荧光碳点的制备及应用研究进展

张 彦， 李 敏， 姜晶晶， 双少敏， 董 川

(山西大学化学化工学院，环境科学研究所，山西太原 030006)

1 引言

碳点(CDs)是一种尺寸小于10 nm的分散的类球形荧光碳纳米颗粒。2004年，Xu等[1]利用电泳纯化由电弧放电法制备单壁碳纳米管时，首次得到了发荧光的碳纳米粒子，并且在366 nm波长的激发下有蓝绿光、黄光和橙光三种谱带。2006年，Sun等[2]以石墨粉为原料制备出了荧光性能较好的碳纳米粒子，将其成功用于多光子成像，并首次称其为CDs。由此引起越来越多的研究者对这种荧光碳纳米颗粒研究的兴趣[3 - 6]。CDs作为一种新型荧光纳米材料，由于其具备发光范围可调、易于实现表面功能化、光稳定性好、无毒和生物相容性好等优点[7 - 9]，一经发现就引起了人们极大的研究兴趣，在细胞成像[10 - 12]、生物标记[13]、分析监测[14 - 15]、药物传递、光电转换以及催化[16]等领域表现出了良好的应用前景。与传统半导体量子点相比，荧光碳点可通过一步法大规模合成，合成原料廉价易得[17 - 18]，省时高效，并且能克服传统量子点带来的重金属泄露、毒性大、环境污染严重等问题[19 - 20]，这使CDs成为传统量子点的理想替代者。

近年来，关于CDs的研究主要集中在开发更为快捷简便的制备方法，以及高效利用CDs的荧光特性两方面[21 - 22]。目前，关于CDs的制备、表面功能化及其在活体成像等领域的应用进展已有报道[23 - 26]。本文在前人的基础上对CDs的制备及其在分析检测中的应用进行了系统综述。

2 碳点的性能

CDs是荧光碳纳米材料中最重要的一种，是一种单分散的、几何形状近乎准球型的新兴零维半导体纳米晶体[27 - 28]。CDs的粒径一般只有几个纳米，分子量只有几千到几万，CDs通常由C、H、O、N四种基本元素组成，大多数制备的CDs表面都含有丰富的官能团(如羟基，羧基，氨基等)，通过表面官能团将CDs与具有生物活性的分子修饰可以进一步提高其生物相容性[29 - 31]。

2.1 碳点的光学特性

CDs在紫外区域有很强的吸收峰，并且通过改变CDs的尺寸和化学组成可以使其吸收峰延伸至可见光区，甚至可覆盖整个可见光区，说明CDs在一定程度上属于半导体材料体系[32]。另外，CDs具有较宽的激发光谱和窄的发射光谱，使用同一激发光源就可实现对不同粒径的CDs进行同步检测，因此可用于多色标记[33 - 34]。CDs还具有宽大的斯托克斯位移，可避免发射光谱与激发光谱的重叠，有利于荧光光谱信号的检测。除此以外，作为一种有潜力在诸多领域发挥重要作用的纳米材料，CDs有很强的光稳定性且抗光漂白，荧光波长可调，有较长的荧光寿命，是优良的电子给体和受体，具有光诱导电子转移特性，有些CDs还具有上转换荧光性质，促进了碳点在荧光标记中的应用[35 - 36]。

2.2 碳点的低毒性与生物相容性

碳元素以多种形式广泛存在于自然界中，此外碳元素也是构成生物体最基本的元素之一。因此，相对于其他元素构成的荧光纳米材料，CDs的毒性低且具有良好的生物相容性，可以通过细胞内吞(粒径只有几个纳米级，修饰后能达到几百纳米)进入细胞内部而不影响细胞核，还可以与DNA生物大分子相互作用，从而进行DNA的识别与检测[37]。此外，CDs表面含有大量功能基团，经有机、无机及高分子聚合物修饰后性能可以得到提升。CDs经过生物活性物质修饰之后，可进行特异性连接，实现生物活体标记和检测。

除了优异的光学性质和生物相容性以外，CDs还具有光电荷转移特性，近红外发光特性，高抗盐性以及拟酶催化的能力。这些特性使得碳点在光催化，发光材料，光学器件等领域同样存在着广泛的应用前景[38 - 41]。

