張 震，曲 丹，安 麗，汪夏燕，孫再成

(北京工業(yè)大學化學與生物系 綠色催化與分離北京市重點實驗室，環(huán)境安全與生物效應中心，北京 100124)

1 引 言

2004年，Scrivens課題組的研究人員通過電弧放電法制備單壁碳納米管時，首次觀察到具有明亮熒光的碳納米粒子[1]。兩年后，Sun等首次合成了不同尺寸的穩(wěn)定發(fā)光碳納米顆粒，并首次將其命名為“碳點(CDs)”[2]。碳點自發(fā)現(xiàn)以來就受到了廣大科研人員的關(guān)注，其優(yōu)秀的發(fā)光性能和良好的生物相容性在生物成像、檢測等領(lǐng)域有著重要的應用潛力[3]。碳點是一種尺寸小于10 nm的類球形具有熒光性質(zhì)的碳納米顆粒，這種小尺寸的熒光材料發(fā)光范圍可調(diào)，光穩(wěn)定性能良好，并且對環(huán)境友好，低毒性，使其成為傳統(tǒng)半導體量子點的理想替代材料。本文主要總結(jié)了近年來碳點的制備方法，并對碳點在生物成像[4-6]、檢測、化學分析等方面的實際應用進行了綜述。

2 碳點的制備方法

自從碳點被發(fā)現(xiàn)以來，人們對碳點的認識不斷加深，提出了一系列制備優(yōu)異性能碳點的方法，這些方法可以分為兩大類：自上而下法[7-8]和自下而上法[9]。如圖1所示。

圖1 CDs在調(diào)控植物不同生理過程中的作用[13]

2.1 自上而下法

自上而下法就是通過對大的碳材料進行剝離或者破碎形成小的碳納米顆粒，然后通過對碳納米顆粒的表面進行修飾，提高其發(fā)光效率的一種方法，主要包括電弧放電法[1]、激光消融法[10-12]、電化學氧化法[13-16]、酸氧化法[17-20]。

2.2.1 電弧放電法

2004年，美國南卡羅萊納大學的Xu等[1]報道了利用電弧放電來制備單壁碳納米管的方法，在電泳法純化產(chǎn)物的過程中首次發(fā)現(xiàn)了可以發(fā)出明亮熒光的未知碳納米顆粒。電弧放電法是最早的制備碳點的方法，他們在電弧放電煙塵中純化單壁碳納米管的過程中得到兩種新型納米材料，其中一種成分是短的管狀碳，另一種成分是從碳納米管中提取的熒光納米顆粒的混合物。對混合物進行分離，得到了可以在365 nm紫外光激發(fā)下分別發(fā)藍綠色、黃色和橘色的熒光碳點。兩年后，Bottini等[21]將熒光納米顆粒從原始碳納米管和硝酸氧化碳納米管中分離出來，熒光納米顆粒的熒光發(fā)射波長隨著納米顆粒分子量的增加而逐漸紅移，得到了熒光發(fā)射從藍色到黃綠色的碳點。電弧放電法制備碳點的過程中，由于電弧放電灰的成分復雜，雜質(zhì)較多，因此制備的碳點難以分離純化，產(chǎn)率很低，熒光量子效率也很低；但是優(yōu)點是制備出的碳點粒徑較小，含氧量較高。

2.1.2 激光消融法

2006年，Sun課題組[2]通過在氬氣氛中用Nd∶YAG激光器在900 ℃和75 kPa的條件下燒蝕碳靶得到了碳納米顆粒，樣品在水懸浮液中并沒有觀察到熒光，作者將其在硝酸水溶液中處理后仍沒有觀察到熒光。然而，通過將簡單的有機物種附著在酸處理的碳顆粒表面鈍化，得到了可以產(chǎn)生明亮熒光的碳納米顆粒，并首次將其命名為碳點。通過研究發(fā)現(xiàn)制備出的碳點的發(fā)光波長會隨著激發(fā)波長的變化而變化，展現(xiàn)出從藍到紅的熒光發(fā)射。此后，Yang等[22]通過相同的方法，以13C作為碳源，制備得到了平均直徑4～5 nm的碳點，并且通過不斷優(yōu)化實驗參數(shù)使量子產(chǎn)率達到20%。2009年，Hu等[23]以碳粉懸浮液為原料，在有機溶劑中通過激光照射合成了熒光碳納米顆粒。這種方法可以在形成聚合物的同時對碳點進行表面改性，作者發(fā)現(xiàn)選擇不同的溶劑可以調(diào)節(jié)碳點的熒光發(fā)射波長。2011年，Li等[24]提出了一種制備碳量子點的簡單方法，如圖2所示，即在有機溶劑中對碳納米粒子進行激光快速鈍化。制備的碳點具有明亮的、可調(diào)諧的、穩(wěn)定的光致發(fā)光特性。使用激光消融法制備碳點通常需要有照射、氧化及鈍化過程，制備方法復雜，碳點產(chǎn)量低，粒徑分布不均勻，純度較低。

圖2 簡化后的激光消融法制備碳點示意圖[24]

