張 彥， 李 敏， 姜晶晶， 雙少敏， 董 川

(山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，環(huán)境科學(xué)研究所，山西太原 030006)

1 引言

碳點(diǎn)(CDs)是一種尺寸小于10 nm的分散的類球形熒光碳納米顆粒。2004年，Xu等[1]利用電泳純化由電弧放電法制備單壁碳納米管時，首次得到了發(fā)熒光的碳納米粒子，并且在366 nm波長的激發(fā)下有藍(lán)綠光、黃光和橙光三種譜帶。2006年，Sun等[2]以石墨粉為原料制備出了熒光性能較好的碳納米粒子，將其成功用于多光子成像，并首次稱其為CDs。由此引起越來越多的研究者對這種熒光碳納米顆粒研究的興趣[3 - 6]。CDs作為一種新型熒光納米材料，由于其具備發(fā)光范圍可調(diào)、易于實(shí)現(xiàn)表面功能化、光穩(wěn)定性好、無毒和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)[7 - 9]，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起了人們極大的研究興趣，在細(xì)胞成像[10 - 12]、生物標(biāo)記[13]、分析監(jiān)測[14 - 15]、藥物傳遞、光電轉(zhuǎn)換以及催化[16]等領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，熒光碳點(diǎn)可通過一步法大規(guī)模合成，合成原料廉價易得[17 - 18]，省時高效，并且能克服傳統(tǒng)量子點(diǎn)帶來的重金屬泄露、毒性大、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題[19 - 20]，這使CDs成為傳統(tǒng)量子點(diǎn)的理想替代者。

近年來，關(guān)于CDs的研究主要集中在開發(fā)更為快捷簡便的制備方法，以及高效利用CDs的熒光特性兩方面[21 - 22]。目前，關(guān)于CDs的制備、表面功能化及其在活體成像等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展已有報道[23 - 26]。本文在前人的基礎(chǔ)上對CDs的制備及其在分析檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)綜述。

2 碳點(diǎn)的性能

CDs是熒光碳納米材料中最重要的一種，是一種單分散的、幾何形狀近乎準(zhǔn)球型的新興零維半導(dǎo)體納米晶體[27 - 28]。CDs的粒徑一般只有幾個納米，分子量只有幾千到幾萬，CDs通常由C、H、O、N四種基本元素組成，大多數(shù)制備的CDs表面都含有豐富的官能團(tuán)(如羥基，羧基，氨基等)，通過表面官能團(tuán)將CDs與具有生物活性的分子修飾可以進(jìn)一步提高其生物相容性[29 - 31]。

2.1 碳點(diǎn)的光學(xué)特性

CDs在紫外區(qū)域有很強(qiáng)的吸收峰，并且通過改變CDs的尺寸和化學(xué)組成可以使其吸收峰延伸至可見光區(qū)，甚至可覆蓋整個可見光區(qū)，說明CDs在一定程度上屬于半導(dǎo)體材料體系[32]。另外，CDs具有較寬的激發(fā)光譜和窄的發(fā)射光譜，使用同一激發(fā)光源就可實(shí)現(xiàn)對不同粒徑的CDs進(jìn)行同步檢測，因此可用于多色標(biāo)記[33 - 34]。CDs還具有寬大的斯托克斯位移，可避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號的檢測。除此以外，作為一種有潛力在諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用的納米材料，CDs有很強(qiáng)的光穩(wěn)定性且抗光漂白，熒光波長可調(diào)，有較長的熒光壽命，是優(yōu)良的電子給體和受體，具有光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移特性，有些CDs還具有上轉(zhuǎn)換熒光性質(zhì)，促進(jìn)了碳點(diǎn)在熒光標(biāo)記中的應(yīng)用[35 - 36]。

2.2 碳點(diǎn)的低毒性與生物相容性

碳元素以多種形式廣泛存在于自然界中，此外碳元素也是構(gòu)成生物體最基本的元素之一。因此，相對于其他元素構(gòu)成的熒光納米材料，CDs的毒性低且具有良好的生物相容性，可以通過細(xì)胞內(nèi)吞(粒徑只有幾個納米級，修飾后能達(dá)到幾百納米)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部而不影響細(xì)胞核，還可以與DNA生物大分子相互作用，從而進(jìn)行DNA的識別與檢測[37]。此外，CDs表面含有大量功能基團(tuán)，經(jīng)有機(jī)、無機(jī)及高分子聚合物修飾后性能可以得到提升。CDs經(jīng)過生物活性物質(zhì)修飾之后，可進(jìn)行特異性連接，實(shí)現(xiàn)生物活體標(biāo)記和檢測。

