宮子璇，張敬然

碳量子點是以碳元素為主體的碳納米材料。其尺寸在10 nm以下，表面富含有機官能團，在水溶液中近似球形。碳量子點是由Xu等偶然發(fā)現的一個副產品，隨后，美國克萊蒙森大學的科學家首次研制出了碳量子點。之后，第一次分離出了碳量子點的方法是由Li等發(fā)現的。

碳量子點具有獨特的物理化學性質、良好的電導性和簡單的合成方法，可替代半導體量子點，具有優(yōu)良的光催化性，強化學穩(wěn)定性，抗光漂白性，較高的生物相容性，反應條件溫和，細胞毒性低等優(yōu)點。本文的綜述，可以在碳量子點的應用方面看到希望，能為未來的研究提供方向 。

1 光催化劑

光催化劑是對在光子的激發(fā)下能起到催化作用的一類物質的總稱。最近，有許多文獻報道，碳量子點用作了光催化劑。熒光碳量子點的種類繁多，總結這類碳材料的光致發(fā)光機理非常重要，可以有效地指導合成路線，推進應用進展。Li用碳量子點提供的一種新型熒光標記物，合成了活性氧自由基，來降低染色劑的色度。碳量子點材料吸收太陽光，通過上轉換機制來發(fā)射出短波（325～425 nm），從而來激發(fā)TiO2形成電子空穴對，進行降解染料，用于生物科學以及能源技術的高效催化。Wang等用光激發(fā)碳量子點和硝酸銀的水溶液，可將銀離子轉化成銀單質，根據其表面快速增長的離子形成的離子吸收峰，可以判定銀單質的生成。

Ming等探究了碳量子點的類似于過氧化物的功能。用經濟環(huán)保的電化學方法，在可見光的照射下，合成高純度碳納米點，因為碳納米點具有光催化性，甲基橙就會被降解了。

Cao等制備了碳量子點，其表面修飾有金或者鉑的材料，利用表面官能化的小碳納米微粒收集可見光子，在粒子表面進行電荷分離，以發(fā)揮高效的光催化性能。催化劑在水中的溶解度還可使還原在更可取的均相反應條件下，成功地使CO2還原成CH2O2，CH3OH，CH2O等，同時把H2O氧化成O2，這可以防止大氣中二氧化碳含量升高。

2 光電方面

碳量子點有許多的sp2雜化軌道，是共軛體系，可以加速電子遷移。碳量子點修飾的光電極可以從紫外延伸到紅外區(qū)，有高效的光電轉換能力。

目前，LED使用的是稀土熒光粉或有機熒光粉，但是，碳量子點有高的發(fā)光效率和色彩飽和度，碳量子點在光致發(fā)光器方面進展很大，是一種新型的LED轉換材料。Qu等在Fabry-Perot腔體中實現了綠光發(fā)射，發(fā)現碳量子點里含有sp2雜化結構，最大量子產率為36%。

Li等將碳量子點材料成功應用于光伏器件中，他們采用電化學剝離法制備碳量子點，加上P3HT材料，大大提高了光伏電池的性能。

3 食品檢測

有機磷農藥、化肥的使用可以直接造成對農作物、土壤、空氣、水源的污染，并經作物根系的吸收、動物飼料的攝入污染食品。

4 生物成像

碳納米材料比面積大，有著優(yōu)良的生物相容性，在生物催化反應中發(fā)揮著相當重要的作用。

4.1 體外細胞成像

Cao等是碳量子點應用于生物成像的第一人，用聚N－丙?；一啺?乙烯亞胺（PPEI-EI,EI約占20%）來鈍化合成碳量子點，研究的載體是人體乳腺癌細胞MCF-7，簡單對癌細胞表面鈍化后，碳納米顆粒表現出明亮的光。這些碳量子點在近紅外脈沖激光激發(fā)下也會由雙光子發(fā)出很強的光，證明了內在碳量子點的人乳腺癌細胞可以在熒光顯微鏡下成像。MCF-7細胞被37 ℃的碳量子點緩沖溶液浸泡后，它的細胞質和細胞膜被標記了，在激光的激發(fā)下，表現為強發(fā)光性質。碳量子點熒光探針可用于體外細胞熒光成像研究。

Li等用轉鐵蛋白對碳量子點進行功能化修飾，能提高碳量子點對腫瘤細胞的靶向作用。電鏡顯示，轉鐵蛋白修飾的碳量子點可與宮頸癌細胞很好地結合，熒光效果明顯優(yōu)于未經修飾的碳量子點，碳量子點可以作為藥物靶向治療。

4.2 體內生物成像

Yang等首次將碳量子點皮下注射到小鼠的背部，皮內注射到前下肢和靜脈后，在小鼠體內循環(huán)，觀察到膀胱區(qū)有熒光，3 h之后，在尿液中觀察到熒光，說明碳量子點可以在小鼠體內發(fā)射強烈的熒光并保持穩(wěn)定。

綜上所述，碳量子點能成功實現細胞成像，還具有生物相容性和毒性小的特點，可以實現靶向作用，這使它可以廣泛地應用在疾病診斷及藥物靶向等方面。

5 分析檢測

5.1 金屬離子檢測

碳量子點可作為納米探針來檢測離子，Goncalves等制成了光學傳感器，以激光銷蝕法合成碳量子點，使碳量子點表面有負電荷，通過逐層的組裝法使碳量子點與陽離子聚合，共同沉積到薄交替膜上，將該薄膜固定在光學纖維尖端，從而，可以選擇性地檢測Hg2+，且其靈敏度較大。

Zhou等用于高靈敏度和高選擇性地檢測Hg2+和生物硫醇。Dong等設計了一種新型傳感系統(tǒng)，其檢測限為6 nmol/L，檢測的線性范圍為10～1 100 nmol/L，方法簡便，可快速用于河水中Cu2+的檢測。