2.1.3 電化學氧化法

電化學氧化法是通過電解一些碳材料，如碳納米管、石墨等來制備碳量子點的方法。2007年，Zhou等[13]以0.1 mol·L-1四丁基高氯酸銨(TBAP)-乙腈溶液為支撐電解質(zhì)，首次利用多壁碳納米管作為工作電極，以鉑網(wǎng)和Ag/AgClO4分別為對電極和參比電極，通過循環(huán)伏安法處理多壁碳納米管工作電極，得到了平均粒徑大約為2.8 nm的碳點。由于多壁碳納米管是由滾動的石墨烯層(SI)形成的，作者認為在電化學循環(huán)過程中，四丁基高氯酸銨陽離子很可能插入到多壁碳納米管缺陷中，破壞并剝離缺陷附近的碳納米管，進入電解質(zhì)溶液中形成碳點。Zhao等[14]在2008年通過一種簡單的電化學氧化法制備出了碳點，他們以石墨作為工作電極、飽和甘汞電極作為參比電極、鉑線作為對電極，在0.1 mol·L-1的NaH2PO4水溶液中進行電氧化，制備出了尺寸為1.9 nm和3.2 nm的熒光碳點。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)制備出的碳點隨著直徑的增加，熒光發(fā)射峰從445 nm紅移到510 nm。通過高分辨透射電鏡(HRTEM)表征發(fā)現(xiàn)碳點的晶格間距為0.328 nm，具有與石墨類似的結(jié)構(gòu)特征。此后，Zheng[15]、Lu[16]等均通過電化學氧化的方法制得了熒光碳點。2010年，Li等[25]以石墨棒為正極和負極、NaOH/EtOH為電解液，報道了一種簡單的一步堿輔助電化學制備的具有尺寸依賴光致發(fā)光(PL)和優(yōu)異上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的碳點，碳點的尺寸在1.2～3.8 nm之間。作者通過以酸性溶液(如H2SO4/EtOH)為電解液的一系列對照實驗發(fā)現(xiàn)堿性環(huán)境在生成碳點的過程中起到了十分關(guān)鍵的作用，大量的OH-能夠促進碳點的生成，并且通過改變電流的密度，制備出了不同發(fā)射波長的碳點。值得一提的是，Ming等[26]提出了一種簡單的電化學方法，用于大規(guī)模合成高純度高質(zhì)量的碳點，實驗裝置如圖3所示。該方法只使用純水作為電解液，不使用任何其他化學添加劑，所制備的碳點具有高結(jié)晶性、良好的水分散性、顯著的光致發(fā)光性能，并且無需進一步純化，為大規(guī)模制備碳點提供了一種新的途徑。電化學氧化法制備碳點的優(yōu)點是可以通過改變電流強度從而調(diào)節(jié)碳點的尺寸及其發(fā)光性質(zhì)，并且制備成本低，產(chǎn)率高；缺點是產(chǎn)物的熒光量子效率較低。

圖3 電化學氧化法制備碳點示意圖[26]

2.1.4 酸氧化法

酸氧化法主要是通過酸處理碳源[8]，使碳源表面的官能團氧化從而可以產(chǎn)生熒光。2007年，Liu等[27]通過酸氧化蠟燭燃燒產(chǎn)生的煙灰制備了多色熒光碳點，用聚丙烯酰胺凝膠電泳法對制備的碳點進行了純化。作者認為酸處理有以下幾個作用：(1)將碳聚集物分解成小的納米顆粒；(2)增加碳納米顆粒的溶解性；(3)影響碳點的熒光性質(zhì)。2009年，Ray等[28]通過相同的方法制備出碳點，他們將蠟燭煙灰與5 mol·L-1的硝酸在回流的條件下反應12 h，得到尺寸2～6 nm的碳點。并且他們發(fā)現(xiàn)蠟燭煙灰與硝酸回流在12 h內(nèi)碳點的熒光量子產(chǎn)率隨時間延長而增加，回流超過12 h則對碳點的熒光量子產(chǎn)率沒有影響。文獻[29]將天然氣燃燒煙塵在硝酸中回流制備得到碳點，作者通過核磁共振和紅外光譜對制備的碳點進行了表征，證實了以芳基和羧基/羰基的形式存在sp2碳，這表明光致發(fā)光可能來自粒子的表面態(tài)。Guo等[30]通過硝酸氧化活性炭得到了平均直徑為5 nm的具有綠色熒光的碳點，同時用硼氫化鈉后處理還原碳點發(fā)現(xiàn)其熒光量子產(chǎn)率從2%提高到了11%。作者分析化學還原增加了碳點上羥基的數(shù)量，同時減少了羰基的數(shù)量，從而增加了表面態(tài)發(fā)光，提高了熒光量子產(chǎn)率。酸氧化法制備碳點方法簡單，實驗設備要求較低，但是制備碳點的產(chǎn)率普遍偏低，分離較為困難，并且一般需要對碳點進行后處理鈍化。

2.2 自下而上法

2.2.1 熱解法

熱解法制備碳點主要是以有機物作為碳源，在高溫下熱解碳化從而形成碳點。2008年，Giannelis團隊[31]通過高溫熱解檸檬酸銨鹽一步得到了碳點，通過后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)碳點的熒光特性與其表面與酰胺相關(guān)的官能團有關(guān)，并且過高的反應溫度會導致碳點的聚合，從而降低碳點的產(chǎn)率與熒光量子效率。2010年，Wang等[32]通過在氬氣氣氛下將檸檬酸在LiNO3熔融鹽中熱氧化反應制備出了白光碳點，其熒光量子產(chǎn)率為53%。由于堿金屬硝酸鹽的熔點較低，與大多數(shù)固態(tài)反應相比，熔融硝酸鹽中的反應是軟化學的一個分支，這也是在溫和條件下制備碳點的一個先例。此后，Wang等[33]首次用有機硅烷作為配位溶劑和功能化試劑，通過熱解有機硅烷和有機酸的混合物在短時間內(nèi)一步制備了硅烷功能化的無定形碳點，制備過程如圖4所示。這種碳點具有良好的生物相容性，熒光量子產(chǎn)率可達47%，該合成路線為碳點的制備提供了一種新的思路。除了以一些有機酸作為反應的原材料，Liu等[34]在濃硫酸條件下，140 ℃熱解乙二醇一步碳化合成了水溶性石墨化碳點。在沒有鈍化的情況下，其熒光量子產(chǎn)率達到了25%，將反應溫度降低至80 ℃，其熒光量子產(chǎn)率大幅度提高至62.9%，說明溫度對熱解制備碳點起到了一定的調(diào)節(jié)作用。該方法制備的石墨化碳點對水中的Hg2+具有良好的選擇性和敏感性。熱解法制備碳點碳源種類廣泛，例如己烷[35]、檸檬酸和乙二胺[36]、馬來酸酐和四乙烯五胺[37]等，這種方法制備過程簡單，可以通過調(diào)整熱解溫度調(diào)節(jié)碳點的發(fā)光性質(zhì)；并且相對于前面所提到的制備方法，熱解法制備碳點的熒光量子效率較高。