3 碳点的荧光机理

CDs的荧光机理一直以来是相关研究者关注的热点[42 - 43]，由于其种类繁多，制备方法不尽相同，控制荧光的发光中心也各有差异，本文将已报道的荧光机理总结如下：最早解释CDs发射荧光现象的是Sun等人[2]，他们认为碳点表面经过钝化处理后可能产生多种能量势阱，由于CDs表面存在大量缺陷，而表面钝化剂可将有机聚合物连接到CDs表面的缺陷处，使表面缺陷处的能量高于基态而发射出荧光。随后大量的研究也表明裸露的CDs没有荧光或荧光强度很弱，只有经过表面钝化修饰后才会表现出强的荧光性质[60 - 61,64 - 65,80]。还有一种解释是量子局限效应，即由于尺寸的“局限”造成连续能级分解为离散能级，从而使物质产生了与大块状态时不同的性质。CDs的量子局限效应认为CDs能发射荧光，是由于其尺寸达到了纳米级。Li等[44]通过电化学方法合成CDs并用柱色谱将其分离，制备出粒径为1.2～3.8 nm的CDs，具有尺寸依赖的发光性能。Bourlinosa等[45]则认为CDs发光是由于出现了多种芳香化合物，这一解释主要针对热分解有机物得到的CDs。有机物热分解过程中出现碳原子重新组合，形成了与石墨氧化物或者具有碳氧结构的褐煤、煤炭和腐殖质物质结构类似的多环芳香化合物，引起发光。Baccile等[46]用固体核磁检测碳水化合物热分解产物时就发现，60%的碳具有呋喃类型结构。

目前，CDs的荧光机理还没有被完全研究透彻，设计可行严谨的实验进一步得到被广泛接受的荧光机理可为提高CDs的荧光量子产率提供可靠的理论依据。

4 碳点的制备

迄今为止，CDs的制备研究己经取得了很大的进展，多种合成方法己经被成功地研究出来。根据制备工艺和过程不同，荧光碳点的制备方法可以分为两类：自上而下(top-down)制备和自下而上(bottom-up)制备。前者指由较大的碳结构裂解为微小的碳纳米粒子，后者是以小的分子为前体聚合形成纳米级的碳颗粒[47]。

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4.1 自上而下制备荧光碳点

常见的自上而下制备方法即通过酸氧化、电弧放电、激光销蚀和电化学氧化等方法将体积较大的碳比如石墨、碳管、活性炭等分解为小体积的CDs。自上而下制备荧光碳点是研究较早的CDs制备方法，早期因需要酸氧化、电弧放电等严苛的实验条件而限制了其进一步发展[48 - 50]，为此关于一步法合成CDs的研究应运而生。

Ming等[51]仅以石墨棒作为碳源，通过电解超纯水获得的CDs具有水分散性良好、光致发光性质优异和纯度高等特点。Shi等[52]通过电化学法切割石墨制得了CDs。将石墨棒插入超纯水中，平行放置另一个石墨棒作为对电极，两电极间相距7.5 cm，静态电压为30 V，提供直流电12 h，持续搅拌，经过滤离心即可得到CDs。Hu等[53]将激光销蚀和表面钝化两步反应合并进行，即对聚乙烯溶液中的碳粉以激光辐射4 h后得到黑色悬浊液，一步获得粒径为3.2 nm的荧光CDs，其量子产率达12.2%。相比于多步法制备CDs，一步法制备不仅简化了反应过程，制备的CDs荧光性能更好，而且通过选择不同的有机溶剂进行反应，可获得不同荧光性能的CDs。

Liu等[54]通过强酸氧化法制得了CDs。他们以蜡烛灰为碳源，与HNO3混合，通过加热回流制得黑色均相溶液，经过离心、透析、凝胶电泳等手段纯化获得不同粒径的荧光碳点。随着CDs粒径的增大，荧光碳点的发射波长红移。该CDs表面具有大量的羟基，水溶性良好。

Zhou等[55]采用电化学氧化法制得了荧光碳点，以多壁碳管(MWCNTs)作为工作电极，通过电化学沉积法和循环伏安法获得了粒径为2.8 nm的蓝色荧光CDs，量子产率为6.4%。为了进一步提高这种方法制备CDs的效率，Lu等[56]用离子液体溶液取代传统的溶液，离子液体溶液不仅有溶解的作用，还在反应中起到了催化的作用，从而将石墨电极剥离，而且通过调节离子液体和水的比例可以改变碳点的荧光发射波长。但是，已报道的通过电化学氧化方法制备的CDs荧光量子产率普遍不高，需要进一步改善。

