高雪1,2，孙靖1,2，刘晓1,2，王华1,2，韩金玉1,2
（1天津大学化工学院，天津 300072；
2绿色合成与转化教育部重点实验室，天津 300072）
摘
要
碳量子点的研究引起了国内外学者的广泛关注，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的研究热潮。本文基于碳量子点的最新研究进展，总结了碳量子点不同的合成方法，主要包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法等“自上而下”合成法与燃烧法、水热法等“自下而上”合成法。此外，还重点介绍了碳量子点的表征技术，如透射电子显微镜、拉曼光谱、荧光光谱、紫外可见光谱、X射线衍射、核磁共振技术等，以及碳量子点的性质及其在生物成像、生物传感与检测和光催化等领域的应用。最后展望了未来碳量子点在光催化、电催化等领域研究工作的发展方向。
碳元素是自然界中含量最丰富的元素之一，也是构成生命体最基本的元素。近年来，含碳纳米材料引起了广泛的研究兴趣，如碳纳米管、富勒烯等。但由于其自身缺陷，如纳米金刚石制作成本和分离成本过高、碳纳米管水溶性较差，且不是有效的光学发射体（尤其在可见光范围内），在很大程度上限制了这些碳材料更为广泛的应用。碳基纳米点是一种新型的零维碳纳米材料，相比于传统的碳材料，其制作成本、分离成本更为低廉。此外，其表面有较多亲水基团，因而具有更好的水溶性。
碳基纳米点简称碳点，如图1所示，可分为石墨烯量子点、碳量子点、聚合物点。碳量子点是由分散的类球状颗粒组成，尺寸在10nm以下，具有荧光性质的新型纳米碳材料。2004年，XU等首次在电泳法制备单壁碳纳米管的纯化过程中制备出一种具有尺寸相关的荧光性质的碳材料。SUN等在2006年通过表面钝化合成了具有增强荧光发射效应的荧光纳米颗粒，并将其命名为碳量子点。此外，WANG等在2011年通过分离蜡烛燃烧的烟灰得到尺寸小于2nm的碳量子点，研究表明该碳量子点是单纯sp2杂化的共轭体系。
图1 3种不同类型的碳点
由于传统的半导体量子点和有机染料在生产的过程中使用重金属，因此具有较高毒性，限制了其进一步应用。与传统半导体量子点相比，碳量子点不仅具有类似于传统量子点的发光性能与纳米尺寸特性，而且具有很好的水溶性、化学惰性、易功能化、高耐光漂白、低毒性和良好的生物相容性等特性，因此在不同研究领域获得了广泛关注，同时也代表发光纳米粒子研究进入了一个新的阶段。
研究发现碳量子点在近红外光下激发出的荧光可穿透生物组织，应用于活体生物纳米技术领域。而在水溶液中所发射出的荧光可以有效地被电子供体或电子受体猝灭，这证明量子点具有很好的电子转移性能，因此可应用于光电探测器和太阳能电池。此外，碳量子点也可应用于敏感离子检测的纳米探针、光电催化、生物成像等领域。
本论文将就碳量子点研究领域的最新进展进行介绍，主要包括合成、性质与应用等方面，希望可以提供一个尽可能全面的碳量子点研究现状概述，对其物理化学性质和相关应用的研究开发提供帮助。
1 碳量子点的合成
1.1 “自上而下”方法
1.1.1 电弧放电法
1.1.2 激光销蚀法
图2 碳纳米晶体的高倍透射电镜[23]
1.1.3 电化学合成法
1.2 “自下而上”方法
1.2.1 燃烧法
1.2.2 水热合成法
图3 掺杂碳量子点的二氧化硅纳米管
1.2.3 化学氧化法
1.2.4 模板法
1.2.5 微波合成法
2 表征
2.1 透射电子显微镜
2.2 拉曼光谱
2.3 荧光光谱与紫外可见光谱
2.4 X射线衍射法
2.5 核磁共振
图4 碳量子点的核磁共振谱图
3 性质
3.1 结构
图5 碳量子点的化学结构
3.2 光学性质
3.2.1 吸收与荧光稳定性
3.2.2 荧光机理与影响因素
图6 碳量子点激发波长依赖性
3.2.3 上转换荧光
3.2.4 电化学发光
图7 碳量子点的上转换荧光性质
3.3 高生物相容性与低细胞毒性
4 应用
4.1 生物成像
4.1.1 体外成像
图8 碳量子点标记的MCF-7细胞的荧光效应
4.1.2 体内成像
图9 碳量子点的静脉注射
4.2 生物传感与分析检测
4.3 光催化
4.4 电催化
5 结论与展望
自2004年碳量子点首次发现以来，它一直是纳米材料领域一个备受关注的材料，国内外学者研发出了很多简单、低耗、有效的合成方法，近年来更是掀起了以天然物质为碳源制备碳量子点的热潮，如冬瓜、蛋清、壳聚糖等。现阶段还需进一步研究开发廉价、可再生的碳源，探究碳量子点的发光机理，提高量子产率，不断地挖掘碳量子点的物理化学性能，扩大其应用面。碳量子点可以进行表面功能化修饰，与适当元素掺杂，因此碳量子点在电池、光催化、光伏方面应用前景较好。碳量子点的发光机理如果得到进一步明确，则其在光电催化、生物成像、药物运输等方面的应用性能将会大幅度提升，得到更为广泛的应用。
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017.05.023
文章来源：《化工进展》2017年第36卷第5期：1734-1742
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