荧光碳点的制备及应用
荧光碳点的合成、性能及其应用
文章编号:1001-9731(2021)01-01053-11荧光碳点的合成㊁性能及其应用*毛惠会1,薛茗月1,2,韩国成1(1.桂林电子科技大学生命与环境科学学院,广西桂林541004;2.岭南师范学院化学化工学院,广东湛江524048)摘要:碳点(C a r b o nd o t s,C D s)是指粒径一般小于10n m的新型荧光碳纳米材料,与传统的量子点相比,具有制备简单㊁原料来源丰富㊁低细胞毒性㊁良好的水溶性和生物相容性㊁易于功能化改性㊁价格低廉㊁容易大规模合成等特性㊂由于其优越的性能,碳点在电化学分析和生物传感㊁荧光成像㊁药物传递㊁光电催化㊁发光器件㊁环境能源等领域表现出良好的潜在应用前景,研究人员对其进行了广泛的科学研究并取得了重要的进展㊂综述了近年来碳点绿色合成方法㊁形成机制方面的研究现状,以及在生物传感㊁生物成像㊁药物传递㊁发光材料和光催化等领域的应用进展,并展望了荧光碳点的发展方向㊂关键词:碳点;合成方法;性能特点;应用领域;综述中图分类号: O657.3;T B34文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001-9731.2021.01.0090引言荧光碳点(C a r b o nd o t s,C D s)是2004年发现的新型碳纳米材料[1],它不仅具有普通纳米材料的共性,还具有出色的荧光性能,可以作为新型荧光探针被广泛的应用于生物医学和光电学领域,从而吸引了越来越多研究者的关注㊂与传统的半导体量子点和有机染料相比,碳点作为优良的荧光纳米探针具有各种独特的性能㊂一方面,与传统的半导体量子点相比,碳点具有良好的生物相容性,即使在较高浓度条件下,细胞或生物体依然可持续地生活㊂另一方面,碳点表面通常富含羧基㊁氨基和羟基等亲水性基团,在水中表现出良好的溶解度和稳定性㊂再者,碳点具有良好的光稳定性,不存在光漂白问题,有利于长期细胞成像㊂另外,碳点还具有成本低廉㊁制备简单方便㊁稳定性好等优异性能,对碳点在体外和体内荧光成像中的应用具有重要意义㊂近年来,关于碳点的制备㊁性质和应用的研究已经取得了较大的进展,多种碳纳米材料(多功能纳米药载[2]㊁聚合物胶束[3]㊁磁性纳米粒子[4]等)在生活的各方面也得到了广泛应用㊂因此,本文对碳点的性质㊁合成方法及其应用进行了综述㊂1碳点的合成方法自从C D s被发现以来,已经有了各种各样的制造技术,根据制造工艺的不同,大体可将制备方法分成两大类:自上而下(T o p-d o w n)和自下而上(B o t t o m-u p)途径[5,6]㊂T o p-d o w n途径是指C D s在比较大的碳结构材料中形成或剥离出来,它包括电弧切割法㊁激光消融法和电化学法,其中,电弧切割法㊁激光消融法需要消耗太大的电能;电化学法是最传统的合成方法之一,通常合成过程中需要使用强氧化剂(强碱或酸),由于很难彻底去除过量的氧化剂,增加了环境问题,所以传统的合成方法通常在原材料或合成技术中都是不符合绿色化学要求㊁不符合可持续发展要求的㊂而B o t-t o m-u p途径是以小分子有机物为前驱体,例如葡萄糖㊁蔗糖㊁柠檬酸㊁氨基酸甚至食物残渣等,通过一系列反应最终得到C D s,主要包括微波辅助法㊁热解合成法㊁水热合成法等,这些方法中采用的原材料均为有机化合物与生物质材料,是开发 更绿色 的方法来合成C D s的重要方向㊂下面对各种方法进行简单介绍㊂1.1 T o p-d o w n1.1.1电弧切割法这种方法也是最初发现荧光碳点的经典方法㊂2004年,X u等[1]通过电弧放电法制备单壁碳纳米管时,偶然发现在紫外灯照射下,该单壁碳纳米管具有荧光分离带,对该荧光物进行电泳分离,得到蓝㊁绿和黄光三种荧光发射的纳米材料,如图1所示㊂该方法实验工艺复杂,制备的碳点杂质较多且荧光量子产率(p h o t o l u m i n e s c e n c e q u a n t u m y i e