碳量子点和石墨烯量子点在传感领域的研究进展

李 坤，张国军

（湖北中医药大学纳米生物传感中心，湖北 武汉 430065）

量子点是一种低维半导体材料，其直径一般为2～20 nm，具有激发光谱宽、光化学稳定性高和荧光寿命长等特点[1]。碳量子点是一种荧光碳纳米材料，直径一般＜10 nm[2-5]。石墨烯量子点是由石墨烯或氧化石墨烯衍生而来的碳量子点的子集。与锗量子点、硫化镉量子点和硒化镉量子点等其他量子点相比，碳量子点和石墨烯量子点表现出可调节的荧光性质、优异的光稳定性、良好的生物相容性、低毒性和导电性[6]，因此被广泛用于药物运输、生物成像和生物传感等领域[7]。碳量子点是2004年XU等[8]在加工单壁碳纳米管过程中发现的，他们发现这些直径为几纳米的碳质材料可以在365 nm的紫外光下发出不同颜色的荧光，故将其命名为荧光纳米粒子。这些小的碳质材料在2006年被SUN等[9]科学地命名为碳量子点。由于碳量子点和石墨烯量子点具有无毒、产量丰富、低成本、强荧光和相对较好的溶解性等特点，所以自发现以来，学者们为了实现碳量子点和石墨烯量子点简单、高产率的合成，提出了许多方法。本文拟介绍碳量子点和石墨烯量子点的主要合成方法及其光致发光的进展，为二者在传感领域的应用提供参考。

1 碳量子点和石墨烯量子点的合成方法

碳量子点和石墨烯量子点自被发现以来，合成方法不断更新，现在可大致分为“自上而下”方法和“自下而上”方法[10-11]两类，“自上而下”方法是通过化学、电化学或物理方法将碳纤维、活性炭等大尺寸的碳材料分解成纳米尺寸的碳量子点和石墨烯量子点。“自下而上”方法则是通过有机小分子的缩合、聚合、碳化和钝化生成。

“自上而下”方法主要有电化学氧化法[12]、酸氧化法[13]和激光消蚀法[14]等。电化学氧化法是利用石墨烯、石墨、碳纤维等相对较大的碳材料制造碳量子点和石墨烯量子点的最常用的方法之一。其优点是操作简单，原材料丰富并有利于大量生产，但合成碳量子点和石墨烯量子点的纯化过程复杂。酸氧化法是用氧化性酸来碳化有机分子，通过控制氧化过程得出更小的碳量子点和石墨烯量子点，但是反应所需的条件较为苛刻，反应过程剧烈。激光消蚀法所获得的碳量子点和石墨烯量子点显示出可调、可见且稳定的荧光。

“自下而上”的方法一般为微波辅助合成法[15]和水热法[16]等。微波辅助合成法的合成过程更加简便，但对所得的碳量子点和石墨烯量子点的尺寸大小缺乏有效控制。水热法是将有机前体溶液置于水热反应器中，在高温下进行反应。水热法成本低廉、过程无毒，但碳源的来源会极大地影响量子点的性质，不同的碳前体使用相同的方法制造出的碳量子点和石墨烯量子点往往对金属离子表现出截然不同的选择性。微波加热均匀、高效，反应速度快，反应时间短（通常只需几分钟），因此微波辅助合成法是碳量子点和石墨烯量子点合成方法中最简便、最省时的方法，因而在传感领域被广泛用于碳量子点和石墨烯量子点的制备[10]。

2 碳量子点和石墨烯量子点的荧光性质

目前影响碳量子点和石墨烯量子点光致发光的原因主要包括表面边缘态和共轭π键2个方面[17]。表面边缘态对碳量子点和石墨烯量子点光致发光的影响包括其锯齿状的边缘类型、含氧基团、氨基和量子点核。当碳量子点和石墨烯量子点只具有较少的表面化学基团时，共轭π键的带隙被认为是光致发光的主要原因，碳量子点和石墨烯量子点的光致发光可以通过调节共轭π键的大小来调节。