除了優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)和生物相容性以外，CDs還具有光電荷轉(zhuǎn)移特性，近紅外發(fā)光特性，高抗鹽性以及擬酶催化的能力。這些特性使得碳點(diǎn)在光催化，發(fā)光材料，光學(xué)器件等領(lǐng)域同樣存在著廣泛的應(yīng)用前景[38 - 41]。

3 碳點(diǎn)的熒光機(jī)理

CDs的熒光機(jī)理一直以來是相關(guān)研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[42 - 43]，由于其種類繁多，制備方法不盡相同，控制熒光的發(fā)光中心也各有差異，本文將已報道的熒光機(jī)理總結(jié)如下：最早解釋CDs發(fā)射熒光現(xiàn)象的是Sun等人[2]，他們認(rèn)為碳點(diǎn)表面經(jīng)過鈍化處理后可能產(chǎn)生多種能量勢阱，由于CDs表面存在大量缺陷，而表面鈍化劑可將有機(jī)聚合物連接到CDs表面的缺陷處，使表面缺陷處的能量高于基態(tài)而發(fā)射出熒光。隨后大量的研究也表明裸露的CDs沒有熒光或熒光強(qiáng)度很弱，只有經(jīng)過表面鈍化修飾后才會表現(xiàn)出強(qiáng)的熒光性質(zhì)[60 - 61,64 - 65,80]。還有一種解釋是量子局限效應(yīng)，即由于尺寸的“局限”造成連續(xù)能級分解為離散能級，從而使物質(zhì)產(chǎn)生了與大塊狀態(tài)時不同的性質(zhì)。CDs的量子局限效應(yīng)認(rèn)為CDs能發(fā)射熒光，是由于其尺寸達(dá)到了納米級。Li等[44]通過電化學(xué)方法合成CDs并用柱色譜將其分離，制備出粒徑為1.2～3.8 nm的CDs，具有尺寸依賴的發(fā)光性能。Bourlinosa等[45]則認(rèn)為CDs發(fā)光是由于出現(xiàn)了多種芳香化合物，這一解釋主要針對熱分解有機(jī)物得到的CDs。有機(jī)物熱分解過程中出現(xiàn)碳原子重新組合，形成了與石墨氧化物或者具有碳氧結(jié)構(gòu)的褐煤、煤炭和腐殖質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)類似的多環(huán)芳香化合物，引起發(fā)光。Baccile等[46]用固體核磁檢測碳水化合物熱分解產(chǎn)物時就發(fā)現(xiàn)，60%的碳具有呋喃類型結(jié)構(gòu)。

目前，CDs的熒光機(jī)理還沒有被完全研究透徹，設(shè)計可行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)進(jìn)一步得到被廣泛接受的熒光機(jī)理可為提高CDs的熒光量子產(chǎn)率提供可靠的理論依據(jù)。

4 碳點(diǎn)的制備

迄今為止，CDs的制備研究己經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，多種合成方法己經(jīng)被成功地研究出來。根據(jù)制備工藝和過程不同，熒光碳點(diǎn)的制備方法可以分為兩類：自上而下(top-down)制備和自下而上(bottom-up)制備。前者指由較大的碳結(jié)構(gòu)裂解為微小的碳納米粒子，后者是以小的分子為前體聚合形成納米級的碳顆粒[47]。

我國應(yīng)該借鑒一元主義的立法，即只有非婚生子女本人可以提起強(qiáng)制認(rèn)領(lǐng)之訴。其理由是:(1)生父可以單方?jīng)Q定任意認(rèn)領(lǐng)，無需再提起此類訴訟。(2)如果生母擁有固有的權(quán)利，則可能和子女自身的權(quán)利發(fā)生沖突。(3)在非婚生子女無民事行為能力或限制民事行為能力時，其監(jiān)護(hù)人可以代為訴訟，非婚生子女行使權(quán)利不受妨礙。

4.1 自上而下制備熒光碳點(diǎn)

常見的自上而下制備方法即通過酸氧化、電弧放電、激光銷蝕和電化學(xué)氧化等方法將體積較大的碳比如石墨、碳管、活性炭等分解為小體積的CDs。自上而下制備熒光碳點(diǎn)是研究較早的CDs制備方法，早期因需要酸氧化、電弧放電等嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)條件而限制了其進(jìn)一步發(fā)展[48 - 50]，為此關(guān)于一步法合成CDs的研究應(yīng)運(yùn)而生。