l d,P L Q Y)较低,因此并未得到广泛采用,但是电弧放电法对碳点的首次发现有着里程碑式的意义㊂1.1.2激光消融法2006年,S u n等[7]使用新的备制方法:利用激光消融法制出了碳纳米粒子,并提出了碳点的说法,简单的激光消融法制备C D s的实验装置示意图如图2所示㊂35010毛惠会等:荧光碳点的合成㊁性能及其应用*基金项目:国家自然科学基金资助项目(61861010,81873913);广西自然科学基金资助项目(2018J J A120061)收到初稿日期:2020-06-29收到修改稿日期:2020-08-20通讯作者:薛茗月,E-m a i l:x m y818@163.c o m 作者简介:毛惠会(1996 ),女,山西运城人,在读硕士,师承薛茗月教授,从事纳米材料㊁生物传感研究㊂用激光使碳化物熔融得到没有荧光的基本碳纳米粒子初产物㊂将所得初产物经加热回流处理12h ,再经过末端含氨基的高分子聚合物如P E G 1500N 修饰后,制得了可发出荧光的直径为5n m 的碳纳米粒子,对碳纳米粒子进行激发时,其波长可以达到450n m ,此时P L Q Y 为4%~10%左右㊂随后的研究发现,如果把Z n S 或Z n O 掺入到材料中去,P L Q Y 可达到45%以上,但制作过程繁琐㊂由于激光消融法对操作仪器的要求较高,而这些仪器又往往比较昂贵,同时这一做法还需要钝化剂,所以这一方法成本过高,再加上产量低,所以使用者比较少㊂图1 不同比例的荧光碳点在365n m 照射下的照片[1]F i g 1I m a g e so fd i f f e r e n t p r o po r t i o n so ff l u o r e s c e n t c a r b o nd o t s u n d e r 365n mi r r a d i a t i o n[1]图2 简单的激光消融法制备C D s 的实验装置示意图[7]F i g 2S c h e m a t i c d i a g r a mo f e x pe r i m e n t a l d e v i c ef o rC D s p r e p a r e d b y s i m pl e l a s e r a b l a t i o nm e t h o d [7]1.1.3 电化学法2007年,Z h o u 等[8]利用电化学方法,以多壁碳纳米管作为工作电极,铂丝为对电极,A g /A g C l O 4为参比电极,将含有0.1m o l /L 四丁胺高氯酸盐的乙腈溶液作为电解液,进行电位扫描,最后得到发蓝色光的碳纳米簇㊂经对得到的含有碳纳米的溶液进行分离可以得到直径为3.0~6.0n m 的C D s ,这一方法的P L Q Y可以达到6.4%㊂在一系列研究的基础上,L u 等[9]采用等离子液体做电解液㊁石墨做电极,通过调节水和离子液体的比例,成功合成出粒径分布在2~4n m ,发光覆盖紫外-可见光区域的C D s,如图3所示,实现了对C D s 荧光发射的调控㊂该方法具有反应速率快㊁电解质可循环使用的优点,但是,复杂的实验条件和电解体系使其未得到广泛采用㊂图3 在超纯水中以电化学方法制备C D s [9]F i g 3P r e p a r a t i o no fC D s i nu l t r a p u r ew a t e rb y el e c -t r o c h e m i c a lm e t h o d[9]1.2 B o t t o m -u p 1.2.1 微波辅助法Z h u 等[10]首次采用微波法,在短短几分钟内就合成出了荧光强度高㊁水溶性好㊁耐光漂白的C D s㊂研究发现,随着反应时间的延长,溶液逐渐由无色变成黄色(A ),最后变成深棕色(B ),如图4所示,说明了C D s 的生成㊂W a n g 等[11]用750W 微波加热甘油和P B S 溶液14m i n ,得到P L Q Y 为3.2%的C D