碳量子点和石墨烯量子点低量子产率限制了其在荧光传感中的应用，因此研究者通过表面功能化和掺杂其他杂原子来改善碳量子点和石墨烯量子点的荧光性质。QU等[18]通过水热法，以柠檬酸为碳源，再通过含氮的碱，如尿素对石墨烯量子点进行氮掺杂，与无氮掺杂的石墨烯量子点相比，掺氮石墨烯量子点的光致发光量子产率值提高到58%。VENKATESWARA RAJU等[19]将磷掺杂到碳量子点中，合成了磷掺杂的碳量子点，其电化学发光强度比未掺杂的碳量子点高4倍，计算出的电化学发光量子产率为58.8%，是未掺杂碳量子点（29.52%）的2倍。因此，碳量子点和石墨烯量子点的光致发光特性被广泛应用于传感领域。

3 碳量子点和石墨烯量子点在传感领域的应用

碳量子点和石墨烯量子点具有良好的导电性和固有的荧光性质，可以用作传感器检测各种分析靶标的探针。目前使用碳量子点和石墨烯量子点制造的传感器可大致分为光学传感器、光学生物传感器、电化学生物传感器、场效应晶体管生物传感器和光电化学生物传感器。

3.1 光学传感器

依据碳量子点和石墨烯量子点固有的荧光性质，目前这2种量子点已被广泛用于检测金属离子，如Fe3+[20]、Cu2+[21]、Hg2+[22]、Pd2+[23]等，其检测原理较为相似，利用碳量子点和石墨烯量子点与目标金属离子的结合引起荧光信号改变，来实现对目标金属离子的检测。

有研究发现，对碳量子点和石墨烯量子点进行元素掺杂可使其具有更强的荧光性质，将这种掺杂的碳量子点和石墨烯量子点应用到传感器的检测往往可以得到更低的检测限。DAS等[24]以氧化石墨烯为碳源，以二甲基甲酰胺为溶剂，用溶剂热法合成了氮掺杂的石墨烯量子点，将其修饰在金颗粒上来检测Fe3+，线性范围为1～10 000 nmol/L，检出限为1 nmol/L。金-氮掺杂的石墨烯量子点能高灵敏地检测Fe3+，主要是因为金-氮掺杂的石墨烯量子点表面官能团具有较好的分散性，且表面官能团中有羟基，可以与Fe3+形成配位，富电子金纳米量子点将电子转移到Fe3+离子的半填充3D轨道上进行中和。

使用碳量子点和石墨烯量子点先与目标金属离子结合导致荧光淬灭，加入与目标金属离子亲和性更强的物质使荧光恢复的双发射荧光传感器也相继出现。FU等[25]以海藻酸钠为碳源，组氨酸为氮源和功能单体，通过一锅水热合成法制备高光致发光的碳量子点，通过使用碳量子点和罗丹明B，构造了一种用于检测Hg2+和生物硫醇的传感器。检测原理为碳量子点的表面官能团与Hg2+之间存在强静电相互作用，比率传感器中碳量子点的光致发光可以被Hg2+选择性地强烈抑制；当谷胱甘肽（glutathione，GSH）被引入到传感系统中时，由于生物硫醇和Hg2+之间更强的亲和力，碳量子点的荧光可以被快速恢复，而罗丹明B的荧光在该传感过程中保持恒定。Hg2+和GSH的检测限分别为30和20 nmol/L。

MA等[26]将CdTe量子点、CdS量子点、ZnS量子点和碳量子点封装到咪唑酸沸石骨架中，通过一锅法制作了一种荧光传感器。他们发现该传感器对Cu2+具有良好的灵敏度和选择性，线性范围为5～100 nmol/L，检测限为1.53 nmol/L；该传感器可用于自来水中Cu2+的监测。XUE等[20]将碳量子点与氧化纤维素纳米纤维（oxidized cellulose nanofibril，OCNF）结合制作了碳量子点-OCNF纳米纸，用于特异性检测Fe3+，该方法简单快速，但灵敏度和特异性需要进一步提高。光学传感器主要利用碳量子点和石墨烯量子点对特定金属离子的选择性来实现目标离子的检测。该类传感器制作简单，成本低廉，可以用来检测人体内的各种微量元素。同时，也可以制造小型的即时检验（pointof-care testing，POCT）仪器。但该类传感器的灵敏度稍差。