圖4 光致發(fā)光CDs、柔性CDs薄膜和CDs/二氧化硅顆粒制備原理圖[33]。

2.2.2 水/溶劑熱法

水熱法是通過將碳源與溶劑混合、在高壓釜中加熱制備碳點的一種方法，值得一提的是，水熱法是目前最常用的制備碳點的方法。2010年，Zhang等[38]使用L-抗壞血酸為碳源，采用水熱法直接制備了熒光碳點，合成的碳點具有較高的光致發(fā)光效率(6.79%)，其直徑約為2.0 nm。作者發(fā)現(xiàn)通過水熱法制備的碳點既不需要用強酸處理，也不需要表面改性即可產(chǎn)生熒光，并且在水溶液中至少可以穩(wěn)定存在半年以上。此后，Yang等[39]在磷酸二氫鉀存在下，利用葡萄糖水熱處理合成了熒光碳點。通過簡單地調(diào)整磷酸二氫鉀的濃度，制備了熒光發(fā)射可調(diào)諧的碳點。作者將制備的碳點應用于細胞毒性測試，在碳點濃度達到0.625 mg·mL-1時，細胞存活率在72 h后仍高達95%，說明碳點具有較小的生物毒性。2012年，Chang課題組[40]經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)含氨基和羧酸基團的化合物適合制備高光致發(fā)光和水溶性的碳點。他們通過實驗提出了碳點的生成要經(jīng)歷4個階段：脫水、聚合、碳化和鈍化，如圖5所示。最初，反應物分子由于氫鍵作用力產(chǎn)生聚集；然后，在加熱(脫水)過程中，聚合發(fā)生，生成小的碳核；隨著反應時間的增加反應物分子向碳核表面擴散，產(chǎn)生的碳核隨之增大，最終生成碳點。Lu課題組[41]開發(fā)了一種簡單、方便、可控的單反應體系水熱制備CDs的方法。通過控制反應溫度等條件，合成了具有尺寸效應的碳點，隨著尺寸的增大，激發(fā)波長會逐漸紅移。許多天然的生物質(zhì)比如橙汁[42]、柚子皮[43]、煙絲[44]、紅豆杉[45]等都可以被用來制備碳點。水熱法制備碳點，原材料來源十分廣泛，反應設備簡單，反應條件易控，并且由于反應在密閉的反應釜中進行而避免了空氣中雜質(zhì)的影響，制備的碳點較為均勻。水熱法合成的大部分碳點都具有良好的水溶性，但是由于水熱釜容積有限，一次性制備碳點的量有限，并且水熱法制備碳點會產(chǎn)生較多的雜質(zhì)，導致分離提純碳點困難，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

圖5 甘氨酸通過脫水、聚合、碳化和鈍化合成碳點示意圖[40]。

2.2.3 微波加熱法

Yang課題組[46]于2009年采用一種新的方法合成了發(fā)射綠色熒光的碳點。他們將聚乙二醇與糖類在水溶液中混合，然后通過微波輔助加熱合成了量子產(chǎn)率6.3%～3.1%的具有激發(fā)依賴行為的碳點。微波加熱法合成碳點是利用微波在短時間內(nèi)快速升溫使反應物單體聚合碳化從而生成碳點的一種方法，為碳點的合成提供了一種新的快速的方法[47]。Peng等[48]用糖類作為反應的碳源，經(jīng)4，7，10-三氧-1，13-十三烷二胺(TTDDA)、乙二胺、油酰胺或PEG1500在氮氣氛圍下鈍化72 h后也獲得了熒光碳點。體系中不添加鈍化劑也可以生成碳點，但是生成的碳點不規(guī)則，且熒光強度較弱。Wang等[49]在此基礎(chǔ)上對微波加熱法進行了改進，以碳水化合物(甘油、乙二醇、葡萄糖、蔗糖等)和少量無機離子為原料，無需鈍化劑，在幾分鐘內(nèi)即可得到碳點。同時，作者發(fā)現(xiàn)加入三價離子會提高碳點的產(chǎn)率及熒光量子效率。Jiang等[50]將組氨酸溶解在磷酸溶液中通過微波加熱法制備出熒光量子產(chǎn)率高達44.9%的藍色熒光碳點。Sun等[51]將檸檬酸與甲酰胺溶液混合后微波加熱，制備了發(fā)射波長約為640 nm的碳點。微波加熱法制備碳點具有方便快捷、制備條件簡易、原料易得等優(yōu)點，但是仍有反應過程不穩(wěn)定、反應溫度不易控制、熒光量子產(chǎn)率較低等缺點。

