescent nanomaterials as shown in Table 2 [119, 121,122,123,124,125,126,127,128,129].

Nucleic Acid Detection

Apart from pathogen detection, fluorescent nanomaterials have also aroused more and more interest of scientists in the detection of DNA. Owing to the merits that a number of biomolecules can be attached to the surface of fluorescent nanomaterials, the signal intensity of fluorescent nanomaterials in DNA detection can be enhanced significantly. Tan and co-workers developed an DNA detection method to detect gene products using bioconjugated dye-doped fluorescent silica nanoparticle with high sensitivity and photostability [130]. Although the analysis of nucleic acid has been successfully achieved by real-time nanomaterial fluorescence systems, there are still many shortcomings such as complex procedures or expensive instruments. To address these disadvantages, Wang’s group introduced a highly sensitive and visualized detection of nucleic acid by the combination of strand exchange amplification (SEA) and lateral flow assay strip (LFA) [131]. The system, which is possible to be widely used in areas requiring limited resource, is mainly characterized by integrating SEA with LFA (Fig. 6). There is no denying that the extremely high fluorescent signal for bioanalysis plays an irreplaceable role in these applications.

Schematic illustration of the SEA-LFA strip for the detection of nucleic acids [110]

Drug Detection

In the field of drug analysis, a facile and low-cost analytical method is always in demand for high-speed detection of specific pharmaceutical compounds. Real-time detection of drugs can be achieved with selective and sensitive fluorescent nanomaterials owing to their outstanding optical properties. In the past decade, the modification of nanomaterials has lowered their detection limit and improved their detection accuracy significantly. Recently, it is reported that ampicillin can be detected in serum sample based on aptamer, its complementary strand (CS) and gold nanoparticles (AuNPs) [132]. The limit of detection (LOD) of this method can be as low as 29.2 pM. However, there are still many limitations in the detection of drugs or target molecules in vivo. Due to low selectivity, conventional fluorescent nanomaterials inevitably generate false positive results and adverse effects in vivo. In addition, current tracking systems can hardly realize real-time tracking because of insufficient labels and excitation sources. Considering the above limitations, a new method using up/down conversion (UC/DC) PL nanomaterials has attracted increasing attention. Seo et al. reported a single-photon-driven UC/DC system which demonstrated outstanding performance in the detection of heavy metal ion (i.e. Hg ²⁺ ) in mussels [133]. LOD of the nanohybrids was ca. 1 nM. This system is appealing to researchers in the field of fluorescent nanomaterials for biomedical applications.

Drug Delivery

Until now, the technology of treating cancers with high efficiency and targeting function is not perfect enough. Under most circumstances, the anticancer drugs are distributed and released extensively in the body, which endangers the healthy cells and tissues irreversibly. Currently, a large variety of carriers for drug delivery have been designed. However, we can hardly supervise the distribution and result of the whole delivery process. Benefiting from the recent development of the surface modification technique, fluorescent materials capped with polymers like polyethylene glycol (PEG) can bond with drugs strongly and firmly. Then, the loaded drugs will be released in response to certain conditions such as pH, osmotic gradient and the surrounding environment. However, it should be confirmed whether the drugs are transported to the specific site or not. It’s also necessary for us to consider more details such as how much of the drugs is released in different positions. Aside from being drug carriers, fluorescent nanomaterials can also demonstrate the consequences of intracellular uptake due to their fluorescence property. QDs have been applied to monitor some important properties, such as delivery efficiency, release rate and distribution of drug molecules in vivo, which are beneficial for scientists in order to understand the specific targeting pathways of drug delivery within living cells. Duan and co-workers reported a facile pH-responsive fluorescent CDs drug delivery system [134]. Loaded with dox which is effective for gastric cancer, intracellular drug delivery and tracking could be simultaneously realized in patients (Fig. 7). The report highlighted the ability of fluorescent CDs to label and track the drug delivery process for at least 48 h, which showed a great potential in bioimaging, biolabeling and traceable drug delivery. Duan et al. designed a pH and receptor dual-responsive drug delivery system [135]. Hyaluronic acid was covalently attached to the surface of CDs, and doxorubicin was loaded by electrostatic self-assembly. In the tumor microenvironment (pH 5.6), the drug is released rapidly from the drug delivery system, while in the normal physiological environment (pH 7.4), the drug is hardly released. Endocytosis occurs when the drug delivery system reaches CD44 which is a receptor rich in tumor cells and can bind specifically to the hyaluronic acid. In addition, carbon nanotubes can be used for drug delivery by virtue of their high loading efficiency. Strong π-π interactions play a critical role in binding therapeutic agents with carbon nanotubes, which can be broke through changing external conditions, resulting in the release of drugs in specific position. Pennetta et al. functionalized single and multi-walled carbon nanotubes with a pyrrole derived compound to form a doxorubicin stacked drug delivery system. Biological studies showed that the synthesized nano-conveyors can effectively deliver the drug into cell lines and improve the therapeutic effects of doxorubicin [136].

