熒光碳點的制備及應用研究進展

張 彥， 李 敏， 姜晶晶， 雙少敏， 董 川

(山西大學化學化工學院，環(huán)境科學研究所，山西太原 030006)

1 引言

碳點(CDs)是一種尺寸小于10 nm的分散的類球形熒光碳納米顆粒。2004年，Xu等[1]利用電泳純化由電弧放電法制備單壁碳納米管時，首次得到了發(fā)熒光的碳納米粒子，并且在366 nm波長的激發(fā)下有藍綠光、黃光和橙光三種譜帶。2006年，Sun等[2]以石墨粉為原料制備出了熒光性能較好的碳納米粒子，將其成功用于多光子成像，并首次稱其為CDs。由此引起越來越多的研究者對這種熒光碳納米顆粒研究的興趣[3 - 6]。CDs作為一種新型熒光納米材料，由于其具備發(fā)光范圍可調、易于實現(xiàn)表面功能化、光穩(wěn)定性好、無毒和生物相容性好等優(yōu)點[7 - 9]，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起了人們極大的研究興趣，在細胞成像[10 - 12]、生物標記[13]、分析監(jiān)測[14 - 15]、藥物傳遞、光電轉換以及催化[16]等領域表現(xiàn)出了良好的應用前景。與傳統(tǒng)半導體量子點相比，熒光碳點可通過一步法大規(guī)模合成，合成原料廉價易得[17 - 18]，省時高效，并且能克服傳統(tǒng)量子點帶來的重金屬泄露、毒性大、環(huán)境污染嚴重等問題[19 - 20]，這使CDs成為傳統(tǒng)量子點的理想替代者。

近年來，關于CDs的研究主要集中在開發(fā)更為快捷簡便的制備方法，以及高效利用CDs的熒光特性兩方面[21 - 22]。目前，關于CDs的制備、表面功能化及其在活體成像等領域的應用進展已有報道[23 - 26]。本文在前人的基礎上對CDs的制備及其在分析檢測中的應用進行了系統(tǒng)綜述。

2 碳點的性能

CDs是熒光碳納米材料中最重要的一種，是一種單分散的、幾何形狀近乎準球型的新興零維半導體納米晶體[27 - 28]。CDs的粒徑一般只有幾個納米，分子量只有幾千到幾萬，CDs通常由C、H、O、N四種基本元素組成，大多數(shù)制備的CDs表面都含有豐富的官能團(如羥基，羧基，氨基等)，通過表面官能團將CDs與具有生物活性的分子修飾可以進一步提高其生物相容性[29 - 31]。

2.1 碳點的光學特性

CDs在紫外區(qū)域有很強的吸收峰，并且通過改變CDs的尺寸和化學組成可以使其吸收峰延伸至可見光區(qū)，甚至可覆蓋整個可見光區(qū)，說明CDs在一定程度上屬于半導體材料體系[32]。另外，CDs具有較寬的激發(fā)光譜和窄的發(fā)射光譜，使用同一激發(fā)光源就可實現(xiàn)對不同粒徑的CDs進行同步檢測，因此可用于多色標記[33 - 34]。CDs還具有寬大的斯托克斯位移，可避免發(fā)射光譜與激發(fā)光譜的重疊，有利于熒光光譜信號的檢測。除此以外，作為一種有潛力在諸多領域發(fā)揮重要作用的納米材料，CDs有很強的光穩(wěn)定性且抗光漂白，熒光波長可調，有較長的熒光壽命，是優(yōu)良的電子給體和受體，具有光誘導電子轉移特性，有些CDs還具有上轉換熒光性質，促進了碳點在熒光標記中的應用[35 - 36]。