2.2.4 模板法

碳點作為一種納米尺寸的碳化量子點，在合成的過程中十分容易團聚，而模板法則可以有效地避免碳點團聚，形成尺寸均勻的碳點。2009年，Liu等[52]首次提出了通過模板法制備碳點。首先，他們利用兩親性三嵌段共聚物F127修飾硅膠球體作為載體，以可溶性酚醛樹脂作為碳源，制備出球形聚合物/F127/二氧化硅復合物；隨后通過高溫處理并用氫氧化鈉去除二氧化硅載體，再經(jīng)過酸處理和表面鈍化，制備過程如圖6所示，制備出了尺寸在1.5～2.5 nm的碳點，熒光量子產(chǎn)率為14.7%。Zong等[53]以介孔二氧化硅球為納米反應器，采用浸漬法制備親水性碳點，他們將二氧化硅球浸入到檸檬酸和鹽的溶液中，經(jīng)過高溫煅燒、氫氧化鈉刻蝕、透析得到了尺寸在1.5～2.5 nm的熒光碳點。2017年，Gu等[54]通過將葡萄糖分子裝入金屬有機骨架(MOFs)的孔隙、加熱到200 ℃生成了碳點。CDs的大小和間距可以通過不同模板MOF來控制，比如HKUST-1、ZIF8或MIL-101，得到的CDs尺寸約為1.5，2.0，3.2 nm，與相應的MOF孔徑尺寸相近。該方法合成的碳點具有良好的發(fā)光性能，發(fā)射波長隨著尺寸的增加而紅移。模板法合成碳點步驟如下：首先在模板上合成碳點，然后通過加熱、酸(或堿)刻蝕等手段除去模板。模板法合成碳點的優(yōu)點在于可以通過模板的大小控制碳點的尺寸，并在合成的過程中減少碳點的聚集，制備的碳點尺寸均勻，熒光量子產(chǎn)率較高；缺點是有些模板與碳點難以分離，并且在酸堿刻蝕或者加熱去除模板的過程中有可能會影響碳點的熒光性能。

圖6 多色光致發(fā)光碳點合成示意圖[52]

2.2.5 其他方法

隨著對碳點的研究不斷深入，除了以上合成方法，近年來發(fā)展出一些新的碳點制備方法。 2011年，Li[55]以活性炭為原料，與過氧化氫混合后采用超聲法一步合成了具有優(yōu)良的上轉(zhuǎn)換熒光性能的水溶性熒光碳點。2016年，Chen等[56]以對苯二酚和乙二胺為前體，通過乙二胺催化過氧化氫在室溫下分解放出大量熱，從而合成了熒光量子產(chǎn)率為24.6%的碳點。后來，Chen等[57]將對苯二酚與過氧化氫在室溫下混合，再與三乙基四胺反應，通過反應過程中自發(fā)放出的熱量合成出了平均尺寸為4.5 nm的碳點。自放熱反應合成碳點具有反應原料易得、反應時間短、裝置簡單的優(yōu)點，并且合成過程沒有過多的能量損耗，節(jié)約能源，碳點產(chǎn)率較高，近年來受到了越來越多的關(guān)注。

3 碳點的發(fā)光機理

實驗中，由于使用的碳源不同，因此合成的碳點光學性質(zhì)差別也較大，不過通常條件下碳點在270～360 nm的紫外光區(qū)有一個或者多個吸收峰。碳點與量子點類似，帶隙通常在可見光范圍內(nèi)，因而碳點具有光致發(fā)光現(xiàn)象，這也是碳點最具有優(yōu)勢的特征。但是，因為碳點的原料來源廣泛，制備方法多，其結(jié)構(gòu)較為復雜，發(fā)光機理多種多樣，并不能完全解釋清楚[58]。目前，關(guān)于碳點的發(fā)光原理分為內(nèi)部主導因素與外部主導因素。內(nèi)部主導因素主要有以下三種解釋：(1)由Bourlinos等[31]提出，他們通過熱分解有機物得到碳點，認為碳點的發(fā)光是由于形成了多種芳香化合物所導致的。有機化合物在熱解的過程中出現(xiàn)了碳原子的重新組合，形成與石墨氧化物等類似的多環(huán)芳香化合物，引起碳點發(fā)光。(2)由Zhao等[14]提出，他們通過一種簡單的電化學氧化法制備出了尺寸不同的碳點，發(fā)現(xiàn)隨著碳點直徑的增加，熒光發(fā)射峰逐漸紅移，因此認為碳點的熒光發(fā)射與量子點相似，是由尺寸決定的，但是有許多情況會違反這種依賴性。2018年，本課題組[59]以檸檬酸和尿素作為反應原料，改變反應溫度以及反應物的配比，通過水熱法制備了從藍色一直到紅色發(fā)射的系列熒光碳點，如圖7所示。通過研究發(fā)現(xiàn)碳點發(fā)射波長的變化與碳點石墨化程度和表面官能團的含量有關(guān)，發(fā)射波長的紅移是石墨化程度的增加或有效共軛長度的增大所致，而不是由于尺寸的增大，這一研究為制備不同發(fā)射波長的碳點提供了指導。(3)Sun等[60]認為碳點的發(fā)光是由于碳點在合成的過程中產(chǎn)生了表面的能量陷阱，通過表面修飾后即可產(chǎn)生熒光發(fā)射，主要考慮兩類表面狀態(tài)，即表面構(gòu)型和摻雜原子[61]。除了以上三種解釋之外，協(xié)同作用促使碳點發(fā)光更容易被接受[62]，即碳點的發(fā)光是由于多種作用相互協(xié)同所導致的。一些研究顯示碳核與碳點的表面態(tài)都是碳點發(fā)光的原因[63-64]，也有研究表明碳點的共軛作用與碳點表面的缺陷是導致碳點發(fā)光的原因[65]。而外部主導因素主要是由于分子態(tài)和環(huán)境效應所引起的[56]，碳點合成過程中的分子態(tài)是影響其發(fā)射的一個重要因素，而環(huán)境所導致的溫度、壓力、PH值等差異同樣會影響碳點的發(fā)光。目前對碳點的研究逐漸深入，但是由于合成碳點的碳源種類繁多，影響碳點合成的因素過多，合成的碳點發(fā)光性質(zhì)各不相同，因此對碳點發(fā)光機理的解釋還并不完善，尚需更深入的研究和更核心的理論提出。