Ming等[51]僅以石墨棒作為碳源，通過電解超純水獲得的CDs具有水分散性良好、光致發(fā)光性質(zhì)優(yōu)異和純度高等特點(diǎn)。Shi等[52]通過電化學(xué)法切割石墨制得了CDs。將石墨棒插入超純水中，平行放置另一個石墨棒作為對電極，兩電極間相距7.5 cm，靜態(tài)電壓為30 V，提供直流電12 h，持續(xù)攪拌，經(jīng)過濾離心即可得到CDs。Hu等[53]將激光銷蝕和表面鈍化兩步反應(yīng)合并進(jìn)行，即對聚乙烯溶液中的碳粉以激光輻射4 h后得到黑色懸濁液，一步獲得粒徑為3.2 nm的熒光CDs，其量子產(chǎn)率達(dá)12.2%。相比于多步法制備CDs，一步法制備不僅簡化了反應(yīng)過程，制備的CDs熒光性能更好，而且通過選擇不同的有機(jī)溶劑進(jìn)行反應(yīng)，可獲得不同熒光性能的CDs。

Liu等[54]通過強(qiáng)酸氧化法制得了CDs。他們以蠟燭灰為碳源，與HNO3混合，通過加熱回流制得黑色均相溶液，經(jīng)過離心、透析、凝膠電泳等手段純化獲得不同粒徑的熒光碳點(diǎn)。隨著CDs粒徑的增大，熒光碳點(diǎn)的發(fā)射波長紅移。該CDs表面具有大量的羥基，水溶性良好。

Zhou等[55]采用電化學(xué)氧化法制得了熒光碳點(diǎn)，以多壁碳管(MWCNTs)作為工作電極，通過電化學(xué)沉積法和循環(huán)伏安法獲得了粒徑為2.8 nm的藍(lán)色熒光CDs，量子產(chǎn)率為6.4%。為了進(jìn)一步提高這種方法制備CDs的效率，Lu等[56]用離子液體溶液取代傳統(tǒng)的溶液，離子液體溶液不僅有溶解的作用，還在反應(yīng)中起到了催化的作用，從而將石墨電極剝離，而且通過調(diào)節(jié)離子液體和水的比例可以改變碳點(diǎn)的熒光發(fā)射波長。但是，已報道的通過電化學(xué)氧化方法制備的CDs熒光量子產(chǎn)率普遍不高，需要進(jìn)一步改善。

4.2 自下而上制備熒光碳點(diǎn)

以分子前體物質(zhì)為碳源，可采用水熱法、超聲法、酸脫水法、微波輔助熱解法、高溫?zé)峤夥ê碗娀瘜W(xué)法等制備CDs的方式稱為自下而上制備法。應(yīng)用最為普遍的是水熱法和微波輔助熱解法[57]，通過這兩種方法均可實(shí)現(xiàn)一步制備熒光碳點(diǎn)。

Zhu等[58]以檸檬酸和乙二胺作為前驅(qū)體，通過水熱法一步合成了熒光碳點(diǎn)，不僅具有高產(chǎn)率(58%)，還有高的熒光量子產(chǎn)率(80%)，可應(yīng)用在電子墨水、傳感器以及生物成像等方面。Qin等[59]以面粉為碳源，通過微波輔助熱解法成功制備了粒徑在1～4 nm的CDs，可選擇性檢測Hg2+，檢出限為0.5 nmol/L。這種方法合成過程簡單高效，僅需20 min即可合成。

自下而上制備CDs常需要同時具備碳源材料和鈍化劑，常見的碳源材料有聚乙二醇(PEG)等高分子、葡萄糖等生物材料以及各種有機(jī)小分子等。鈍化劑的作用是修飾CDs表面，一般采用帶有氨基的試劑來與CDs表面結(jié)合進(jìn)行鈍化，可以用作鈍化劑的有PEG、聚醚酰亞胺(PEI)等有機(jī)高分子以及各種有機(jī)胺類等化合物。通過用不同的表面鈍化劑進(jìn)行鈍化，可對沒有發(fā)射光的裸露CDs進(jìn)行表面修飾從而形成有發(fā)射光的熒光碳點(diǎn)[60]。采用表面鈍化劑對CDs進(jìn)行鈍化，不僅可提高其熒光強(qiáng)度，也可以使其在非水溶劑中具有良好的溶解性[61]。