s ㊂L i u 等[12]对该合成方法进行改良,以甘油为碳源,T T D D A 为表面纯化剂,700W 微波加热10m i n ,制得了P L Q Y 为12.02%的C D s㊂该课题组进一步以柠檬酸和乙二胺为碳源和表面纯化剂,制得量子产率高达30.2%的C D s [13]㊂图4 微波热解法合成C D s [10]F i g 4S y n t h e s i s o fC D s b y m i c r o w a v e p y r o l ys i s [10]450102021年第1期(52)卷微波具有优越的穿透能力,采用微波加热可以使分散于溶剂中的碳源材料受热更加均匀,反应时间大为缩短,因此微波法是一种十分简便快捷的荧光碳点制备方法㊂1.2.2热解合成法热分解法早期被用来制备多种半导体和磁性纳米材料,但研究证实,外部加热可以加速有机物的脱水和碳化,进而得到碳点㊂X u e等[14]将荔枝核置于一个陶瓷坩埚中,以10ħ/m i n加热至300ħ碳化2h,冷却后研磨,将样品加入纯水中,在超声的条件下采用滤膜(0.22μm孔径)过滤溶液除去较大颗粒获得碳点㊂L i n等[15]将3g柠檬酸加入到5m L烧杯中,然后将烧杯置于加热罩中加热到230ħ,在20m i n后液体的颜色由无色变为紫红色,说明C D s已经形成㊂M a r t i n-d a l e等[16]在180ħ下将柠檬酸(C i t r i cA c i d,C A)热解40h,得到产率为45%㊁粒径分布在(6.8ʃ2.3)n m范围内的C D s㊂但是,由于受热不均匀,温度偏高或者偏低均会导致碳点的发光性能变差㊂1.2.3水热合成法P a n等[17]首先将纯化过后的氧化石墨分散在水中,之后调节溶液至碱性,在200ħ下反应10h,经过离心㊁透析等一系列的纯化过程之后就可得到所需的蓝光C D s,粒径为5~13n m,P L Q Y为6.9%㊂Z h a n g 等[18]将水和乙醇的混合液作为水热反应的溶剂,将L-抗坏血酸(L-a s c o r b i c a c i d,L-A A)作为碳源,在水热反应釜中180ħ反应4h,最后经过纯化后制得了粒径为2n m左右的C D s㊂W a n g等[19]将50m L1-甲基-2-吡咯烷酮置于80m L聚四氟乙烯高压锅中,在200ħ下恒温加热约10h,以水作为溶剂透析3d除去剩余溶剂,获得直径为5~15n m的C D s,P L Q Y为8.4%㊂利用水热法制备C D s几乎用不到一些相当昂贵的仪器设备,经济环保,而且具有简单易行的操作方法和较强的可控性,同时,由于反应在密闭的水热反应釜中进行,还避免了有毒物质挥发进入环境,也能利用日常生活中常见的资源,是一种绿色㊁简便㊁快捷㊁高效的来合成C D s的方法㊂随着对荧光C D s的深入研究发现,自下而上的合成方法采用的碳源更加丰富㊁绿色环保,所需的设备也更加简便㊁容易操作,该方法在细胞成像㊁药物输送等方面具有更加广泛的应用㊂2碳点的结构与性质2.1碳点的结构C D s是一种三维团簇结构,其3个维度尺寸均在纳米级别,C D s的核一般由s p2杂化碳或无定形碳组成,晶格间距与石墨或无定形碳的晶格间距一致,粒径一般小于10n m,如图5所示[20],只有传统荧光试剂的十分之一,因此,C D s更易于通过内吞作用到达细胞内,且因其容易获得,合成简单,越来越受到研究人员的关注㊂图5 C D s的结构示意图[20]F i g5S t r u c t u r e d i a g r a mo fC D s[20]2.2碳点的性质2.2.1光学性质C D s在紫外光区域内(主要在280~360n m之间)表现出较强的光吸收,经修饰后吸收波长会相应增加或吸收峰增强,有一些吸收峰可延伸至可见光区[21]㊂C D s发射荧光的一个有趣特征是激发波长依赖的发射光谱,虽然已有许多研究报道,但C D s的普遍荧光起源仍是一个谜㊂目前,最普遍接受的发光机制是表面态[22-25]㊁量子限制效应[26-27]和分子荧光[28-29]㊂用不同的合成方法㊁前驱体和后处理合成的C