圖7 以檸檬酸和尿素為原料制備的碳點乙醇溶液在不同反應條件下的光學性質(zhì)。(a)不同反應條件下制備的發(fā)光碳點在不同激發(fā)光下的光學圖像；(b)不同檸檬酸/尿素量比和不同反應溫度下碳點的最大發(fā)射峰[59]。

4 碳點與碳點復合材料的應用

碳點相對于傳統(tǒng)的半導體發(fā)光材料具有更加優(yōu)良的應用潛力，由于碳點在合成的過程中沒有重金屬參與反應，因此碳點材料具有無毒、生物相容性良好、對環(huán)境污染小的優(yōu)點。碳點在合成的過程中通過控制反應條件，可以調(diào)控其尺寸大小和發(fā)射波長，具有重要的實際應用價值。

4.1 生物醫(yī)學成像

Sun等[2]最先報道了熒光碳點在生物成像中的應用。他們用PEG1500鈍化碳點，然后與一定濃度的大腸桿菌懸液混合；在無菌的試管中，室溫下旋轉(zhuǎn)18 h，10 000 r/min離心，得到用碳點標記的細胞懸液，作者用不同波長激發(fā)光照射得到了具有不同發(fā)射的細胞圖像。Xu等[66]以l-胱氨酸和鄰苯二胺作為原料通過水熱法制備出了最大發(fā)射波長為648 nm的氮硫共摻雜熒光碳點。他們以293T細胞作為模型體系，與碳點溶液混合培養(yǎng)，隨著碳點溶液濃度的不斷提高，其熒光成像的強度也不斷提高，并且當碳點溶液濃度較高時，細胞的存活率仍超過80%，說明熒光碳點不但具有良好的成像能力，其生物毒性也較低，對細胞的傷害較小。Zuo等[67]將4，5-二氟-1，2-苯二胺與酒石酸通過水熱反應得到了F摻雜的熒光碳點(F-CDs)，其熒光最大發(fā)射可達600 nm左右，具有良好的水溶性，并且對廣泛的pH變化有很好的穩(wěn)定性。作者選擇了HEK293細胞和B16F10細胞分別作為正常細胞和癌細胞，研究F-CDs的生物成像能力，通過改變F-CDs的濃度得到了清晰的細胞圖像，并且當F-CDs的濃度較高時，細胞仍有90%以上的存活率，證明F-CDs具有良好的生物相容性。Su等[68]通過對苯二胺和天冬氨酸的一鍋水熱處理制備了黃色發(fā)射的CDs，其具有優(yōu)異的光學特性、良好的生物相容性和低細胞毒性，將細胞用碳點處理，得到了清晰的細胞圖像。長波長發(fā)射的碳點可以很好地避免生物體自熒光對成像清晰度的影響，并且對細胞的影響較小。Yang課題組[45]通過對紅豆杉提取物進行處理得到了窄全寬半峰和高深紅/近紅外發(fā)射的CDs。Shan課題組[69]首次采用無溶劑原位碳化法制備了具有57%光致發(fā)光量子產(chǎn)率的紅/近紅外發(fā)射碳點，具有良好的生物相容性和生物成像能力。Qu課題組[70]利用富含亞砜/羰基的分子或聚合物對碳點表面進行修飾，得到了紅/近紅外發(fā)射碳點。隨著研究的不斷進步，紅/近紅外發(fā)射碳點不斷被報道，極大地促進了碳點在生物成像領(lǐng)域的發(fā)展。