4.2 自下而上制备荧光碳点

以分子前体物质为碳源，可采用水热法、超声法、酸脱水法、微波辅助热解法、高温热解法和电化学法等制备CDs的方式称为自下而上制备法。应用最为普遍的是水热法和微波辅助热解法[57]，通过这两种方法均可实现一步制备荧光碳点。

Zhu等[58]以柠檬酸和乙二胺作为前驱体，通过水热法一步合成了荧光碳点，不仅具有高产率(58%)，还有高的荧光量子产率(80%)，可应用在电子墨水、传感器以及生物成像等方面。Qin等[59]以面粉为碳源，通过微波辅助热解法成功制备了粒径在1～4 nm的CDs，可选择性检测Hg2+，检出限为0.5 nmol/L。这种方法合成过程简单高效，仅需20 min即可合成。

自下而上制备CDs常需要同时具备碳源材料和钝化剂，常见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种有机小分子等。钝化剂的作用是修饰CDs表面，一般采用带有氨基的试剂来与CDs表面结合进行钝化，可以用作钝化剂的有PEG、聚醚酰亚胺(PEI)等有机高分子以及各种有机胺类等化合物。通过用不同的表面钝化剂进行钝化，可对没有发射光的裸露CDs进行表面修饰从而形成有发射光的荧光碳点[60]。采用表面钝化剂对CDs进行钝化，不仅可提高其荧光强度，也可以使其在非水溶剂中具有良好的溶解性[61]。

在碳点中掺杂其它杂原子也可以提高CDs的光学性质，其中氮掺杂碳点最为常见，掺有氮原子碳点的发射峰强度明显增强[65]。Gong等[66]利用微波辅助加热法制备出了氮掺杂CDs，壳聚糖为碳源，乙酸为冷凝剂，乙二胺为氮源。制备的CDs可用于检测Fe3+，检出限低至10 μg/L，线性范围0.010～1.8 mg/L，也可应用于细胞成像。也可以在CDs中掺杂氮和硫原子。本课题组将大米和N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)混合，微波热解制得了掺有氮、硫的CDs，NAC与大米的比值越高，CDs荧光发射峰越强[67]。

用表面修饰和化学掺杂来提高CDs的荧光性能逐渐成为对CDs光学性质改性的主要方法。除此之外，开发仪器设备简单、方法便捷安全的合成方法也是CDs的研究方向之一。为了更加简便快捷地制备CDs，多个课题组相继研发了一步制备并修饰CDs的方法，极大地优化了CDs的制备过程[68 - 69]。Shen等[70]以苯硼酸为碳源通过一步水热法制备了硼酸修饰的荧光碳点，该CDs表面的硼酸基团一旦与葡萄糖结合则荧光碳点淬灭，故可利用CDs的荧光强度变化来监测葡萄糖含量。

同时，“绿色化学”的理念也逐步渗透到CDs的制备中，即筛选价格便宜、环境友好的碳源前驱体，利用天然可再生的廉价材料作为碳源制备CDs，如Feng等[71]采用蚕蛹作为碳源通过微波化学反应制备了19 nm的CDs并用于细胞的多色成像。Xue等[72]采用花生壳作为碳源制得了荧光碳点，具有良好的生物相容性和低细胞毒性，可用于活体细胞的多色成像。Gedda等[73]采用虾壳作为碳源制备出了4 nm的CDs，可特异性检测Cu2+。Wang等[74]以啤酒为碳源制备了直径为1～5 nm的球形CDs(BCDs)，可用于乳腺癌细胞成像和药物传递。

这些合成CDs的方法制备过程简单，碳源材料廉价易得，受到研究者们的青睐，逐渐成为研究热点。

5 碳点的应用

CDs因具有光电转化能力、生物相容性和低毒性、响应性的荧光猝灭/增强性质、双光子吸收和上转换荧光能力以及易于化学修饰和功能集成性等优良特性而得到了极大的重视，并广泛用于生化分析等领域的研究。随着CDs制备方法及表面功能化修饰技术的不断改进，其荧光强度、发射波长可调、水溶性及生物兼容性等性能也得到提高，已被广泛地用作生物探针。目前已有许多CDs表面修饰的文献报道，并已成功用于金属离子、阴离子、有机小分子及生物分子等的检测[75 - 79]。