在碳點(diǎn)中摻雜其它雜原子也可以提高CDs的光學(xué)性質(zhì)，其中氮摻雜碳點(diǎn)最為常見，摻有氮原子碳點(diǎn)的發(fā)射峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)[65]。Gong等[66]利用微波輔助加熱法制備出了氮摻雜CDs，殼聚糖為碳源，乙酸為冷凝劑，乙二胺為氮源。制備的CDs可用于檢測Fe3+，檢出限低至10 μg/L，線性范圍0.010～1.8 mg/L，也可應(yīng)用于細(xì)胞成像。也可以在CDs中摻雜氮和硫原子。本課題組將大米和N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)混合，微波熱解制得了摻有氮、硫的CDs，NAC與大米的比值越高，CDs熒光發(fā)射峰越強(qiáng)[67]。

用表面修飾和化學(xué)摻雜來提高CDs的熒光性能逐漸成為對CDs光學(xué)性質(zhì)改性的主要方法。除此之外，開發(fā)儀器設(shè)備簡單、方法便捷安全的合成方法也是CDs的研究方向之一。為了更加簡便快捷地制備CDs，多個課題組相繼研發(fā)了一步制備并修飾CDs的方法，極大地優(yōu)化了CDs的制備過程[68 - 69]。Shen等[70]以苯硼酸為碳源通過一步水熱法制備了硼酸修飾的熒光碳點(diǎn)，該CDs表面的硼酸基團(tuán)一旦與葡萄糖結(jié)合則熒光碳點(diǎn)淬滅，故可利用CDs的熒光強(qiáng)度變化來監(jiān)測葡萄糖含量。

同時，“綠色化學(xué)”的理念也逐步滲透到CDs的制備中，即篩選價格便宜、環(huán)境友好的碳源前驅(qū)體，利用天然可再生的廉價材料作為碳源制備CDs，如Feng等[71]采用蠶蛹作為碳源通過微波化學(xué)反應(yīng)制備了19 nm的CDs并用于細(xì)胞的多色成像。Xue等[72]采用花生殼作為碳源制得了熒光碳點(diǎn)，具有良好的生物相容性和低細(xì)胞毒性，可用于活體細(xì)胞的多色成像。Gedda等[73]采用蝦殼作為碳源制備出了4 nm的CDs，可特異性檢測Cu2+。Wang等[74]以啤酒為碳源制備了直徑為1～5 nm的球形CDs(BCDs)，可用于乳腺癌細(xì)胞成像和藥物傳遞。

這些合成CDs的方法制備過程簡單，碳源材料廉價易得，受到研究者們的青睞，逐漸成為研究熱點(diǎn)。

5 碳點(diǎn)的應(yīng)用

CDs因具有光電轉(zhuǎn)化能力、生物相容性和低毒性、響應(yīng)性的熒光猝滅/增強(qiáng)性質(zhì)、雙光子吸收和上轉(zhuǎn)換熒光能力以及易于化學(xué)修飾和功能集成性等優(yōu)良特性而得到了極大的重視，并廣泛用于生化分析等領(lǐng)域的研究。隨著CDs制備方法及表面功能化修飾技術(shù)的不斷改進(jìn)，其熒光強(qiáng)度、發(fā)射波長可調(diào)、水溶性及生物兼容性等性能也得到提高，已被廣泛地用作生物探針。目前已有許多CDs表面修飾的文獻(xiàn)報道，并已成功用于金屬離子、陰離子、有機(jī)小分子及生物分子等的檢測[75 - 79]。

Chandra等[80]用檸檬酸和磷酸氫二胺水熱制得了高熒光強(qiáng)度的摻雜氮、磷的CDs，量子產(chǎn)率達(dá)到59%，具有高的溶解性和穩(wěn)定性，生物相容性好。可用于Fe3+細(xì)胞間傳感及癌細(xì)胞成像。

金納米粒子性質(zhì)穩(wěn)定、制備簡單、粒徑均勻、親和力強(qiáng)、生物相容性好、易于生物分子固定修飾，具有獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)(表面等離子體吸收和共振光散射)[81]。由于CDs的熒光發(fā)射峰與金納米粒子的吸收峰有很大程度的重疊，故可以發(fā)生表面能量共振轉(zhuǎn)移[82]?；贑Ds和金納米粒子之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移可將其作為探針來檢測酶、蛋白質(zhì)等[83 - 86]。