2.2 碳點的低毒性與生物相容性

碳元素以多種形式廣泛存在于自然界中，此外碳元素也是構成生物體最基本的元素之一。因此，相對于其他元素構成的熒光納米材料，CDs的毒性低且具有良好的生物相容性，可以通過細胞內吞(粒徑只有幾個納米級，修飾后能達到幾百納米)進入細胞內部而不影響細胞核，還可以與DNA生物大分子相互作用，從而進行DNA的識別與檢測[37]。此外，CDs表面含有大量功能基團，經(jīng)有機、無機及高分子聚合物修飾后性能可以得到提升。CDs經(jīng)過生物活性物質修飾之后，可進行特異性連接，實現(xiàn)生物活體標記和檢測。

除了優(yōu)異的光學性質和生物相容性以外，CDs還具有光電荷轉移特性，近紅外發(fā)光特性，高抗鹽性以及擬酶催化的能力。這些特性使得碳點在光催化，發(fā)光材料，光學器件等領域同樣存在著廣泛的應用前景[38 - 41]。

3 碳點的熒光機理

CDs的熒光機理一直以來是相關研究者關注的熱點[42 - 43]，由于其種類繁多，制備方法不盡相同，控制熒光的發(fā)光中心也各有差異，本文將已報道的熒光機理總結如下：最早解釋CDs發(fā)射熒光現(xiàn)象的是Sun等人[2]，他們認為碳點表面經(jīng)過鈍化處理后可能產(chǎn)生多種能量勢阱，由于CDs表面存在大量缺陷，而表面鈍化劑可將有機聚合物連接到CDs表面的缺陷處，使表面缺陷處的能量高于基態(tài)而發(fā)射出熒光。隨后大量的研究也表明裸露的CDs沒有熒光或熒光強度很弱，只有經(jīng)過表面鈍化修飾后才會表現(xiàn)出強的熒光性質[60 - 61,64 - 65,80]。還有一種解釋是量子局限效應，即由于尺寸的“局限”造成連續(xù)能級分解為離散能級，從而使物質產(chǎn)生了與大塊狀態(tài)時不同的性質。CDs的量子局限效應認為CDs能發(fā)射熒光，是由于其尺寸達到了納米級。Li等[44]通過電化學方法合成CDs并用柱色譜將其分離，制備出粒徑為1.2～3.8 nm的CDs，具有尺寸依賴的發(fā)光性能。Bourlinosa等[45]則認為CDs發(fā)光是由于出現(xiàn)了多種芳香化合物，這一解釋主要針對熱分解有機物得到的CDs。有機物熱分解過程中出現(xiàn)碳原子重新組合，形成了與石墨氧化物或者具有碳氧結構的褐煤、煤炭和腐殖質物質結構類似的多環(huán)芳香化合物，引起發(fā)光。Baccile等[46]用固體核磁檢測碳水化合物熱分解產(chǎn)物時就發(fā)現(xiàn)，60%的碳具有呋喃類型結構。

目前，CDs的熒光機理還沒有被完全研究透徹，設計可行嚴謹?shù)膶嶒炦M一步得到被廣泛接受的熒光機理可為提高CDs的熒光量子產(chǎn)率提供可靠的理論依據(jù)。

4 碳點的制備

迄今為止，CDs的制備研究己經(jīng)取得了很大的進展，多種合成方法己經(jīng)被成功地研究出來。根據(jù)制備工藝和過程不同，熒光碳點的制備方法可以分為兩類：自上而下(top-down)制備和自下而上(bottom-up)制備。前者指由較大的碳結構裂解為微小的碳納米粒子，后者是以小的分子為前體聚合形成納米級的碳顆粒[47]。

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4.1 自上而下制備熒光碳點

常見的自上而下制備方法即通過酸氧化、電弧放電、激光銷蝕和電化學氧化等方法將體積較大的碳比如石墨、碳管、活性炭等分解為小體積的CDs。自上而下制備熒光碳點是研究較早的CDs制備方法，早期因需要酸氧化、電弧放電等嚴苛的實驗條件而限制了其進一步發(fā)展[48 - 50]，為此關于一步法合成CDs的研究應運而生。