3.2 光学生物传感器

光学生物传感器与光学传感器类似，通过对碳量子点和石墨烯量子点固有的荧光信号的淬灭或恢复来实现目标物质的检测。不同的是，光学生物传感器通过在碳量子点和石墨烯量子点表面修饰生物探针，例如DNA、抗体、酶等，来提高碳量子点和石墨烯量子点检测的选择性。

ZHANG等[27]在石墨烯量子点上修饰芘功能化分子信标探针（pyrene-functionalized molecular beacon probe，py-MB），并用荧光基团标记py-MB。通过py-MB自身的碱基配对特异性以及石墨烯量子点向py-MB标记的荧光染料的荧光共振能量转移（fluorescence resonance energy transfer，FRET），实现了对微小RNA（microRNA，miRNA）的定性和定量检测。因为引入了芘，保证了石墨烯量子点和标记在分子信标上的荧光染料之间产生FRET，使荧光染料的荧光信号增强。目标miRNA和py-MB环结构之间的杂交导致发夹结构开放，形成更刚性的双链结构，阻碍了FRET，从而降低了荧光染料的荧光信号。通过荧光信号的变化实现对miR-155的检测，线性范围为0.1～200 nmol/L。

WEI等[28]开发了一种基于单链DNA（singlestranded DNA，ssDNA）和碳量子点的荧光生物传感器。当ssDNA附着在碳量子点上时可降低碳量子点的荧光强度。在丙烯酰胺存在的情况下，ssDNA优先与丙烯酰胺结合，使碳量子点的荧光强度恢复。该传感器检测ssDNA的线性范围为0.1～5 000 μmol/L，检测限可低至0.024 1 μmol/L。LV等[29]将DNA与碳量子点结合制备了荧光生物量子点探针，通过碱基配对检测三聚氰胺，线性范围为5～600 μmol/L，检测限为1.4 μmol/L。SHI等[30]分别在石墨烯量子点和金纳米粒子（gold nanoparticle，AuNP）上修饰金黄色葡萄球菌mecA基因的捕获探针和报告探针，通过碱基互补配对使石墨烯量子点和AuNP之间发生FRET，导致石墨烯量子点荧光淬灭，该石墨烯量子点-AuNP生物传感器对金黄色葡萄球菌mecA基因序列的检测限为1 nmol/L。光学生物传感器通过在碳量子点和石墨烯量子点上修饰生物探针，可以应用于各种生物标志物的检测，但其灵敏度还不够高。

3.3 电化学生物传感器

碳量子点和石墨烯量子点表面有活泼的官能团，且本身具有较好的导电性，因此可被固定在电化学生物传感器上连接生物探针或直接捕获金属离子。ZHAO等[31]基于ssDNA与石墨烯材料之间的强相互作用，利用石墨烯量子点修饰的热解石墨电极与特定序列的ssDNA分子作为探针，制备电化学生物传感器。ssDNA探针分子通过与石墨烯的相互作用结合在修饰电极表面，抑制电化学活性物质铁氰化钾｛[Fe（CN）6]3-/4-｝与电极之间的电子转移。当存在靶标时，ssDNA会与靶标结合，所获得的[Fe（CN）6]3-/4-的峰值电流将随着目标分子的增加而增加。但在复杂的介质中或有多种其他DNA存在时，该电化学生物传感器的检测特异性和灵敏度会受影响。

LI等[32]报道了一种新型功能肽分子的设计，该分子具有形成肽纳米纤维的能力，并能特异性识别石墨烯量子点和氧化石墨烯纳米片。他们在肽序列设计的基础上，成功合成了石墨烯量子点-纳米纤维-氧化石墨烯三元纳米杂化物，将该三元纳米杂化物修饰在玻碳电极上构成电化学生物传感器，并使用该传感器检测H2O2，其线性范围为10～7 200 μmol/L，检测限为0.055 μmol/L。

