【摘要】 碳量子点（Carbon quantumdots，CQDs），一种新型的碳纳米材料，其三维高度均在10 nm以内，主要包含元素为Ｃ、Ｈ、O三种元素。CQDs表面含有大量的羟基、羧基、氨基、醚键、醛基以及其它化学官能团，故其具有良好的亲水性。

 

1. 碳量子点简介

 

碳量子点（Carbon quantumdots，CQDs），一种新型的碳纳米材料，其三维高度均在10 nm以内，主要包含元素为Ｃ、Ｈ、O三种元素。CQDs表面含有大量的羟基、羧基、氨基、醚键、醛基以及其它化学官能团，故其具有良好的亲水性。

 

图 1：（A）碳量子点的化学结构；（B）表面官能团（图片来源:Lim, et al. Carbonquantum dots and their applications. Chemical Society Reviews, 2015, 44.1:362-381.）

 

2. CQDs的发光特性

 

CQDs作为一种荧光物质，最引人关注的特征是其具有光致发光特性，虽然发光机理还没有得出统一的结论，但主要表现出以下特征：尺寸、激发波长、pＨ、表面状态依赖性。

 

尺寸依赖性：CQDs会因其具有不同粒径大小而具有不同的荧光发射波长和强度。研究表明CQDs尺寸减小其荧光发射波长向高能量转移，荧光发射光谱蓝移。

 

激发波长依赖性：即当选取不同激发波长对CQDs进行照射时，CQDs的发射波长和强度会随之发生改变；CQDs的荧光发光峰位会随着激发波长的增长而发生红移，荧光发射强度先升后降。

 

表面状态依赖性：通过改变碳量子点的氧化程度或表面官能团的种类及数量，进而改变带隙宽度，最终其荧光发射谱图也会随之发生改变。

 

除此之外，介质的 pH 值也会明显影响碳量子点的发光。

 

3. CQDs的制备方法

 

CQDs 的制备方法可以分为自上而下法和自下而上法两大类。自上而下法主要是从较大的碳材料（比如：碳纳米管，石墨，石墨烯，纳米金刚石，活性炭（AC）等）中剥离得到较小的碳纳米颗粒，主要包括：电弧放电法，激光消融法和电化学合成法。

 

自下而上法方法主要是是以小分子作为前驱体通过一系列化学反应得到尺寸更大的碳量子点，一般选择芳香环有机小分子或者柠檬酸、葡萄糖等碳水化合物，通过水热法、溶剂热法、高温热解法、微波辅助法和超声法将其裂解碳化，并对小尺寸碳颗粒进行表面修饰。

 

图 2：“自上而下”和“自上而下”制备CQDs的示意图( 图片来源:Wang, et al. Carbon quantum dots: synthesis, properties and applications.Journal of Materials Chemistry C, 2014, 2.34: 6921-6939.)

 

4. CQDs的应用

 

另外CQDs具有出色的生物相容性，低毒性，高荧光发射强度，光稳定性，可调控的光致发光特性，易被生物分子功能化等特性被广泛应用于生物医学，细胞成像，荧光探针，传感器和催化应用，食品安全等领域。

 

图 3：CQDs的应用领域。(图片来源：Molaei, et al. A review on nanostructured carbon quantum dots and theirapplications in biotechnology, sensors, and chemiluminescence. Talanta, 2019,196: 456-478.)

 

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(3)   表征测试图（Characterizations）

 

图1. 水溶性碳量子点的a）实物照片，b）荧光照片，c)透射电镜照片，d)荧光光谱图。

 

图2.水溶性碳量子点的a）X射线光电子能谱，b)XRD，c)细胞成像图，d)小动物活体成像图，e）与聚合物复合材料照片，f）与聚合物复合材料荧光照片

 

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