宮子璇，張敬然

碳量子點(diǎn)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(jī)官能團(tuán)，在水溶液中近似球形。碳量子點(diǎn)是由Xu等偶然發(fā)現(xiàn)的一個(gè)副產(chǎn)品，隨后，美國克萊蒙森大學(xué)的科學(xué)家首次研制出了碳量子點(diǎn)。之后，第一次分離出了碳量子點(diǎn)的方法是由Li等發(fā)現(xiàn)的。

碳量子點(diǎn)具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)、良好的電導(dǎo)性和簡(jiǎn)單的合成方法，可替代半導(dǎo)體量子點(diǎn)，具有優(yōu)良的光催化性，強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性，抗光漂白性，較高的生物相容性，反應(yīng)條件溫和，細(xì)胞毒性低等優(yōu)點(diǎn)。本文的綜述，可以在碳量子點(diǎn)的應(yīng)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(duì)在光子的激發(fā)下能起到催化作用的一類物質(zhì)的總稱。最近，有許多文獻(xiàn)報(bào)道，碳量子點(diǎn)用作了光催化劑。熒光碳量子點(diǎn)的種類繁多，總結(jié)這類碳材料的光致發(fā)光機(jī)理非常重要，可以有效地指導(dǎo)合成路線，推進(jìn)應(yīng)用進(jìn)展。Li用碳量子點(diǎn)提供的一種新型熒光標(biāo)記物，合成了活性氧自由基，來降低染色劑的色度。碳量子點(diǎn)材料吸收太陽光，通過上轉(zhuǎn)換機(jī)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(duì)，進(jìn)行降解染料，用于生物科學(xué)以及能源技術(shù)的高效催化。Wang等用光激發(fā)碳量子點(diǎn)和硝酸銀的水溶液，可將銀離子轉(zhuǎn)化成銀單質(zhì)，根據(jù)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(zhì)的生成。

Ming等探究了碳量子點(diǎn)的類似于過氧化物的功能。用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的電化學(xué)方法，在可見光的照射下，合成高純度碳納米點(diǎn)，因?yàn)樘技{米點(diǎn)具有光催化性，甲基橙就會(huì)被降解了。

Cao等制備了碳量子點(diǎn)，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(jìn)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(yīng)條件下，成功地使CO2還原成CH2O2，CH3OH，CH2O等，同時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(zhuǎn)換能力。

目前，LED使用的是稀土熒光粉或有機(jī)熒光粉，但是，碳量子點(diǎn)有高的發(fā)光效率和色彩飽和度，碳量子點(diǎn)在光致發(fā)光器方面進(jìn)展很大，是一種新型的LED轉(zhuǎn)換材料。Qu等在Fabry-Perot腔體中實(shí)現(xiàn)了綠光發(fā)射，發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)里含有sp2雜化結(jié)構(gòu)，最大量子產(chǎn)率為36%。

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

3 食品檢測(cè)

有機(jī)磷農(nóng)藥、化肥的使用可以直接造成對(duì)農(nóng)作物、土壤、空氣、水源的污染，并經(jīng)作物根系的吸收、動(dòng)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(yīng)中發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。

4.1 體外細(xì)胞成像

Cao等是碳量子點(diǎn)應(yīng)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(diǎn)，研究的載體是人體乳腺癌細(xì)胞MCF-7，簡(jiǎn)單對(duì)癌細(xì)胞表面鈍化后，碳納米顆粒表現(xiàn)出明亮的光。這些碳量子點(diǎn)在近紅外脈沖激光激發(fā)下也會(huì)由雙光子發(fā)出很強(qiáng)的光，證明了內(nèi)在碳量子點(diǎn)的人乳腺癌細(xì)胞可以在熒光顯微鏡下成像。MCF-7細(xì)胞被37 ℃的碳量子點(diǎn)緩沖溶液浸泡后，它的細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜被標(biāo)記了，在激光的激發(fā)下，表現(xiàn)為強(qiáng)發(fā)光性質(zhì)。碳量子點(diǎn)熒光探針可用于體外細(xì)胞熒光成像研究。

Li等用轉(zhuǎn)鐵蛋白對(duì)碳量子點(diǎn)進(jìn)行功能化修飾，能提高碳量子點(diǎn)對(duì)腫瘤細(xì)胞的靶向作用。電鏡顯示，轉(zhuǎn)鐵蛋白修飾的碳量子點(diǎn)可與宮頸癌細(xì)胞很好地結(jié)合，熒光效果明顯優(yōu)于未經(jīng)修飾的碳量子點(diǎn)，碳量子點(diǎn)可以作為藥物靶向治療。

4.2 體內(nèi)生物成像

Yang等首次將碳量子點(diǎn)皮下注射到小鼠的背部，皮內(nèi)注射到前下肢和靜脈后，在小鼠體內(nèi)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(diǎn)可以在小鼠體內(nèi)發(fā)射強(qiáng)烈的熒光并保持穩(wěn)定。

綜上所述，碳量子點(diǎn)能成功實(shí)現(xiàn)細(xì)胞成像，還具有生物相容性和毒性小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)靶向作用，這使它可以廣泛地應(yīng)用在疾病診斷及藥物靶向等方面。

5 分析檢測(cè)

5.1 金屬離子檢測(cè)