RAN等[33]将氮掺杂的碳量子点与氧化钴结合形成复合物，再与金纳米颗粒修饰的抗体结合，构建电化学生物传感器，可用于检测人附睾蛋白4，其线性范围为0.002～20 ng/mL，检测限为1.5 pg/mL。GHANBARI等[34]依次在玻碳电极上修饰石墨烯量子点和丙型肝炎病毒（hepatitis C virus，HCV）核心抗原的适配体，用于特异性检测HCV核心抗原，其线性范围为10～400 pg/mL，检测限为3.3 pg/mL。基于碳量子点和石墨烯量子点功能化的电化学生物传感器的灵敏度有了进一步的提高，但电化学生物传感器还存在修饰过程复杂、操作繁琐等不足。

3.4 场效应晶体管生物传感器

场效应晶体管生物传感器利用碳量子点和石墨烯量子点体积小、导电性优越等性质，通过碳量子点和石墨烯量子点直接捕获金属离子或交联适配体、DNA等生物探针，捕获特定靶标，进而利用靶标本身的带电性，引起场效应晶体管生物传感器的电流发生变化，从而实现目标物质的检测。FAN等[35]通过在场效应晶体管的栅极上修饰碳量子点配位捕获Cu2+，其源极和漏极用石墨烯连接，传感器的感测机制是碳量子点和Cu2+的配位引起栅电极附近双电层的电容发生变化，导致沟道电流发生变化。该传感器对Cu2+的检测限为10 fmol/L。

通过碳量子点和石墨烯量子点与金属离子的配位连接虽然方法简单，但却缺乏特异性，因此，MANSOURI MAJD等[36]通过顺序溶剂交换法和水热法制备二硫化钼和碳量子点传感层，在场效应晶体管上用二维材料MoS2连接源板和漏极，然后将碳量子点固定在MoS2上，通过在碳量子点上修饰适配体作为Hg2+的探针，设计了一种基于DNA-碳量子点杂化物的二硫化钼场效应晶体管生物传感器，用于水环境中Hg2+的超灵敏检测，其线性范围为1 amol/L～10 pmol/L，检测限为0.65 amol/L。

另外，将碳量子点和石墨烯量子点与DNA探针连接起来，检测其他靶标的方法也相继出现。DONG等[37]直接在石墨烯上修饰碳量子点，连接DNA探针，构建了碳量子点修饰的液体剥离石墨烯场效应晶体管作为DNA甲基化传感器，采用特异性探针捕获SEPT9基因，选择相应的抗体锚定序列上的5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）位置，对SEPT9基因的检测限为2 ng/μL。

RAMADAN等[38]在石墨烯场效应晶体管表面依次修饰碳量子点和抗体，特异性检测外泌体，使用该传感器检测外泌体的检出限为100 个/μL。

场效应晶体管生物传感器是近年来发展较快的一种新型传感器，已被用于检测金属离子、核酸和抗体等物质，可实现免标记检测且灵敏度较高。

3.5 光电化学生物传感器

碳量子点和石墨烯量子点独特的光学性质也为其在光电化学生物传感器中的应用提供了可能。WANG等[39]以石墨烯量子点-类石墨氮化碳连接适配体构建了一种光电化学生物传感器，其中石墨烯量子点作为光活性增强剂，金纳米粒子和DNA生物素标记的适配体作为玉米素识别和链霉亲和素捕获元件，该生物传感器检测玉米素的线性范围为0.1～100 nmol/L，检测限为0.031 nmol/L。CHENG等[40]以氧化铟锡为基底，二氧化钛纳米粒子为光活性基底材料，氮掺杂碳量子点为光敏剂，乙酰胆碱酯酶为生物识别分子，制备了可见光驱动的光电化学生物传感器。氮掺杂碳量子点的加入显著提高传感器的光电流信号强度。该光电化学生物传感器对农药氯吡硫磷的检测范围为0.001～1.5 μg/mL，检出限为0.07 ng/mL。