4.2 分子與離子檢測

4.2.1 陽離子檢測

一般情況下，以陽離子的形式存在的污染物主要是各種重金屬離子，如Hg2+、Cu2+、Pb2+、Cd2+、Fe3+[71]和Zn2+等，這些離子存在于環(huán)境中，對生物體的健康產(chǎn)生了巨大的威脅，如何檢測并特定地識別這些離子是目前比較困難的一個問題。由于碳點容易被電子受體高效猝滅，因此碳點也可被用做陽離子的檢測試劑。另外，碳點表面能夠被特定的基團修飾(如羧基、氨基和羥基)，提高了其對靶點的選擇性，可以作為檢測特定離子的檢測試劑[72]，碳點已被越來越多地應用到各種重金屬離子的檢測中。Cui等[73]開發(fā)了基于碳點(CQDs)標記的寡脫氧核糖核苷酸(ODN)和氧化石墨烯(GO)的熒光光譜分析系統(tǒng)，用于水體中汞(Ⅱ)的檢測。ODN可以修飾到CQDs表面，形成ODN-CQDs，ODN-CQDs在氧化石墨烯存在的條件下會吸附到氧化石墨烯的表面產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移，導致熒光猝滅。而Hg2+可以促進氧化石墨烯表面ODN-CQDs的釋放，從而誘導熒光的恢復，過程如圖8所示，通過這一特性可以對Hg2+進行較為精確的檢測。Liu等[74]在羅丹明B摻雜二氧化硅納米顆粒表面包覆CDs，制備了基于CDs的銅離子納米傳感器。他們以N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(AEAPMS)為主要原料合成熒光CDs，使CDs表面殘留的乙二胺基團和甲氧基硅烷基團分別作為Cu2+的識別位點和硅化反應的位點。這種納米傳感器在光激發(fā)下顯示了羅丹明B(紅色)和CDs(藍色)的特征熒光發(fā)射，在與Cu2+結(jié)合后，CDs的熒光被猝滅，只剩下羅丹明B的特征熒光，從而檢測Cu2+的存在。Song等[75]以氨基水楊酸作為碳源制備了氮摻雜熒光碳點，氮的摻雜不僅極大地提高了CDs的光致發(fā)光(PL)效率和發(fā)光可調(diào)性，而且豐富了碳點表面官能團，可以應用于Fe3+的檢測。Wu等[76]制備了可以檢測Pb2+的碳點，這種碳點可以與Pb2+形成復合物從而導致碳點的熒光猝滅，以此檢測Pb2+的存在。Niu等[77]建立了一種高效的碳量子點/金納米團簇(CQDs/AuNCs)納米雜交比值熒光探針，用于對鎘(Ⅱ)離子的敏感和選擇性檢測。此外，Zhang等[78]用喹啉衍生物對碳點表面進行了修飾，使碳點對Zn2+具有高度特異性識別能力，檢出限可低至6.4 nmol·L-1。同時，這種Zn2+檢測器具有良好的水溶性、生物相容性和細胞膜通透性，可以被用作細胞的成像試劑。碳點表面含有豐富的官能團，這些官能團可以與一些特定的金屬陽離子反應，改變碳點的熒光性質(zhì)，通過碳點熒光性能的變化較為直觀地檢測金屬離子的存在。

圖8 基于石墨的Hg2+檢測器機理示意圖[73]

4.2.2 陰離子檢測

4.2.3 分子檢測

碳點表面含有豐富的官能團，可以與一些化學物質(zhì)發(fā)生反應，改變碳點的熒光性質(zhì)，因此碳點可以作為熒光探針來檢測特定的化學物質(zhì)或者小分子，比如氨基酸、四環(huán)素[82]等。Shan課題組制備了一種可以檢測TCPO-H2O2體系中痕量H2O2和葡萄糖[83]的碳點材料，溶液中的碳點會與葡萄糖和H2O2反應，產(chǎn)生化學發(fā)光，具有很高的選擇性和靈敏度，檢出限分別為11.7 μmol·L-1和12.6 μmol·L-1。碳點還可以用于檢測氨基酸，Luo課題組[84]利用槲皮素和乙二胺制備了一種對pH敏感的熒光碳點，研究發(fā)現(xiàn)pH值的變化會造成碳點聚集導致熒光猝滅，作者將其應用于天冬氨酸和谷氨酸的檢測。碳點也可以用于DNA的檢測，Gomez課題組[85]利用海藻作為前驅(qū)體，采用水熱法制備了氮摻雜碳點，合成的碳點在凝膠電泳中可以作為優(yōu)良的熒光載體檢測DNA條帶，是一種良好的核酸標記試劑。碳點與傳統(tǒng)的檢測試劑相比具有良好的選擇性與靈敏度，對生物體的毒性更小，對環(huán)境的污染小，具有很大的應用潛力，但是限制其應用的仍然是無法大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

4.3 催化應用

4.3.1 光催化

光催化氧化還原技術(shù)是一種新型、綠色的化學催化技術(shù)，在新能源等方面具有重要的應用前景。碳點具有光誘導電子轉(zhuǎn)移[86-87]、氧化還原、可見光吸收[88-90]等優(yōu)良性質(zhì)，并且毒性低，對環(huán)境友好，同樣具有良好的發(fā)展前景。2010年，Kang等[25]報道了一種簡單的一步堿輔助電化學制備的具有尺寸依賴光致發(fā)光(PL)和優(yōu)異上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能的CQDs，其尺寸為1.2～3.8 nm。他們用溶膠-凝膠法制備了二氧化鈦/碳點(TiO2/CQDs)和二氧化硅/碳點(SiO2/CQDs)復合材料，并在光照下有效降解了亞甲基藍。他們進一步解釋了光催化反應的過程。當二氧化鈦/碳點或二氧化硅/碳點納米復合光催化劑被光照射，碳點吸收長波長的光，然后發(fā)出波長較短的光作為上轉(zhuǎn)換的結(jié)果，進而激發(fā)二氧化鈦或者二氧化硅形成電子空穴對。然后，電子轉(zhuǎn)移到碳點上，空穴留在二氧化鈦或者二氧化硅上，產(chǎn)生有效的電子空穴對分離，從而降解亞甲基藍，機理如圖9所示。隨后，該課題組將碳點嵌入到氮化碳(C3N4)中[91]，制備出了一種無金屬碳納米點-氮化碳(C3N4)納米復合材料，這種復合材料在光催化太陽能水分解方面具有優(yōu)異的性能。在入射光波長為λ=(420±20) nm時，量子效率為16%；入射光波長為λ=(580±15) nm時的量子效率為6.29%；入射光波長為λ=(600±10) nm時的量子效率為4.42%。碳點的加入拓寬了C3N4對可見光的吸收范圍，并且碳點-氮化碳復合材料具有很高的穩(wěn)定性，在超過200天的200次循環(huán)使用后仍保持穩(wěn)定性。我們課題組[92]以檸檬酸和尿素粉末為原料，在控制溫度下，通過一步均相熱裂解將碳點結(jié)合到氮化碳中，合成了g-C3N4-C光催化劑。通過控制反應溫度，對反應的過程進行了分析，發(fā)現(xiàn)在200～300 ℃的溫度范圍內(nèi)，帶有封端尿素的CDs可以在熔融的檸檬酸/尿素溶液中形成。因此，CDs在最終的g-C3N4-C復合材料中的負載可以容易地通過檸檬酸的添加量來控制。合成的g-C3N4-Cx復合材料光催化劑的帶隙通過控制檸檬酸的負載有效地從2.84 eV微調(diào)到2.08 eV。通過追蹤光生電子和空穴的轉(zhuǎn)移路線，我們發(fā)現(xiàn)光生電子被轉(zhuǎn)移到CDs中，相應的空穴保留在g-C3N4上，證明了CDs在g-C3N4-Cx復合物中具有兩種功能。一個功能是產(chǎn)生H2的電子受體和助催化劑，另一個功能是分解水氧化產(chǎn)生的H2O2的催化劑。這項工作為設計更穩(wěn)定和高效的無金屬光催化劑提供了思路。Tang課題組[93]通過微波法制備了一種具有獨特的空穴接受特性的碳點，添加到氮化碳中，可以延長氮化碳的電子壽命，更有可能被用于吸附質(zhì)子和電子轉(zhuǎn)移[94]，這種催化劑在光照下可以在水溶液中將二氧化碳轉(zhuǎn)化成醇類。這項工作也證明碳點在光催化應用中的獨特作用。