Schematic illustration of the preparation (a ) and cellular uptake (b ) of the CDs-DOX drug delivery system [113]

Photodynamic Therapy

Photodynamic therapy (PDT) is a novel therapy method for tumors which utilizes the interaction between light and photosensitizer. In PDT, reactive oxygen species (ROS) is produced from oxygen by photosensitizers in the condition of specific wavelengths of light (mostly in the area of near infrared light). The specific mechanism is presented in Fig. 8. ROS includes singlet oxygen, superoxide radicals, hydrogen peroxide, and hydroxyl radicals that possess strong cytotoxicity which cause significant destruction of tumor cells. However, there exist many defects such as limited penetration depth [137], hydrophobic properties [138], photobleaching [139], complicated procedure [140], and tumor hypoxia. PDT agents can hardly be dissolved and they will disperse extensively in vivo once they are taken, making it impossible to be targeted and selected. Fluorescent nanomaterial based photodynamic therapy developed fast in recent years [141]. Combined with the unique properties that QDs possess, such as high fluorescent efficiency and great spectral resolution, the effect of PDT can be enhanced. Barberi-Heyob, M and coworkers significantly enhanced the photodynamic efficiency with a concentration of 8 nM because of the light dose-dependent response [142]. In addition, photodynamic therapy can sometimes do harm to the skin and eyes of patients due to its photosensitive side-effect. To alleviate these adverse effects, a novel nanoparticle-based drug carrier for photodynamic therapy is reported which can provide stable aqueous dispersion of hydrophobic photosensitizers. Meanwhile, the key step of photogeneration of singlet oxygen was preserved, which is necessary for photodynamic action [143]. It is obvious that QDs combined photodynamic therapy will replace the conventional PDT someday.

Schematic illustration of producing reactive oxygen species (ROS) for the photodynamic therapy (PDT) [119]

Challenges

Synthesis Challenges

Achieving Uniform Distribution

In the synthesis process, the diameter and size distributions of FNMs can be hardly distributed uniformly due to the agglomeration of small particles. This could be fatal to the optical properties of FNMs in biomedical application. For this reason, the applications of FNMs are still at the laboratory scale. It has been confirmed that the surface properties primarily determine the agglomeration state of the nanoparticles and their size. Therefore, surface modification is promising to achieve uniform distribution of FNMs by altering their surface properties [144]. To date, silanized QDs have been widely used because the polymerized silica coating increases the stability in buffers under physiological conditions [145]. Carbon dots synthesized by hydrothermal reaction using water-soluble base were reported to be difficult to control the size and distribution of grain boundary [146]. Khanam et al. reported a facile and novel synthetic method for the preparation of hydroxyl capped CDs using an organic base and a surfactant (Triton X-100) to modify the surface. A narrow particle size distribution at 7.2 nm was found in Raman and DLS studies, which is smaller than the majority of the particles falling within the range of below 10 nm in diameter [147].