Chandra等[80]用柠檬酸和磷酸氢二胺水热制得了高荧光强度的掺杂氮、磷的CDs，量子产率达到59%，具有高的溶解性和稳定性，生物相容性好。可用于Fe3+细胞间传感及癌细胞成像。

金纳米粒子性质稳定、制备简单、粒径均匀、亲和力强、生物相容性好、易于生物分子固定修饰，具有独特的光学性质(表面等离子体吸收和共振光散射)[81]。由于CDs的荧光发射峰与金纳米粒子的吸收峰有很大程度的重叠，故可以发生表面能量共振转移[82]。基于CDs和金纳米粒子之间的荧光共振能量转移可将其作为探针来检测酶、蛋白质等[83 - 86]。

Liu等[87]通过“一锅法”制备了氨化荧光碳点，并将其作为表面能量转移生物传感器来检测玻璃酸酶。氨化的荧光碳点表面带正电，金纳米粒子与玻尿酸结合使其表面带负电且不易聚集，由于CDs和金纳米粒子之间的荧光共振能量转移使CDs荧光淬灭。加入玻璃酸酶后，金纳米粒子表面的玻尿酸被降解，金纳米粒子发生团聚，CDs荧光恢复。Bu等[88]制得了可检测4,4′-二溴联苯(PBB15)的免疫传感器，不加入PBB15时，CDs和金纳米粒子之间的荧光共振能量转移导致荧光淬灭。加入PBB15时会使荧光强度恢复。PBB15浓度范围在0.05～4 μg/mL时，荧光强度与PBB15的浓度成正比，检出限为0.039 μg/mL。Shi等[89]利用CDs与金纳米粒子的结合研发了可用于监测人血浆中谷胱甘肽含量的双模态纳米传感器，在整个过程中可以利用金纳米粒子颜色的变化作为比色计，同时利用CDs的荧光强度变化来监测谷胱甘肽的含量。Deng等[90]利用电化学方法合成了具有上转换功能的CDs，可特异性检测半胱氨酸。Lawrence等[91]利用水热法也合成了具有上转换功能的CDs，以单光子荧光物质聚4-乙烯基吡啶合成了具有双光子荧光特性的碳点，同时也保持了较强的单光子荧光特征，即可以同时用于单光子和双光子成像。双光子成像具有可用于深层组织成像、背景低、光损伤小等优点，因此基于荧光碳点的双光子或多光子成像材料必然会在生物成像方面展露出显著的优势。

大多数荧光碳点的发射光处于紫外光或短波长可见光区。通常，紫外光和短波长可见光对组织的穿透性差，限制其体内深层组织的光学影像；另一方面，几乎所有生物组织对于紫外光和短波长可见光都会产生自发荧光，干扰影像效果[92]。而波长在650～900 nm内的近红外光能够深层穿透。Tao等[93]发现CDs可以在近红外光下激发，在近红外光谱区域内发射荧光，将对CDs应用于活体生物纳米技术领域起到非常重要的作用。Bhunia等[94]用聚二甲硅氧烷(PDMS)作为主体基质，与CDs混合，水热制得了C-dot/PDMS film前驱体。该体系有望通过嵌入相应的CDs产生红外光甚至可见光。为科研工作者研制在近红外光区发光的碳点提供了思路。

6 结论和展望

CDs作为一种新型碳纳米材料，具有优异的荧光性能、良好的化学稳定性、优良的生物相容性以及易于表面功能化等特点，可通过自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)的方法合成，已在传感分析、分子检测等领域被广泛应用并展现出巨大的潜力。然而CDs的荧光量子产率较低，如何通过经济、便捷的方法制备得到高量子产率的荧光CDs仍然需要进行更加深入地研究。具有红外光发射或具有上转换荧光特性的CDs材料具有很大的发展前景，因此，在未来的工作中应致力于开发具有这类荧光特性的CDs材料，从而使发射光更易穿透活体组织，且不受细胞自发荧光的影响。CDs在荧光检测方面的应用还处于起步阶段，识别响应的灵敏度和抗干扰能力仍需进一步提高。此外，优化CDs的制备工艺，采用绿色、便捷的方法制备具有良好物理、光学性质的碳点也是进一步解决的问题。

荧光碳点具有很多优于其他荧光纳米材料的优良性质，相信一定会在生物医药、分析测试等领域展示其良好的发展前景。