D s表现出不同的光学性能,这表明C D s表现出比预期更复杂的系统㊂例如,熊焕明等[23]采用对苯二胺和尿素做前驱物,进行水热反应㊁分离,获得了发光覆盖整个可见光光谱的C D s,如图6所示,发现C D s的发光与尺寸大小无关,仅与其表面态有关㊂林恒伟等[26]采用3种不同的同分异构体邻/间/对苯二胺做前驱物,水热反应㊁分离㊁提纯后,得到蓝光㊁绿光和红光C D s,如图7所示,发现C D s的荧光性质受尺寸和N含量共同影响㊂图6全彩色发光C D s示意图(上);发射红移与表面氧化的关系(下)[23]F i g6S c h e m a t i cd i a g r a m o f f u l l-c o l o r l u m i n o u sC D s(u p);r e l a t i o n s h i p b e t w e e ne m i s s i o nr e d s h i f ta n d s u r f a c e o x i d a t i o n(d o w n)[23]55010毛惠会等:荧光碳点的合成㊁性能及其应用图7 (a )3种不同的C D s ;(b )3种C D s 在日光(左)和365n m 紫外灯照射下(右)的照片[26]F i g 7Th r e e d i f f e r e n tC D s a n d p h o t o so f t h r e eC D s i l l u m i n a t e db y s u n l i gh t (l e f t )a n d365n m U Vl i g h t (r i gh t )[26]此外,S c h n e i d e r 等[28]通过制备3种柠檬酸基C D s,证实了独特的分子荧光对C D s 发射的贡献,证明了溶液中附着在C D s 上的分子荧光对C D s 的光学特性有很大的影响㊂因此,对不同文献报道中C D s 的性质进行比较以形成统一的理论是不合适的㊂与常见的有机或无机荧光团相比,C D s 的荧光不发生光闪烁,并且具有优异的光稳定性㊂H i l l 等[30]采用微波介导法分别制备葡萄糖与N -掺杂T T D D A ㊁多巴胺形成C D s ,如图8所示,曝光24h 后,用激光扫描共聚焦显微镜观察,发现C D s 的荧光并没有发生漂白现象,其荧光强度也没有明显的降低㊂C D s 的荧光强度还与p H 有关[31]㊂荧光C D s 的光致发光强度在中性范围内几乎是恒定的(pH=5.5~8.0)[32],随着p H 值从8增加到13,光致发光逐渐增强,从5.5降低到1,荧光逐渐衰减,如图9所示;同时pH 依赖的光致发光行为是可逆的,当p H 值从13到1时,吸收变弱,当p H 值又恢复到13时,吸收光谱和光致发光光谱恢复㊂图8 葡萄糖与N -掺杂T T D D A 和多巴胺形成C D s 的比较研究[30]F i g 8C o m p a r a t i v e s t u d y o fC D s f o r m e db yg l u c o s e ,N -d o p e dT T D D Aa n dd o pa m i n e [30]图9 光致发光强度与p H 值的关系[32]F i g 9R e l a t i o n s h i p be t w e e n p h o t o l u m i n e s c e n c ei n -t e n s i t y an d p Hv a l u e [32]2.2.2 发光性质C D s 的发光特性主要包括光致发光(P h o t o l u m i -n e s c e n c e ,P L )和电致发光(E l e c t r o l u m i n e s c e n c e ,E C L )两种,发光机理示意图如图10所示[33]㊂C D s 