圖9 TiO2/CQDs在可見光下的催化機理[25]

4.3.2 電催化

碳點具有高比表面積、優(yōu)良的導電性、高孔隙率以及吸附能力，使其在電化學方面成為潛在的優(yōu)良材料。Yang等[95]通過一步電沉積金屬硝酸鹽和氮摻雜碳點(N-CQDs)，制備了亞納米NiFeOx團簇和氮摻雜碳點的高耦合雜化材料。由于NiFeOx團簇與氮摻雜碳點之間存在較大且高度耦合的界面，NiFeOxNC雜化材料表現(xiàn)出優(yōu)越的電催化析氧性能(OER)，作者將其與商用的RuO2催化劑和DSA電極進行了比較，證明其具有較低的過電位和更快的動力學，以及在實際操作條件下良好的長期耐用性和環(huán)境適應性。Xiong課題組[96]提出了一種簡單的利用CDs制備Co9S8/碳雜化材料的策略，通過將CDs和Co9S8納米粒子包埋在N和S共摻雜的碳基體中，獲得了Co9S8/CD@NSC材料，制備過程如圖10所示。CDs的引入降低了Co9S8納米粒子在合成過程中的生長和聚集，促進了其在碳基體中的分布，最終提高了產(chǎn)物的比表面積和電導率。Co9S8/CD@NSC對氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)均表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和長期耐用性，其催化性能優(yōu)于單純的Co9S8@NSC、商業(yè)Pt/C電極和RuO2催化劑。這項工作為非貴金屬基ORR和OER雙功能催化劑的合成提供了新的思路。過渡金屬磷化物(TMPs)具有催化效率高、成本低等優(yōu)點，是催化析氫反應(HER)的良好電催化劑。Chen等[97]在TMPs表面沉積碳量子點(CQDs)，通過增加TMPs表面積和活性位點數(shù)量提高了催化析氫的性能。此外，其在酸和堿溶液中也能穩(wěn)定存在。

圖10 Co9S8/CD@NSC和Co9S8@NSC的制備程序示意圖[96]

4.4 碳點復合材料的應用

目前有很多碳點復合材料的報道，值得一提的是碳點的磷光材料。生物體中由于含有種類繁多的化學物質(zhì)，比如核黃素、葉酸、酪氨酸、色氨酸等，在紫外光照射時會產(chǎn)生很強的自體熒光現(xiàn)象[98]，因此，可以通過提高成像劑的發(fā)射波長或者通過延時發(fā)光來避免自體熒光的影響，提高成像的精確性。2013年，Song等[99]將四乙酸二鈉鹽在高溫下反應得到的碳點與聚乙烯醇(PVA)溶液混合干燥后首次觀察到了磷光現(xiàn)象，作者分析是碳點表面的官能團與聚乙烯醇形成了氫鍵，通過氫鍵的固定作用在一定程度上限制了碳點表面官能團的振動與轉(zhuǎn)動，穩(wěn)定了三重激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生磷光的現(xiàn)象。一般與碳點復合產(chǎn)生磷光的基體有沸石[100]、硅膠、聚合物等，碳點的磷光材料與碳點一樣具有發(fā)光波長和尺寸可調(diào)的優(yōu)點，并且由于磷光發(fā)光時間長、信噪比高等特點，因此在生物成像領(lǐng)域具有很大的應用潛力，成為目前研究的熱點。