Fluorescence Quantum Yield

Fluorescence quantum yield plays a crucial role for FNMs in their efficiency for on-demand light emission. Tunable and highly fluorescent CDs can be prepared with the surface functionalization approach. Nitrogen-doped FNMs are reported to have improved fluorescence quantum yield. With increasing nitrogen content, fluorescence quantum yield can be increased to as high as 56% at high synthesis temperature [148]. A facile strategy was also developed to tune the photoluminescent properties of CDs using a microwave irradiation, with citric acid and nitrogen-containing branched polyethyleneimine (b-PEI) as precursors. At intermediate levels of b-PEI, the CDs produced a high photoluminescence yield [149]. Lin et al. explored carbon dots with a high-fluorescence quantum yield rate synthesized from L-cysteine and citric acid by the microwave-assisted method. The obtained carbon dots exhibited a high-fluorescence quantum yield (up to 85%), which is due to the combination of amidogens and sulfydryl with carbon dots, and henceforth bringing the improved fluorescence property [150]. The above examples demonstrate that nitrogen or other electron-rich atoms like sulphur can obtain satisfying fluorescence quantum yield.

Aggregation-Caused Quenching

Fluorescent molecules can emit light with high efficiency in dilute solution. However, in concentrated solution or solid state, their fluorescence will be weakened or even disappear. This phenomenon is called Aggregation-Caused Quenching (ACQ) [151]. This problem has been puzzling scientists for almost 150 years, thus hindered the extensive application of fluorescent dyes.

In order to make effective use of fluorescent dyes, scientists have attempted many methods. Most of them focused on reducing the concentration of fluorescent dyes to prevent ACQ effect. Tang et al. discovered the phenomenon of Aggregation-Induced Emission (AIE) [152]. Based on rationally designed molecules, the fluorescence of organic molecules in solid state can be attained. Still, for more than one hundred thousand different fluorescent dyes in the world, the problem of ACQ has not been completely resolved. As long as they aggregate together, ACQ will make them lose their fluorescent properties.

It is almost impossible for high concentration or solid state FNMs to show reliable fluorescence due to fluorescence quenching. Although fluorescence quenching can be used as a sensitive signal to indicate substrate concentration in analytical chemistry, [153] in the most circumstances, however, fluorescence quenching is undesirable for FNMs because it always has considerable influence on bioimaging and biodetection. To overcome this long-standing problem, Benson et al. reported a universal solution with the discovery of a class of materials called small-molecule ionic isolation lattices (SMILES) [154]. SMILES are simple to make by mixing cationic dyes with anion-binding cyanostar macrocycles. We draw inspiration from their findings and believe that similar results can be obtained if we replace cationic dyes with cationic modified FNMs.

Application Challenges

Drawbacks of UV Light FNMs

Although FNMs realized the great-leap-forward from in vitro imaging to in vivo imaging, the emission fluorescence of most of FNMs is distributed in ultraviolet region or short wavelength visible region, which limits the optical imaging in living organisms. Moreover, use of UV light for monitoring living processes in cells and tissues has some potential drawbacks as long‐term irradiation of living cells may cause DNA damage and cell death. Therefore, the development of FNMs in near-infrared region is urgently needed in the future. Although NIR FNMs have deep tissue penetration, NIR detectors and filters are needed as the excitation and emission wavelengths are too close to each other, which restricts their range of application.

Interference in Biological Environment

Almost all biological tissues will produce significant autofluorescence under short wavelength, UV and visible light radiation [155]. Autofluorescence reduces the signal‐to‐background ratio and often interferes seriously with the visual effects. Some substances in the substrate of biological tissues also have great influence on the fluorescence, which reduces the selectivity of FNMs significantly. Until now, although the application of FNMs in mice showed acceptable outcomes, it is still difficult to achieve similar results in larger mammals. Much higher luminous efficiency under low power density excitation is required to avoid the background signal interference. Furthermore, temperature and pH conditions of the biological environments strongly affect the fluorescence of some substances as well. Therefore, satisfying fluorescence of FNMs at 37 °C and physiological pH should be guaranteed. It's worth noting that the pH in tumor is lower than normal tissues. Hence, fluorescence with high selectivity in acid environment will improve the efficiency of FNMs.