WANG等[41]基于碳量子点和金纳米颗粒之间的能量转移，开发了一种光电化学生物传感器，通过在AuNP上修饰的2个发夹探针（H1和H2），同时检测2种miRNA（miR-159b和miR-166a）；该生物传感器检测miR-159b和miR-166a的线性范围为0.5～5 000 fmol/L，检测限分别为0.15和0.21 fmol/L。QIN等[42]以聚乙烯亚胺功能化的氧化石墨烯-碳量子点-金纳米颗粒复合物为探针，通过在复合物表面修饰抗体，构建了一种三明治式电化学发光免疫传感器，用于检测糖类抗原15-3（carbohydrate antigen 15-3，CA15-3），其线性范围为0.005～500 U/mL，检测限为0.001 7 U/mL。这类传感器同时利用了碳量子点和石墨烯量子点的导电性和光致发光的特性，灵敏度较高。

4 碳量子点和石墨烯量子点在医学检验中的应用前景

基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器越来越多样化，其在医学检验中的应用同样值得期待。目前疾病生物标志物检测方法主要有放射免疫分析法、酶联免疫吸附试验（enzymelinked immunosorbent assay，ELISA）和化学发光法。放射免疫分析法存在放射性元素的污染问题，且灵敏度不高。ELISA简单、快速，但需要用酶进行标记，酶的活性对ELISA的检测性能影响较大。化学发光法易受环境因素的影响，且需要大型仪器，检测成本较高。基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器通过在碳量子点和石墨烯量子点上标记抗原或抗体，特异性检测疾病标志物。该类方法灵敏度高，且通过改变功能化的抗原或抗体，可以实现对多个生物标志物的检测。同时，该方法不需要大型仪器，成本较低，可实现POCT检测。

另外，基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器可用于检测各种病毒的核酸。目前，用于病毒核酸检测的方法为聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR），其灵敏度高，准确性好，但是需要特殊仪器，且检测时间较长。基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器可以在碳量子点和石墨烯量子点表面修饰特异性的DNA或RNA探针，高特异性地检测病毒核酸。电化学生物传感器和场效应晶体管生物传感器不需要特殊仪器，检测时间短，可满足目前病毒核酸检测的需求。

基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器还可用于细菌的检测。基于碳量子点和石墨烯量子点的传感器可以通过修饰特异性抗体，检测细菌表面的蛋白质来鉴别细菌，或通过检测细菌核酸的特异性序列来实现细菌的鉴定。

5 总结与展望

碳量子点和石墨烯量子点已被大量用于各种传感器。但目前碳量子点和石墨烯量子点仍存在2个问题：一是制备的碳量子点和石墨烯量子点大小不均一，制备方法还有待进一步改进；二是碳量子点和石墨烯量子点的发光量子产率还有待进一步提高。碳量子点和石墨烯量子点在临床检验中也有其优势。利用碳量子点和石墨烯量子点与金属离子结合导致其本身的荧光发生变化，根据荧光的变化可以测定相应金属离子的浓度。因此，碳量子点和石墨烯量子点可用于检测血清中的各种微量金属元素，使检测成本进一步降低，即使在基层医院也能实现微量金属元素的检测。将碳量子点和石墨烯量子点与DNA或RNA结合构成信号探针，并在信号探针上修饰荧光基团，可对血清中的目标miRNA进行定性、定量检测，相对于目前临床常用的PCR方法，其检测成本更低，检测时间更短。将碳量子点和石墨烯量子点与DNA或抗体等生物探针结合，固定到电化学生物传感器和场效应晶体管生物传感器上，可以实现对目标物质的超灵敏检测。

总之，应充分发挥碳量子点和石墨烯量子点在检验医学中的优势，将传感与检验医学联系起来，实现碳量子点和石墨烯量子点由基础研究到临床检验的跨越。