Liu等[101]通過將碳點與二氧化硅負載，制備得到了磷光壽命1.64 s的磷光材料CDs@SiO2，在紫外光激發(fā)下，其延時發(fā)光肉眼可見可達10 s。作者分析是碳點表面的官能團與硅膠生成的C—O—Si共價鍵穩(wěn)定了三重激發(fā)態(tài)，從而產(chǎn)生長壽命的磷光。他們還將磷光材料與豆芽共同培養(yǎng)，從而將磷光材料引入到植物體中，在紫外燈關(guān)閉之后，經(jīng)過處理的豆芽仍能觀察到明亮的磷光，如圖11所示，從而避免了生物體自體熒光對成像的影響。Shan等[102]將碳點(CNDs)采用二氧化硅封裝，制備了二氧化硅碳點材料(WSP-CNDs@silica)，二氧化硅的包覆既保證了CNDs的溶解性，還將CNDs與水溶液中溶解的氧隔離開來，碳點與二氧化硅生成的共價鍵穩(wěn)定了三重激發(fā)態(tài)，促進了長壽命磷光的產(chǎn)生。作者對WSP-CNDs@silica進行了細胞毒性測試，當WSP-CNDs@silica的濃度增加到100 μg/mL，培養(yǎng)48 h后，細胞的存活率仍在90%以上。同時作者用WSP-CNDs@silica對DC2.4細胞進行了生物成像測試，發(fā)現(xiàn)碳點材料可以很好地被細胞吸收，并能夠在光源關(guān)閉后產(chǎn)生很強的磷光，獲得了細胞清晰的成像。作者進一步使用WSP-CNDs@silica進行了小鼠活體成像測試，體內(nèi)余輝成像采用IVIS活體成像系統(tǒng)，將碳點材料注射到小鼠背部的皮膚下，通過紫外光源激發(fā)，收集到了很明顯的磷光信號，這說明WSP-CNDs@silica材料可以作為生物成像試劑。Li等[103]將丙烯酰胺加入到檸檬酸尿素體系中，制備出了具有良好水溶性的碳點，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)其具有磷光性質(zhì)，作者將其添加到墨水中制備出了新型防偽墨水，可應用于信息加解密、高級防偽和復雜圖案的隱藏。近年來對磷光碳點材料的研究不斷發(fā)展，極大地拓展了碳點在生物成像[104]、信息加密[105]、光電器件[106]等領(lǐng)域的應用潛力，但目前的磷光碳點材料很少有長波長磷光發(fā)射的報道，如何增強其發(fā)射波長，使其具有更強的穿透能力仍是其面臨的主要挑戰(zhàn)之一。并且磷光碳點材料的延遲發(fā)光時間要比其熒光長很多，如何進一步增加延遲發(fā)光的時間也是科研人員追求的目標之一。

圖11 未經(jīng)處理的豆芽(左)和經(jīng)過CDs@SiO2處理的豆芽(右)在365 nm紫外光照射中和關(guān)閉紫外光之后的對比圖[101]

除了磷光碳點材料，還有許多其他的碳點復合材料，比如碳點在電極材料中的應用[107]。硬碳材料具有較好的性價比，被認為是最有前途的鈉離子電極材料。然而，與鋰離子電池石墨電極相比，其相對較低的比容量和初始庫倫效率(ICE)仍然限制了其進一步發(fā)展。Xie等[108]利用水熱碳化的方法，將制備得到的碳點制作成電極并應用到鈉離子電池的陽極上，其初始庫倫效率為91%，是目前報道的最高值之一。碳點由于其出色的光致發(fā)光性能，在LED[109-112]、指紋檢測[113]等方面同樣具有巨大的應用潛力。一些碳點復合材料具有良好的生物相容性與低毒性等優(yōu)點[114]，被用作光診療、光聲治療和光熱治療藥物[115-116]、生物監(jiān)測劑[117]、藥物治療[118-119]等，進一步擴大了碳點的應用范圍，提升了碳點的應用潛力。

5 碳點目前所面臨的問題與展望

隨著科研人員對碳點的研究不斷深入，碳點的實際應用也在不斷擴充，碳點不僅有良好的光致發(fā)光特性，還具有良好的生物相容性和環(huán)境友好性，但是目前其制備與應用方面仍存在著一些局限性：(1)合成碳點的原料來源廣泛，合成方法較多，給碳點帶來了多樣的性質(zhì)，但同時也帶來了對其微納結(jié)構(gòu)的研究難度，其發(fā)光機理與形成過程尚不明確。(2)長波長發(fā)射的碳點在生物成像、文件加密等領(lǐng)域有巨大的應用潛力，但是由于制備方法與對其發(fā)光機理研究的局限性，高效水溶性長波長碳點目前依然很稀缺，因此如何可控地合成高效率長波長水溶性的碳點是未來發(fā)展的方向。(3)目前的合成方法制備的碳點提純步驟復雜、有機溶劑消耗大，即使是提純后的碳點其精確結(jié)構(gòu)(分子量、組成、晶格缺陷、雜原子占位等)也還不能完全確定。因此，開發(fā)標準化的碳點合成方法、提純流程以及精確結(jié)構(gòu)表征手段具有重要意義。(4)目前碳點在熒光探針和生物成像等方面的應用已經(jīng)得到廣泛的研究，碳點具有高選擇性、高靈敏度、響應速度快、成本低等優(yōu)點，但是其應用基本還處于實驗室階段，進一步提高其穩(wěn)定性、選擇性與抗干擾能力，走向臨床化是下一階段的努力方向。碳點具備其他量子點所沒有的諸多優(yōu)點，在催化、檢測、成像等領(lǐng)域有著巨大的應用潛力。目前，碳點不斷向著制備簡單、提純方便的方向發(fā)展，相信隨著對碳點研究的不斷深入，碳點面臨的局限性將被一一解決。

6 結(jié) 論

碳點作為一種新型的碳納米材料，具有優(yōu)異的熒光性質(zhì)、低毒性、良好的生物相容性和廉價的制備成本等特點，引起了越來越多科學家的研究興趣，并逐漸在生物成像、生物分子檢測、金屬離子測定等領(lǐng)域嶄露頭角。但是，碳點也面臨著一些問題，例如熒光量子效率較低，發(fā)射波長主要集中在藍綠光區(qū)，因此，進一步優(yōu)化碳點的合成方法、探究碳點的發(fā)光原理是解決這些問題的一個途徑。相信隨著碳點合成及修飾技術(shù)的不斷完善，碳點必將會在生物化學、材料等領(lǐng)域展示良好的發(fā)展前景。

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