C60是一种由60个碳原子构成的、具有完美对称性的球状分子，其独特性质完全源于其“足球烯”结构。

• 完美的二十面体对称性: C60分子由12个五边形和20个六边形组成，是截角二十面体结构，拥有极高的Iₕ对称性。这种完美对称性使其所有60个碳原子在化学上是完全等价的。
• 优异的电子受体: C60具有很高的电子亲和能和三个简并的低位未占分子轨道（LUMO）。这使其成为一种极其优异的电子受体，是其在有机光伏和电子学中应用的核心基础。
• 分子晶体: 在固态下，C60分子通过弱的范德华力堆积成晶体（室温下为FCC）。这导致其熔点/升华点较低，并且可以溶解在一些非极性有机溶剂中（如甲苯、二硫化碳）。
• 超导电性（掺杂后）: 纯的C60晶体是绝缘体。然而，当其晶格中插入碱金属原子（如K, Rb, Cs）形成富勒烯盐（如K₃C₆₀）时，电子会从金属转移到C60的LUMO能带中，使其转变为金属甚至超导体（临界温度可达30K以上）。

• 高效的光敏剂 (Photosensitizer): 这是C60在生物医学中最重要的特性。C60在紫外-可见光区有很强的吸收。吸收光子后，它能高效地通过系间窜越（ISC）从单重激发态布居到寿命很长的三重激发态。这个三重激发态的C60可以将其能量传递给周围的基态氧分子（³O₂），从而产生高活性的单线态氧（¹O₂）。这一过程是光动力学治疗（PDT）的物理基础。
• 自由基海绵 (Radical Sponge): C60的共轭π体系使其能够与多个自由基发生加成反应，从而有效地清除自由基。在某些条件下，它是一种极其强大的抗氧化剂。

对于C60这种分子纳米材料，其性能调控的核心手段是化学功能化，即通过共价键在其球状骨架上引入各种功能性基团。

• 提高溶解性: 原始的C60不溶于水，极大地限制了其生物医学应用。通过引入亲水性基团（如-COOH, -OH, -SO₃H）或聚合物链（如PEG），可以使其获得良好的水溶性。
• 引入生物靶向性: 在C60表面连接抗体、多肽、叶酸等靶向分子，可以使其主动地富集到肿瘤等病灶部位。
• 连接其它功能分子: C60可以作为一个核心骨架，用于连接药物分子、成像探针等，构建多功能诊疗平台。

C60笼上的双键可以参与多种有机加成反应。

• Bingel-Hirsch反应: 这是最常用的C60功能化反应之一，通过与溴代丙二酸酯在碱性条件下反应，在C60笼上形成一个环丙烷环。该反应可以重复进行，用于在C60上精确地构建多个加成物。
• Prato反应: 通过1,3-偶极环加成反应，在C60笼上引入一个吡咯烷环。这个环上通常带有可以用于后续偶联的官能团（如酯基），是一个非常有用的“化学手柄”。

C60本身不是传统意义上的催化剂，但其独特的光化学和电化学性质使其在催化领域扮演着一些特殊的角色。

• 单线态氧（¹O₂）的生成: C60是一种极其高效的光敏剂。在光照下，它可以将能量传递给氧气，产生具有强氧化性的单线态氧。这一过程可以被用于光催化降解水体和空气中的有机污染物，或用于光催化有机合成。

• 金属纳米颗粒的载体: C60的π共轭表面可以作为优良的载体，用于负载铂、钯等金属纳米颗粒。C60载体与金属颗粒之间强的电子相互作用，有时可以显著提高催化剂的活性和稳定性。

• 自由基海绵: C60的球状共轭体系能够与多个自由基发生加成反应，从而有效地猝灭链式自由基反应。在某些聚合反应或氧化过程中，它可以作为一种独特的抗氧化剂或自由基抑制剂。

