中国粉体网讯 量子点（Quantum Dots, QDs）是指尺寸小于激发子波尔半径，具有量子限域效应的半导体纳米微粒。因量子限域效应，量子点的荧光发射与直径、化学组成相关，通过与半导体表面复合可增强其光学和光化学性能。传统量子点多由重金属元素组成，尽管其优异性能在生物成像、电化学和能量转换等领域有广泛应用，但重金属元素会引起环境污染和影响生物体健康。
碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）通常指由sp2/sp3碳内核和外层含氧/氮官能团组成，尺寸少于10nm单分散球状纳米碳材料。具有相似于传统半导体量子点的优异性能，又能有效克服高毒性和生物相容性差的缺陷，且来源广泛、易于合成和便于功能化，是传统半导体量子点的理想替代材料。广义上荧光碳量子点可分为3种：石墨烯量子点（graphene quantum dot）、纳米金刚石（nanodiamond）和荧光碳颗粒（carbon dot）。
碳量子点的性能
碳量子点具有独特的结构和多种优异的性能，不但具有激发/发射可调的光致发光性，还有上转换发光、化学致发光、电化学致发光等独特光学性能，其中强荧光性和良好的生物相容性的关注较为集中。
化学结构
碳量子点通常呈直径10nm以下的球状微粒，由无定形结构或纳米晶体结构的sp2/sp3碳团簇组成。研究发现，通过引入不同表面缺陷、杂原子掺杂和官能团，可以定向改变碳量子点的结构和理化性能。
碳量子点的光学性能
碳量子点具有多种优异的光学性能，如光学吸收、光致发光、化学致发光和电化学致发光等，这些光学性能是碳量子点能在多个领域应用的基础。
光学吸收
C=C键的π-π*跃迁使碳量子点在紫外光区具有强光学吸收且可延伸至可见光区。部分碳量子点还会在C=O键的n-π*跃迁。通过引入官能团和表面钝化可调整其吸收光谱。
光致发光
不同尺寸碳量子点的量子效应是由表面不同的发射陷阱造成的，有效表面钝化是碳量子点具有强光致发光的必要条件，通过不同的表面钝化可获得符合需求的光致发光性能。此外碳量子点光致发光还与pH相关。
上转换发光
上转换发光（UCPL）是指物质同时吸收两个或多个光子，指示发射波长小于激发波长的光学现象（反斯托克斯发射）。有关研究认为上转换发光来源于从高能态π轨道到σ轨道电子弛豫或由荧光光谱仪中单色器二次衍射部分泄露造成。
化学致发光
碳量子点与MnO4-或Ce4+共存时具有化学致发光性（CL）。通过“化学还原”产生的电子和热激发产生的空穴引起辐射重合被认为是化学致发光的原因。
电化学致发光
碳量子点具有电化学致发光性（ECL）。电压作用下，碳量子点氧化还原物态产生的电子转移湮灭，形成激发态，在回到基态的弛豫过程中产生电化学致发光信号。
电子转移性能
碳量子点光激发态和相关瞬变现象与荧光发射和氧化还原过程相关。光诱导电子转移（PET）性能是碳量子点能量转化和催化应用的基础。研究发现碳量子点的电子转移性能主要受碳核、官能团和杂原子掺杂共同影响。
生物学性能
碳量子点具有明显高于其它纳米材料的生物相容性。研究表明大部分纯碳量子点和表面钝化后的碳量子点无明显细胞毒性。少数情况下，表面钝化和官能化则可能导致碳量子点存在较低生物毒性。
碳量子点的合成
碳量子点的合成主要分为两类：“自上而下”法、“自下而上”法。通过在前处理、制备过程、后续处理等过程的处理，可对碳量子点进行尺寸控制、表面钝化、杂原子掺杂及纳米复合物等方式满足需求。
自上而下法
自上而下法：激光烧蚀法，电化学法，电弧放电法。
电弧放电法
Xu等采用电弧放电法以碳灰为碳源合成蓝、黄色荧光碳纳米颗粒。Bottini 等用单壁碳纳米管为碳源合成黄绿色荧光碳量子点。Sun等制得可与Ag等纳米复合颗粒尺寸小于10 nm的碳量子点，用于光电转换。
电弧放电法产率比较低，纯化繁琐复杂，产物收集难，氧含量大，不需表面修饰，其发光机理可与碳纳米管相似。
激光烧蚀法
Sun等以碳为靶经过激光烧蚀的方法制备出了荧光碳量子点。
Hu等利用激光消融法一步合成可同时进行表面功能化的碳量子点。
激光烧蚀法需要昂贵的仪器，同时需要加入有机溶剂来改变表面态，才能使制得的碳量子点有荧光产生。
电化学法
电化学氧化法是指采用电化学方法氧化碳源Ｗ制备碳量子点的方法。Zhou等利用电化学氧化多壁碳纳米管（MwCNTs）的方法获得了碳量子点。