Ming等[51]僅以石墨棒作為碳源，通過電解超純水獲得的CDs具有水分散性良好、光致發(fā)光性質優(yōu)異和純度高等特點。Shi等[52]通過電化學法切割石墨制得了CDs。將石墨棒插入超純水中，平行放置另一個石墨棒作為對電極，兩電極間相距7.5 cm，靜態(tài)電壓為30 V，提供直流電12 h，持續(xù)攪拌，經(jīng)過濾離心即可得到CDs。Hu等[53]將激光銷蝕和表面鈍化兩步反應合并進行，即對聚乙烯溶液中的碳粉以激光輻射4 h后得到黑色懸濁液，一步獲得粒徑為3.2 nm的熒光CDs，其量子產(chǎn)率達12.2%。相比于多步法制備CDs，一步法制備不僅簡化了反應過程，制備的CDs熒光性能更好，而且通過選擇不同的有機溶劑進行反應，可獲得不同熒光性能的CDs。

Liu等[54]通過強酸氧化法制得了CDs。他們以蠟燭灰為碳源，與HNO3混合，通過加熱回流制得黑色均相溶液，經(jīng)過離心、透析、凝膠電泳等手段純化獲得不同粒徑的熒光碳點。隨著CDs粒徑的增大，熒光碳點的發(fā)射波長紅移。該CDs表面具有大量的羥基，水溶性良好。

Zhou等[55]采用電化學氧化法制得了熒光碳點，以多壁碳管(MWCNTs)作為工作電極，通過電化學沉積法和循環(huán)伏安法獲得了粒徑為2.8 nm的藍色熒光CDs，量子產(chǎn)率為6.4%。為了進一步提高這種方法制備CDs的效率，Lu等[56]用離子液體溶液取代傳統(tǒng)的溶液，離子液體溶液不僅有溶解的作用，還在反應中起到了催化的作用，從而將石墨電極剝離，而且通過調節(jié)離子液體和水的比例可以改變碳點的熒光發(fā)射波長。但是，已報道的通過電化學氧化方法制備的CDs熒光量子產(chǎn)率普遍不高，需要進一步改善。

4.2 自下而上制備熒光碳點

以分子前體物質為碳源，可采用水熱法、超聲法、酸脫水法、微波輔助熱解法、高溫熱解法和電化學法等制備CDs的方式稱為自下而上制備法。應用最為普遍的是水熱法和微波輔助熱解法[57]，通過這兩種方法均可實現(xiàn)一步制備熒光碳點。

Zhu等[58]以檸檬酸和乙二胺作為前驅體，通過水熱法一步合成了熒光碳點，不僅具有高產(chǎn)率(58%)，還有高的熒光量子產(chǎn)率(80%)，可應用在電子墨水、傳感器以及生物成像等方面。Qin等[59]以面粉為碳源，通過微波輔助熱解法成功制備了粒徑在1～4 nm的CDs，可選擇性檢測Hg2+，檢出限為0.5 nmol/L。這種方法合成過程簡單高效，僅需20 min即可合成。

自下而上制備CDs常需要同時具備碳源材料和鈍化劑，常見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種有機小分子等。鈍化劑的作用是修飾CDs表面，一般采用帶有氨基的試劑來與CDs表面結合進行鈍化，可以用作鈍化劑的有PEG、聚醚酰亞胺(PEI)等有機高分子以及各種有機胺類等化合物。通過用不同的表面鈍化劑進行鈍化，可對沒有發(fā)射光的裸露CDs進行表面修飾從而形成有發(fā)射光的熒光碳點[60]。采用表面鈍化劑對CDs進行鈍化，不僅可提高其熒光強度，也可以使其在非水溶劑中具有良好的溶解性[61]。