原始的C60不具备荧光或等离激元等适合直接成像的特性。其在成像和传感领域的应用通常是间接的，主要利用其作为能量/电子受体的独特功能。

C60优异的电子受体和能量受体性质，使其成为一种高效的荧光猝灭剂。

• 传感原理: 这是基于荧光共振能量转移（FRET）或光诱导电子转移（PET）的“开-关”式传感策略。
  1. 将一个荧光染料分子通过一个对特定目标物（如某种酶、DNA序列）敏感的“响应性接头”共价连接到C60分子上。
  2. 在初始状态下，荧光染料与C60距离很近，其发射的荧光会被C60高效地猝灭（“关”状态）。
  3. 当目标物出现并切断或改变“响应性接头”的构象时，荧光染料会远离C60，其荧光得以恢复（“开”状态）。
  4. 通过检测荧光信号的恢复，即可实现对目标物的高灵敏度检测。

C60的球状结构可以作为一个多功能的骨架，用于连接多个MRI造影剂分子。

• 原理: 通过化学功能化，在单个C60分子表面连接上多个钆（Gd³⁺）的螯合物。这样可以将多个Gd³⁺“捆绑”在一起，极大地提高了单位探针的质子弛豫率，从而获得更高对比度的MRI图像。

富勒烯C60在治疗领域的核心应用是其作为一种高效的光敏剂，用于光动力学治疗（PDT）。

这是C60在癌症治疗中最具革命性的应用。

• 原理:
  1. 将经过水溶性修饰和靶向修饰的C60衍生物通过静脉注射，使其在肿瘤部位富集。
  2. 使用特定波长（通常在紫外或可见光区）的、无害的激光照射肿瘤区域。
  3. 肿瘤内的C60分子吸收光能，通过系间窜越布居到长寿命的三重激发态。
  4. 激发态的C60分子将其能量传递给肿瘤组织中的氧分子，产生大量具有强细胞毒性的单线态氧（¹O₂）。
  5. 单线态氧会不可逆地氧化细胞内的蛋白质、脂质和核酸，诱导癌细胞凋亡或坏死。
• 优势: PDT是一种时空精准可控、微创的治疗方法。只有当“光敏剂、光、氧”三要素同时满足时才会产生杀伤效应，因此可以极大地降低对正常组织的损伤。C60作为光敏剂具有高单线态氧量子产率和高光稳定性的优点。

C60的球状骨架可以作为一种独特的纳米载体。

• 药物负载: 可以通过共价键将化疗药物连接到C60的表面，或通过π-π堆积作用吸附芳香类药物。
• 基因递送: 将C60表面修饰上大量的正电荷（如季铵盐），可以使其通过静电作用与带负电的DNA或siRNA结合，形成复合物，用于基因的递送。

富勒烯C60的生物安全性是一个极其复杂且至今仍存在争议的课题，其毒性高度依赖于其表面化学、聚集状态和光照条件。

• 原始C60的聚集体毒性: 原始的、未经修饰的C60在水性环境中极不溶解，会自发地形成微米级的聚集体（nC60）。这种聚集体被细胞摄取后，被证明可以诱导产生大量的活性氧（ROS），引发剧烈的氧化应激，导致线粒体损伤和细胞凋亡。

• 核心毒性机制: 这是C60及其衍生物最重要的毒性机制。如前所述，在有光和氧存在的条件下，C60会高效地产生单线态氧，对细胞产生强烈的杀伤作用。这种特性在用于PDT时是“有益的”，但在其它非光照治疗的应用中，则是一种必须警惕的潜在光毒性副作用。

• 水溶性衍生物的安全性: 通过化学功能化（如引入多个羧基或羟基）制备的、在水中以单个分子形式稳定分散的C60衍生物，其毒性通常会大大降低。在无光照的条件下，它们甚至可以表现出清除自由基的抗氧化和细胞保护作用，这与其聚集体的促氧化毒性形成了鲜明对比。
• 生物持久性: C60的碳笼结构极其稳定，在体内是不可生物降解的。其长期在体内的命运、分布和潜在的蓄积毒性，是其走向临床应用前必须解决的关键问题。