的光致发光机理还未完全研究清楚,不能准确定义㊂除了P L 性能外,与半导体量子点相似,碳点还具有E C L 性能[34]㊂在电位循环过程中,负电位时(R *-)可形成碳点还原态,正电位时(R *+)可形成碳点氧化态㊂还原和氧化物质之间的电子转移湮灭导致激发态(R *)形成,激发态会在跃迁回基态时产生一个E C L 信号㊂图10 碳点的E C L 和P L 发光机理[33]F i g 10L u m i n e s c e n c e m e c h a n i s m o fE C La n dP Lo f c a r b o n p o i n t s [33]除此之外,C D s 还具有化学发光(C h e m i l u m i n i s -c e n c e ,C L )的特性㊂L i n 等发现H 2O 2-H S O -3体系的化学发光强度弱,而加入C D s 后,H 2O 2能够直接氧化碳点形成C D s -和C D s+,二者电子转移湮灭,生成的激发态C D s*为化学发光的发光体,对比后发现发光增强了60倍[35]㊂除了上述有氧化剂参与的化学发光反应之外,G u o 等[36]在无氧化剂的情况下,以C D s 作为催化剂,有效催化了溶解氧,分解产生超氧阴离子自由基,进而与l u m i n o l 反应产生化学发光㊂与常规荧光团相比,C D s 表现出更高的上转换荧光(U C P L )效率㊂L i 等[37]利用浓酸氧化制备的石墨650102021年第1期(52)卷烯量子点经P E G钝化后,激发波长为600~800n m 时,发射波长为390~468n m,具有上转换荧光性质㊂而且上转换发射光和激发光的能量几乎是不变的,大约为1.1e V㊂由于长激发波长光具有深层组织穿透能力,所以上转换(同时吸收两个或连续吸收多个较长波长的光子后发射较短波长的光子)荧光更易于实现体内成像;同时由于高度局域化的非线性光子吸收过程,上转换荧光易于实现高空间分辨率㊁低背景干扰和低光子毒性的分子成像㊂2.2.3碳点的毒性和生物相容性碳元素是生物分子的骨架,因此,C D s比其他纳米材料具有更好的生物相容性[38-39]㊂另有研究证实,C D s对多个细胞系的细胞毒性很低㊂同时,在短时间内C D s可完全被人体清除㊂因此,C D s在生物医学应用方面具有巨大的潜力㊂孙亚平课题组是最早实现以C D s进行活体成像的[40]㊂他们分别研究了以皮下注射和静脉注射C D s 溶液的方式进行活体成像,如图11所示㊂从小鼠前掌皮下注入C D s后,C D s沿小鼠前肢缓慢移动;以静脉注射的方式向小鼠体内注入C D s,并剖开小鼠腹部进行成像时,除了膀胱及尿液有C D s荧光外,其他组织没有明显的荧光㊂这一现象从一个侧面反映了C D s 这类体积超小的纳米颗粒一般是可以从尿液排泄的,在体内无残留,无累积㊂图11小鼠前掌皮下注射C D s(左);静脉注射C D s示意图(右)[40]F i g11C D sw e r e i n j e c t e d s u b c u t a n e o u s l y i n t o t h e f o r e p a l mo fm i c e a n d s c h e m a t i c d i a g r a mo fi n t r a v e n o u sC D s[40]3碳点的应用由于C D s具有水溶性好㊁化学惰性高㊁易功能化㊁光致发光㊁低毒性㊁生物相容性好㊁耐光漂白等重要特性,这使得它们在生物传感㊁生物成像㊁药物传输和光电等领域具有重要地位㊂3.1生物传感C D s由于优良的光学特性(高荧光强度㊁抗光㊁漂白性低㊁发光颜色可调等)得到了极大的重视,并被广泛应用于阴阳离子㊁有机小分子及大分子检测等方面的研究㊂3.1.1阴阳离子检测C D s广泛应用于各种阴阳离子的检测,如F e3+㊁Z n2+㊁H g2+㊁C r3+㊁A u3+㊁A l3+㊁A g+㊁P b2+㊁F-㊁I-㊁S2-等㊂代[41]以杏仁为碳源,采用热解-水热的方法制备了磷㊁氮共掺杂C