在碳點中摻雜其它雜原子也可以提高CDs的光學性質，其中氮摻雜碳點最為常見，摻有氮原子碳點的發(fā)射峰強度明顯增強[65]。Gong等[66]利用微波輔助加熱法制備出了氮摻雜CDs，殼聚糖為碳源，乙酸為冷凝劑，乙二胺為氮源。制備的CDs可用于檢測Fe3+，檢出限低至10 μg/L，線性范圍0.010～1.8 mg/L，也可應用于細胞成像。也可以在CDs中摻雜氮和硫原子。本課題組將大米和N-乙酰-L-半胱氨酸(NAC)混合，微波熱解制得了摻有氮、硫的CDs，NAC與大米的比值越高，CDs熒光發(fā)射峰越強[67]。

用表面修飾和化學摻雜來提高CDs的熒光性能逐漸成為對CDs光學性質改性的主要方法。除此之外，開發(fā)儀器設備簡單、方法便捷安全的合成方法也是CDs的研究方向之一。為了更加簡便快捷地制備CDs，多個課題組相繼研發(fā)了一步制備并修飾CDs的方法，極大地優(yōu)化了CDs的制備過程[68 - 69]。Shen等[70]以苯硼酸為碳源通過一步水熱法制備了硼酸修飾的熒光碳點，該CDs表面的硼酸基團一旦與葡萄糖結合則熒光碳點淬滅，故可利用CDs的熒光強度變化來監(jiān)測葡萄糖含量。

同時，“綠色化學”的理念也逐步滲透到CDs的制備中，即篩選價格便宜、環(huán)境友好的碳源前驅體，利用天然可再生的廉價材料作為碳源制備CDs，如Feng等[71]采用蠶蛹作為碳源通過微波化學反應制備了19 nm的CDs并用于細胞的多色成像。Xue等[72]采用花生殼作為碳源制得了熒光碳點，具有良好的生物相容性和低細胞毒性，可用于活體細胞的多色成像。Gedda等[73]采用蝦殼作為碳源制備出了4 nm的CDs，可特異性檢測Cu2+。Wang等[74]以啤酒為碳源制備了直徑為1～5 nm的球形CDs(BCDs)，可用于乳腺癌細胞成像和藥物傳遞。

這些合成CDs的方法制備過程簡單，碳源材料廉價易得，受到研究者們的青睞，逐漸成為研究熱點。

5 碳點的應用

CDs因具有光電轉化能力、生物相容性和低毒性、響應性的熒光猝滅/增強性質、雙光子吸收和上轉換熒光能力以及易于化學修飾和功能集成性等優(yōu)良特性而得到了極大的重視，并廣泛用于生化分析等領域的研究。隨著CDs制備方法及表面功能化修飾技術的不斷改進，其熒光強度、發(fā)射波長可調、水溶性及生物兼容性等性能也得到提高，已被廣泛地用作生物探針。目前已有許多CDs表面修飾的文獻報道，并已成功用于金屬離子、陰離子、有機小分子及生物分子等的檢測[75 - 79]。

Chandra等[80]用檸檬酸和磷酸氫二胺水熱制得了高熒光強度的摻雜氮、磷的CDs，量子產(chǎn)率達到59%，具有高的溶解性和穩(wěn)定性，生物相容性好?？捎糜贔e3+細胞間傳感及癌細胞成像。

金納米粒子性質穩(wěn)定、制備簡單、粒徑均勻、親和力強、生物相容性好、易于生物分子固定修飾，具有獨特的光學性質(表面等離子體吸收和共振光散射)[81]。由于CDs的熒光發(fā)射峰與金納米粒子的吸收峰有很大程度的重疊，故可以發(fā)生表面能量共振轉移[82]?；贑Ds和金納米粒子之間的熒光共振能量轉移可將其作為探針來檢測酶、蛋白質等[83 - 86]。