富勒烯C60的宏量制备是其科学研究和应用的基础，主要依赖于在极端物理条件下对碳源的处理。

这是发现并首次宏量制备C60的经典方法。

• 原理: 在一个充满低压惰性气体（通常是氦气, He）的反应室中，将两根高纯的石墨电极通上大电流（~100 A），使其之间产生强烈的电弧。电弧产生的高温（>3000 °C）会使阳极的石墨蒸发。这些气态的碳原子在较冷的区域冷凝，形成一种黑色的烟灰（富勒烯烟灰）。
• 产物: 这种烟灰是多种碳同素异形体的混合物，其中含有约10-15%的C60和其它富勒烯（如C70）。

从富勒烯烟灰中提取和纯化出高纯度的C60是至关重要的一步。

• 溶剂萃取: 利用C60可溶于非极性有机溶剂的特性。将富勒烯烟灰用甲苯或二硫化碳等溶剂进行索氏提取。C60和C70等可溶性富勒烯会溶解到溶剂中，形成紫红色的溶液，而无定形碳等不溶物则被滤除。
• 色谱分离: 将萃取得到的富勒烯混合物溶液通过柱色谱法进行分离。利用C60和C70在固定相（如活性炭、氧化铝）上吸附能力的微小差异，可以用纯溶剂将它们先后洗脱出来，从而得到高纯度（>99.9%）的C60和C70。

对富勒烯C60的精确表征是确认其独特分子结构和纯度的关键。

• 质谱 (Mass Spectrometry, MS): 这是鉴定C60的金标准技术。在质谱图上，一个位于质荷比（m/z）720处的、极其尖锐且同位素分布正确的单峰，是C60分子存在的无可争议的证据。
• 碳-13核磁共振 (¹³C NMR): 由于C60分子完美的二十面体对称性，其60个碳原子在化学环境上是完全等价的。因此，其¹³C NMR谱在室温下只呈现一根尖锐的单峰（在CS₂中约143 ppm），这是其高度对称性的直接证明。

• 紫外-可见吸收光谱 (UV-Vis): C60在非极性溶剂（如己烷、甲苯）中具有特征性的吸收光谱，在~257 nm和~328 nm处有强吸收峰，在可见光区有多个较弱的吸收带。可用于定量分析其浓度。
• 高效液相色谱 (HPLC): 这是分析C60纯度的最常用、最精确的方法。通过专用的富勒烯色谱柱（如Buckyprep柱），可以有效地将C60与C70和其它高级富勒烯分离开，并精确定量其纯度。

• 傅里叶变换红外光谱 (FTIR) / 拉曼光谱 (Raman): C60的Iₕ对称性决定了其具有4个红外活性振动模式和10个拉曼活性振动模式。通过检测这些特征的振动峰，可以进一步确认其分子结构。

对于C60这种分子纳米材料，其“表面工程”的核心是共价化学功能化。其最主要的目标是克服C60的**疏水性**，并为其接上各种功能“手柄”。

这是C60所有生物医学应用的前提。

• 原理: 通过在C60的球状骨架上共价连接上足够数量的亲水性基团，以破坏其分子间的π-π堆积，并使其能够与水分子形成氢键。
• 典型策略:
  • 多羟基化: 在C60表面引入多个羟基（-OH），得到被称为“富勒醇”（Fullerenol）的衍生物。
  • 多羧基化: 通过Bingel-Hirsch等多步反应，在C60表面引入多个羧基（-COOH）。在生理pH下，这些羧基会去质子化为带负电的羧酸根（-COO⁻），通过静电排斥作用使其高度水溶。

这是将C60与生物系统连接，实现靶向递送和其它高级功能的关键。

• 聚乙二醇化 (PEGylation): 这是用于生物医学应用最重要的表面修饰。将聚乙二醇（PEG）链共价连接到C60表面。PEG链可以：1) 赋予C60优异的水溶性和生理环境稳定性；2) 有效“屏蔽”其表面，阻止蛋白吸附，躲避免疫系统清除，实现长循环；3) 显著降低其潜在的细胞毒性。
• 靶向分子连接: 在PEG链的另一端或C60表面的其它官能团上，可以通过成熟的偶联化学（如EDC/NHS），进一步将抗体、多肽、叶酸、核酸适配体等生物识别分子连接上去，从而赋予C60衍生物主动靶向特定肿瘤细胞的能力。