电化学方法材料费用低廉、条件温和、后处理简单、在表面结构分析及发光机理研究中有其独特优势。
自下而上法
自下而上法：有机物碳化法，微波法，水热法、燃烧法、超声处理法等。
有机物碳化法
有机物碳化法：将有机物前驱体碳化后获得能够发射荧光的碳量子点，同时可制备出具有表面功能化的水溶/油溶性碳量子点。有机物碳化法可分为两类：加热碳化和酸脱水碳化。此方法通过选取不同碳化前驱物或不同表面包覆剂可改变碳量子点性能
微波法
微波是指波长频率在300 MHz~300 GHz范围之间的电磁波，微波的特点为能量集中、均匀、效率高、反应时间短。选择不同的碳源如蔗糖、氧化石墨（GO）、葡萄糖、壳聚糖、聚乙二醇、二甲基甲酰胺（DMF）等可制备出相应的碳量子点。
水热法
以水为溶剂在高温高压条件下在反应釜中合成物质。其延伸方法溶剂热法使用有机溶剂。 水热法制备过程相对简单，且容易控制。同时在密闭空间反应可阻止有机物挥发。溶剂不同，制得的碳量子点性质也有所不同。
燃烧法
燃烧法制备碳量子点的过程操作简单、设备要求低、重复性强，但产物颗粒粒径分布难以控制。
超声处理法
Li等将活性碳加入双氧水中形成黑色悬浮液。室温下经超声处理后的悬浊液稀释后利用纤维素膜真空透析，除去非荧光性物质。过滤后得功能化碳纳米粒子（FCNPs）。超声处理法制备碳量子点设备要求低、操作简单、成本低廉、产率高、能耗少。
应用或机理研究需要，需对碳量子点尺寸进行控制，目前常见的方法是在纳米反应器中制备碳量子点。通过毛细作用力将有机起始物吸收到多孔纳米反应器中，在纳米反应器中裂解有机起始物，去除纳米反应器，得到碳量子点。
表面钝化和官能化
没有进行表面钝化的碳量子点量子效率通常很低为了满足特定的应用需要，人们通过共价结合、配位作用、π-π 相互作用、溶胶-凝胶作用等方式对碳量子点的进行表面钝化和官能化。官能化碳量子点的同时可改善碳量子点光学性能和物化性能。
杂原子掺杂
调节物质发光常采用杂原子掺杂，常见杂原子有氮（N）、硫（S）、磷（P）、硅（Si）等。氮（N）掺杂能明显增强光致发光性，且发射强度与氮含量相关；硅（Si）掺杂碳量子点对H2O2能够产生特异性响应。
碳量子点的复合
碳量子点复合可将其荧光性能与无机纳米颗粒电学、磁学、光学等性能结合起来满足不同应用领域需要。根据复合物料的性质可以分为贵金属复合（如Ag等）和半导体复合（如TiO2、Fe2O3、Cu2O等）两种。
碳量子点的应用
碳量子点具有强光致发光性、强电子转移能力和良好的生物相容性等诸多优异的性能，在生物、医学、化工、电子等领域具有巨大潜在应用价值。
生物成像
碳量子点的強致发光性和较好的生物低毒性可用来替代半导体量子点和有机染料，相交于传统细胞标记物其最大优势是多色发光，有利于研究人员根据不同的成像需要控制和选择激发和发射波长。随着研究深入，未来选择性细胞靶向碳量子点在生物成像领域有着广阔的应用前景。
疾病治疗
碳量子点能够作为某些特定肿瘤的光敏剂，同时在特定区域集聚的碳量子点，通过特定波长的照射，可抑制癌细胞的成长。研究人员还将其作为纳米载体和追踪器监控药物或基因的传递过程。通过监控碳量子点的荧光信号，可以推断药物的传递效果，从而优化药物的注射方式和使用剂量。
发光材料
由于碳量子点具有良好的光电子性质，可用于光电转换。Mirtchev等制备了碳量子点敏化的二氧化钛太阳能电池。
光催化应用
碳量子点表面有丰富官能团和优秀电子转移能力，使其具有良好光催化和电化学催化性能。Yu等人利用一步水热法制备碳量子点—P25 TiO2纳米复合物，碳量子点作为蓄电子池，能够有效地促进P25 TiO2在紫外光的照射下催化氢气生成。
化学传感
碳量子点的低毒性、生物相容性、光稳定性等特点，可用于检测金属离子、金属、阴离子等分子。
荧光油墨
碳量子点在紫外光照射下，能够发出明显荧光，且光稳定性强，因此被用作荧光油墨。Gao 等人将无色的碳量子点打印在剪纸上，用作防伪油墨和信息加密。
参考资料：
董英鸽.碳量子点及其复合结构的制备与性能研究
魏婕.碳量子点及纳米颗粒的制备、改性及其在光催化制氢领域的应用
梁梓承.生物质碳量子点的制备与应用硏究
沈冉.强荧光量子点的合成、性质及其在生物标记方面的应用
田瑞雪.碳量子点表面基团调控及性能的研究
王珊珊.碳量子点的制备及性能研究
（中国粉体网编辑整理/江岸）