Liu等[87]通過“一鍋法”制備了氨化熒光碳點，并將其作為表面能量轉移生物傳感器來檢測玻璃酸酶。氨化的熒光碳點表面帶正電，金納米粒子與玻尿酸結合使其表面帶負電且不易聚集，由于CDs和金納米粒子之間的熒光共振能量轉移使CDs熒光淬滅。加入玻璃酸酶后，金納米粒子表面的玻尿酸被降解，金納米粒子發(fā)生團聚，CDs熒光恢復。Bu等[88]制得了可檢測4,4′-二溴聯(lián)苯(PBB15)的免疫傳感器，不加入PBB15時，CDs和金納米粒子之間的熒光共振能量轉移導致熒光淬滅。加入PBB15時會使熒光強度恢復。PBB15濃度范圍在0.05～4 μg/mL時，熒光強度與PBB15的濃度成正比，檢出限為0.039 μg/mL。Shi等[89]利用CDs與金納米粒子的結合研發(fā)了可用于監(jiān)測人血漿中谷胱甘肽含量的雙模態(tài)納米傳感器，在整個過程中可以利用金納米粒子顏色的變化作為比色計，同時利用CDs的熒光強度變化來監(jiān)測谷胱甘肽的含量。Deng等[90]利用電化學方法合成了具有上轉換功能的CDs，可特異性檢測半胱氨酸。Lawrence等[91]利用水熱法也合成了具有上轉換功能的CDs，以單光子熒光物質聚4-乙烯基吡啶合成了具有雙光子熒光特性的碳點，同時也保持了較強的單光子熒光特征，即可以同時用于單光子和雙光子成像。雙光子成像具有可用于深層組織成像、背景低、光損傷小等優(yōu)點，因此基于熒光碳點的雙光子或多光子成像材料必然會在生物成像方面展露出顯著的優(yōu)勢。

大多數(shù)熒光碳點的發(fā)射光處于紫外光或短波長可見光區(qū)。通常，紫外光和短波長可見光對組織的穿透性差，限制其體內深層組織的光學影像；另一方面，幾乎所有生物組織對于紫外光和短波長可見光都會產(chǎn)生自發(fā)熒光，干擾影像效果[92]。而波長在650～900 nm內的近紅外光能夠深層穿透。Tao等[93]發(fā)現(xiàn)CDs可以在近紅外光下激發(fā)，在近紅外光譜區(qū)域內發(fā)射熒光，將對CDs應用于活體生物納米技術領域起到非常重要的作用。Bhunia等[94]用聚二甲硅氧烷(PDMS)作為主體基質，與CDs混合，水熱制得了C-dot/PDMS film前驅體。該體系有望通過嵌入相應的CDs產(chǎn)生紅外光甚至可見光。為科研工作者研制在近紅外光區(qū)發(fā)光的碳點提供了思路。

6 結論和展望

CDs作為一種新型碳納米材料，具有優(yōu)異的熒光性能、良好的化學穩(wěn)定性、優(yōu)良的生物相容性以及易于表面功能化等特點，可通過自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up)的方法合成，已在傳感分析、分子檢測等領域被廣泛應用并展現(xiàn)出巨大的潛力。然而CDs的熒光量子產(chǎn)率較低，如何通過經(jīng)濟、便捷的方法制備得到高量子產(chǎn)率的熒光CDs仍然需要進行更加深入地研究。具有紅外光發(fā)射或具有上轉換熒光特性的CDs材料具有很大的發(fā)展前景，因此，在未來的工作中應致力于開發(fā)具有這類熒光特性的CDs材料，從而使發(fā)射光更易穿透活體組織，且不受細胞自發(fā)熒光的影響。CDs在熒光檢測方面的應用還處于起步階段，識別響應的靈敏度和抗干擾能力仍需進一步提高。此外，優(yōu)化CDs的制備工藝，采用綠色、便捷的方法制備具有良好物理、光學性質的碳點也是進一步解決的問題。

熒光碳點具有很多優(yōu)于其他熒光納米材料的優(yōu)良性質，相信一定會在生物醫(yī)藥、分析測試等領域展示其良好的發(fā)展前景。