碳量子點(diǎn)可作為納米探針來檢測(cè)離子，Goncalves等制成了光學(xué)傳感器，以激光銷蝕法合成碳量子點(diǎn)，使碳量子點(diǎn)表面有負(fù)電荷，通過逐層的組裝法使碳量子點(diǎn)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(xué)纖維尖端，從而，可以選擇性地檢測(cè)Hg2+，且其靈敏度較大。

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

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(diǎn)。制備的碳量子點(diǎn)表面有著大量的羥基，熒光量子產(chǎn)率約5.5%，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)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(diǎn)表面的羥基結(jié)合，從而使碳量子點(diǎn)的聚合，導(dǎo)致碳量子點(diǎn)熒光的淬滅。

除了Hg2+，Cu2+外，碳量子點(diǎn)還可應(yīng)用到K+，Ag+，Cr6+，Ca2+，Pb2+，F(xiàn)e3+，Al3+等金屬離子的檢測(cè)。

5.2 有機(jī)物檢測(cè)

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(xué)傳感器，是在碳量子點(diǎn)表面進(jìn)行的一種功能化修飾，可以提高水溶液中的有機(jī)物的檢測(cè)水平。

Mao等在有機(jī)硅烷中合成高度發(fā)光的碳量子點(diǎn)，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(shí)別元件的多巴胺熒光測(cè)量?jī)x，碳量子點(diǎn)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(diǎn)檢測(cè)水溶液中的多巴胺濃度，隨著濃度升高，相對(duì)熒光強(qiáng)度的熒光碳量子點(diǎn)直線下降。該方法成功地用于人尿樣中痕量多巴胺的測(cè)定，而不受其他分子和離子干擾，同時(shí)具備碳量子點(diǎn)優(yōu)異的光學(xué)特性和分子印跡聚合物的高選擇性。

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

5.3 生物大分子檢測(cè)

Li等發(fā)現(xiàn)了DNA和碳量子點(diǎn)進(jìn)行共同調(diào)節(jié)生長的黃金納米粒子（納米金）。對(duì)生長的納米金粒子的性質(zhì)進(jìn)行了討論，并應(yīng)用于生物分子測(cè)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(dāng)目標(biāo)生物分子不存在時(shí)，單鏈DNA被吸附在納米金粒子表面，這時(shí)溶液顏色為藍(lán)色；當(dāng)靶DNA或凝血酶存在時(shí)，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(fù)合物，兩者不會(huì)被納米金粒子吸附，溶液顏色為紅色。對(duì)一定序列的DNA檢測(cè)可通過對(duì)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(duì)可能的干擾物的必要的選擇性，與靶DNA的檢測(cè)具有潛在的區(qū)分單堿基錯(cuò)配，為構(gòu)建未來生物傳感器利用DNA和黃金納米粒子打下了基礎(chǔ)。

6 生物傳感器

碳量子點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于生物傳感方面。Posthuma等對(duì)無定形的碳納米粒子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在微陣列層析用到了碳量子點(diǎn)，介紹了碳量子點(diǎn)標(biāo)記在標(biāo)記物（生物大分子，如：蛋白質(zhì)）的方法。Bu等利用能量共振轉(zhuǎn)移進(jìn)行了免疫分析，快速檢測(cè)4,4-二溴聯(lián)苯，先用4,4-二溴聯(lián)苯修飾金納米粒子，再標(biāo)記碳量子點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)熒光強(qiáng)度與4,4-二溴聯(lián)苯濃度在0.05～4 μg/mL范圍內(nèi)成正比。

此外，還有對(duì)膽固醇、癌胚抗原、嘌呤、血紅蛋白、葡萄糖、半胱氨酸等的檢測(cè)。

7 指紋識(shí)別

因?yàn)橹讣y具有特異性，指紋識(shí)別成了個(gè)人信息識(shí)別的重要手段。傳統(tǒng)的指紋識(shí)別方法顯影效果不太好。近幾年來，碳量子點(diǎn)成功應(yīng)用到指紋識(shí)別當(dāng)中，在紫外燈的照射下，紋路呈現(xiàn)出高強(qiáng)度的熒光，熒光為亮藍(lán)色，顯現(xiàn)出清晰的指紋。Farnandes等將碳量子點(diǎn)摻雜到粉末組合物中，可增強(qiáng)視覺效果，卻不損害指紋的紋路，這類碳量子點(diǎn)材料可以應(yīng)用到還原犯罪現(xiàn)場(chǎng)和高科技電子產(chǎn)品技術(shù)。

8 結(jié)語

碳量子點(diǎn)從2004年問世以來，就備受大家的矚目，由于它水溶性好、細(xì)胞毒性低和導(dǎo)電性好等，碳量子點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于上述幾個(gè)領(lǐng)域中，具有很強(qiáng)的靈活性，因?yàn)樘剂孔狱c(diǎn)的表面可以通過各種功能設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)修改，從而影響其光電特性。盡管已經(jīng)提出了制備碳量子點(diǎn)的新方法，但是如何準(zhǔn)確控制碳量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和尺寸仍然是一個(gè)未解決的問題。由于直接合成的碳量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率較低，熒光單一，發(fā)光性能差，識(shí)別目標(biāo)能力差，無特殊功能，應(yīng)用受限。通過碳量子點(diǎn)表面改性的過程，不僅可以增加碳量子點(diǎn)的熒光，還可以調(diào)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(xué)合理地設(shè)計(jì)出滿足人們需求的熒光探針，同時(shí)為碳量子點(diǎn)的應(yīng)用開辟了更廣闊的空間。

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