Liu等將蠟燭灰放在氫氧化鈉水溶液中，通過水浴加熱，合成了粒徑為（3.1±0.5）nm、表面有羥基的碳量子點。制備的碳量子點表面有著大量的羥基，熒光量子產率約5.5%，檢測發(fā)現具有低溶度積的金屬氫氧化物的金屬離子很容易地就與該碳量子點表面的羥基結合，從而使碳量子點的聚合，導致碳量子點熒光的淬滅。

除了Hg2+，Cu2+外，碳量子點還可應用到K+，Ag+，Cr6+，Ca2+，Pb2+，Fe3+，Al3+等金屬離子的檢測。

5.2 有機物檢測

目前，有一種新型環(huán)保的分子印跡聚合物為原料的新型光學傳感器，是在碳量子點表面進行的一種功能化修飾，可以提高水溶液中的有機物的檢測水平。

Mao等在有機硅烷中合成高度發(fā)光的碳量子點，用分子印跡聚合物固定其表面后，通過有效的室溫溶膠凝膠聚合，合成了作為分子識別元件的多巴胺熒光測量儀，碳量子點與分子印跡聚合物的組合顯示出高的穩(wěn)定性和模板選擇性，用碳量子點檢測水溶液中的多巴胺濃度，隨著濃度升高，相對熒光強度的熒光碳量子點直線下降。該方法成功地用于人尿樣中痕量多巴胺的測定，而不受其他分子和離子干擾，同時具備碳量子點優(yōu)異的光學特性和分子印跡聚合物的高選擇性。

Jiang等在10 min內利用微波輔助技術制備新的氮摻雜碳量子點，并且不需要任何溶劑或催化劑，氮摻雜碳量子點在磷酸鹽緩沖鹽水（pH=6.5）中，碳量子點表現出了對多巴胺高靈敏度的電化學響應。

5.3 生物大分子檢測

Li等發(fā)現了DNA和碳量子點進行共同調節(jié)生長的黃金納米粒子（納米金）。對生長的納米金粒子的性質進行了討論，并應用于生物分子測定比色法。這種納米金粒子的顏色是通過控制粒子大小和形狀變化的，當目標生物分子不存在時，單鏈DNA被吸附在納米金粒子表面，這時溶液顏色為藍色；當靶DNA或凝血酶存在時，DNA或凝血酶就與單鏈DNA雜交，形成雙鏈DNA或者凝血酶及其適體的復合物，兩者不會被納米金粒子吸附，溶液顏色為紅色。對一定序列的DNA檢測可通過對納米金粒子溶液的顏色判斷，與在紫外-可見吸收光譜的峰值位移一致。生物分子傳感器對可能的干擾物的必要的選擇性，與靶DNA的檢測具有潛在的區(qū)分單堿基錯配，為構建未來生物傳感器利用DNA和黃金納米粒子打下了基礎。

6 生物傳感器

碳量子點被廣泛地應用于生物傳感方面。Posthuma等對無定形的碳納米粒子的結構進行分析，在微陣列層析用到了碳量子點，介紹了碳量子點標記在標記物（生物大分子，如：蛋白質）的方法。Bu等利用能量共振轉移進行了免疫分析，快速檢測4,4-二溴聯苯，先用4,4-二溴聯苯修飾金納米粒子，再標記碳量子點，發(fā)現熒光強度與4,4-二溴聯苯濃度在0.05～4 μg/mL范圍內成正比。

此外，還有對膽固醇、癌胚抗原、嘌呤、血紅蛋白、葡萄糖、半胱氨酸等的檢測。

7 指紋識別

因為指紋具有特異性，指紋識別成了個人信息識別的重要手段。傳統(tǒng)的指紋識別方法顯影效果不太好。近幾年來，碳量子點成功應用到指紋識別當中，在紫外燈的照射下，紋路呈現出高強度的熒光，熒光為亮藍色，顯現出清晰的指紋。Farnandes等將碳量子點摻雜到粉末組合物中，可增強視覺效果，卻不損害指紋的紋路，這類碳量子點材料可以應用到還原犯罪現場和高科技電子產品技術。

8 結語

碳量子點從2004年問世以來，就備受大家的矚目，由于它水溶性好、細胞毒性低和導電性好等，碳量子點被廣泛應用于上述幾個領域中，具有很強的靈活性，因為碳量子點的表面可以通過各種功能設計進行合理的設計修改，從而影響其光電特性。盡管已經提出了制備碳量子點的新方法，但是如何準確控制碳量子點的結構和尺寸仍然是一個未解決的問題。由于直接合成的碳量子點熒光量子產率較低，熒光單一，發(fā)光性能差，識別目標能力差，無特殊功能，應用受限。通過碳量子點表面改性的過程，不僅可以增加碳量子點的熒光，還可以調節(jié)其發(fā)光性能，控制其生物相容性和穩(wěn)定性，具有特定的功能。為了解決這些問題，我們可以科學合理地設計出滿足人們需求的熒光探針，同時為碳量子點的應用開辟了更廣闊的空間。

[參考文獻]

[1]XU X Y，RAY R，GU Y L，et al.Journal of the american chemical society[J].American Journal of Physiology Regulatory Integrative，2004，126（40）：12736-12737.

[2]LI X，WANG H，SHIMIZU Y，et al.Preparation of carbon quantum dots with tunable photoluminescence by rapid laser passivation in ordinary organic solvents[J].Chemical Communications，2011，47（3）：932-934.

[3]吉文卿.熒光碳量子點-聚合物雜化材料在指紋識別中的應用[C].大連：中國化學會學術年會，2016.