Liu等[87]通過“一鍋法”制備了氨化熒光碳點(diǎn)，并將其作為表面能量轉(zhuǎn)移生物傳感器來檢測玻璃酸酶。氨化的熒光碳點(diǎn)表面帶正電，金納米粒子與玻尿酸結(jié)合使其表面帶負(fù)電且不易聚集，由于CDs和金納米粒子之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移使CDs熒光淬滅。加入玻璃酸酶后，金納米粒子表面的玻尿酸被降解，金納米粒子發(fā)生團(tuán)聚，CDs熒光恢復(fù)。Bu等[88]制得了可檢測4,4′-二溴聯(lián)苯(PBB15)的免疫傳感器，不加入PBB15時，CDs和金納米粒子之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致熒光淬滅。加入PBB15時會使熒光強(qiáng)度恢復(fù)。PBB15濃度范圍在0.05～4 μg/mL時，熒光強(qiáng)度與PBB15的濃度成正比，檢出限為0.039 μg/mL。Shi等[89]利用CDs與金納米粒子的結(jié)合研發(fā)了可用于監(jiān)測人血漿中谷胱甘肽含量的雙模態(tài)納米傳感器，在整個過程中可以利用金納米粒子顏色的變化作為比色計，同時利用CDs的熒光強(qiáng)度變化來監(jiān)測谷胱甘肽的含量。Deng等[90]利用電化學(xué)方法合成了具有上轉(zhuǎn)換功能的CDs，可特異性檢測半胱氨酸。Lawrence等[91]利用水熱法也合成了具有上轉(zhuǎn)換功能的CDs，以單光子熒光物質(zhì)聚4-乙烯基吡啶合成了具有雙光子熒光特性的碳點(diǎn)，同時也保持了較強(qiáng)的單光子熒光特征，即可以同時用于單光子和雙光子成像。雙光子成像具有可用于深層組織成像、背景低、光損傷小等優(yōu)點(diǎn)，因此基于熒光碳點(diǎn)的雙光子或多光子成像材料必然會在生物成像方面展露出顯著的優(yōu)勢。

大多數(shù)熒光碳點(diǎn)的發(fā)射光處于紫外光或短波長可見光區(qū)。通常，紫外光和短波長可見光對組織的穿透性差，限制其體內(nèi)深層組織的光學(xué)影像；另一方面，幾乎所有生物組織對于紫外光和短波長可見光都會產(chǎn)生自發(fā)熒光，干擾影像效果[92]。而波長在650～900 nm內(nèi)的近紅外光能夠深層穿透。Tao等[93]發(fā)現(xiàn)CDs可以在近紅外光下激發(fā)，在近紅外光譜區(qū)域內(nèi)發(fā)射熒光，將對CDs應(yīng)用于活體生物納米技術(shù)領(lǐng)域起到非常重要的作用。Bhunia等[94]用聚二甲硅氧烷(PDMS)作為主體基質(zhì)，與CDs混合，水熱制得了C-dot/PDMS film前驅(qū)體。該體系有望通過嵌入相應(yīng)的CDs產(chǎn)生紅外光甚至可見光。為科研工作者研制在近紅外光區(qū)發(fā)光的碳點(diǎn)提供了思路。

6 結(jié)論和展望

CDs作為一種新型碳納米材料，具有優(yōu)異的熒光性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)良的生物相容性以及易于表面功能化等特點(diǎn)，可通過自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)的方法合成，已在傳感分析、分子檢測等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用并展現(xiàn)出巨大的潛力。然而CDs的熒光量子產(chǎn)率較低，如何通過經(jīng)濟(jì)、便捷的方法制備得到高量子產(chǎn)率的熒光CDs仍然需要進(jìn)行更加深入地研究。具有紅外光發(fā)射或具有上轉(zhuǎn)換熒光特性的CDs材料具有很大的發(fā)展前景，因此，在未來的工作中應(yīng)致力于開發(fā)具有這類熒光特性的CDs材料，從而使發(fā)射光更易穿透活體組織，且不受細(xì)胞自發(fā)熒光的影響。CDs在熒光檢測方面的應(yīng)用還處于起步階段，識別響應(yīng)的靈敏度和抗干擾能力仍需進(jìn)一步提高。此外，優(yōu)化CDs的制備工藝，采用綠色、便捷的方法制備具有良好物理、光學(xué)性質(zhì)的碳點(diǎn)也是進(jìn)一步解決的問題。

熒光碳點(diǎn)具有很多優(yōu)于其他熒光納米材料的優(yōu)良性質(zhì)，相信一定會在生物醫(yī)藥、分析測試等領(lǐng)域展示其良好的發(fā)展前景。