Biocompatibility

Biocompatibility refers to materials or systems that are nontoxic, safe and not causing physiological or immunological reactions. QDs with unique quantum confinement effect and electro-optical properties are attractive for biomedical applications. However, toxic effects of traditional semiconductor QDs made of heavy metal ions have serious safety concerns for their undesired environmental or health effects. In the purpose of circumventing this problem, core–shell structure modification of QDs by using biocompatible ligands or polymers is one way to effectively minimize toxic effects of traditional QDs. Furthermore, scientists are searching for heavy metal-free QDs formulations. Non-toxic or less toxic carbon dots and silica nanoparticles have shown their potential as the ideal FNMs for biomedical applications. Impurities brought in the process of syntheses may influence the biocompatibility of fluorescent nanomaterials. In order to reduce the influence of toxic impurities, green synthesis methods have been arousing the interest in biomedical fields. Chowdhury et al. utilized cacao extract which is a natural product as a reducing and stabilizing agent in the synthesis of gold nanoparticles [156]. Oxalic acid, as a constituent of cacao, can reduce Au ³⁺ in HAuCl₄ to metallic gold and stabilize the resultant nanoparticle colloidal solution. In vitro studies suggested that the cacao derived gold nanoparticles are biocompatible and suitable for biomedical applications. For MOFs, appropriate metal ions and ligands must be selected to lower the toxicity. Wang et al. employed Fe, Ti and Zr as constituents of MOFs, which are harmless and even beneficial elements to the body [157]. In vitro studies indicate that the proposed material has good biocompatibility and safety in biomedical application. What’s more, it is necessary to consider whether the difference in composition, surface charge, or modified group will have different biological effects. Taking these factors into account, we can improve the biocompatibility of FNMs with rational design.

Conclusions

Benefiting from the unique properties of fluorescent nanomaterials, some limitations and barriers of conventional materials and methods in biomedical applications can be broken through. In this review, we comprehensively present the synthesis methods and applications of fluorescent nanomaterials. The advanced synthesis methods can offer us the fluorescent nanomaterials with ideal morphology, size ranges and structures. Meanwhile, the more convenient syntheses can lower the manufacturing cost of fluorescent nanomaterials, which is critical to their widespread applications in biomedical fields. Based on the improved synthesis techniques, the performance of fluorescent nanomaterials is bound to leap in their applications. With the development of fluorescent nanomaterials, bioimaging, biodection, drug delivery and photodynamic therapy will be more widely applied in the diagnosis and treatment of diseases. Finally, challenges in synthesis and biomedical applications point out exiting questions and developing direction. We hope that this review can bring some new insights to the development of fluorescent nanomaterials.

Availability of data and materials

All data and materials are available without restrictions.

Afkortingen

FNMs:

Fluorescent nanomaterials

PL:

Photoluminescence

CDs:

Carbon dots

QDs:

Quantum dots

b-PEI:

Branched polyethyleneimine

SWCNTs:

Single-walled carbon nanotubes

CQDs:

Carbon quantum dots

GQDs:

Graphene quantum dots

NCQDs:

Nitrogen-doped carbon quantum dots

NSCDs:

Nitrogen and sulfur doped carbon dots

QY:

Quantum yield

MCDs:

Multi-doped carbon dots

MWCHTs:

Multi-walled carbon nanotubes

GO:

Graphene oxide

rGO:

Reduced graphene oxide

CVD:

Chemische dampafzetting

AuNPs:

Gold nanoparticles

Ag NCs:

Ag nanoclusters

Cu NCs:

Cu nanoclusters

NPs:

Nanoparticles

TEOS:

Tetraethylorthosilicate

MR:

Magnetic resonance

COFs:

Covalent-organic frameworks

TNP:

2,4,6-Trinitrophenol

MOFs:

Metal organic frameworks

ACQ:

Aggregation-caused quenching

NIR:

Near infrared

SEA:

Strand exchange amplification

LFA:

Lateral flow assay strip

CS:

Complementary strand

LOD:

Limit of detection

UC:

Upconversion

DC:

Downconversion

PDT:

Photodynamic therapy

ROS:

Reactive oxygen species

AIE:

Aggregation-induced emission

SMILES:

Small-molecule ionic isolation lattices