D s,这种碳点在水溶液中对F e3+的特异性选择和高灵敏度,可用于检测细胞内F e3+的浓度,实现生物传感的功能,如图12所示㊂Z h a n g等[42]合成了喹啉衍生物修饰的C D s,基于喹啉衍生物对Z n2+的特异性识别作用使得C D s荧光增强的现象,建立了高灵敏㊁高选择性检测Z n2+的荧光方法,如图13所示,该方法还可以实现细胞内Z n2+的实时成像㊂除此之外,杨子康[43]利用油茶果壳粉末制备的C D s,在P b2+的存在下会发生荧光猝灭,对P b2+有良好的选择性和较高的灵敏度㊂图12激光共聚焦H e p G-2细胞成像㊂不加F e3+(下左),加入F e3+(下右)[41]F i g12L a s e r c o n f o c a lH e p G-2c e l l i m a g i n g.N oF e3+(l o w e r l e f t)a n d a d d i n g F e3+(l o w e r r i g h t)[41]75010毛惠会等:荧光碳点的合成㊁性能及其应用图13基于C D s的荧光探针的合成及其用于检测Z n2+的示意图[42]F i g13S y n t h e s i s o fC D s b a s e d f l u o r e s c e n t p r o b e s a n d a s c h e m a t i c d i a g r a mo f Z n2+d e t e c t i o n[42]除上述阳离子外,C D s也可用于阴离子的检测㊂郑[44]利用碳点表面的羧基与金属离子的配位特性,构建了A l3+-C D s复合荧光探针,建立了环境中F-的定量检测方法㊂当F-存在时,由于F-能与A l3+发生强烈相互作用,C D s分散,荧光恢复㊂因此,该方法用于玻璃厂排放的废水中F-的检测,简单快速㊂3.1.2小分子及大分子检测C D s常用于许多生物分子的荧光分析,包括代谢物,鸟苷-3'-二磷酸-5'二磷酸(p p G p p),碱性磷酸酶,赖氨酸,透明质酸酶,谷胱甘肽,三磷酸腺苷等㊂此外, C D s还作为许多药物分子的荧光探针对其进行检测,包括维生素B12,四环素,抗坏血酸,敌敌畏,草甘膦和有机磷农药以及其他小分子物质等㊂江[45]以乙二醇胺同时作为碳源及氮源,无需其他溶剂或催化剂,经微波法在10m i n内制备得氮掺杂C D s,在实际样品(血样㊁尿样)的检测中其优异性能得到了进一步的印证㊂C h e n等[46]提出了一种使用铽改性C D s(C D s-T b)检测p p G p p的高选择性㊁高灵敏度荧光比值法㊂研究表明,T b3+的特征峰强度随着p p G p p 浓度的增加而增加,而C D s的荧光则保持不变㊂因此,C D s-T b可以在其他核苷酸(如G T P和G D P)中特异性地识别p p G p p,C D s-T b的合成过程如下图14所示㊂周[47]以N㊁S㊁P共掺杂碳纳米点(N,S,P-C N D S a c)为基础,构建了免标记锰(V I I)和L-A A的荧光探针㊂加入L-A A后,M n(V I I)被还原为M n(I V)㊁M n(I I)和M n(0),N,S,P-C N D S a c的荧光恢复,实现了对L-A A的检测㊂C h e n等人[48]通过将柠檬酸㊁丙烯酰胺溶解于甲酰胺的溶剂,采用热解法合成了红光C D s,发现,农药福美锌可以与H g2+形成更稳定的络合物,该络合物使C D s淬灭的荧光得到恢复㊂因此,在H g2+存在的情况下,C D s对福美锌具有较高的选择性㊂图14 C D s-T b的合成过程示意图[46]F i g14S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e s y n t h e s i s p r o c e s so fC D s-T b[46]一些生物分子如蛋白质和氨基酸可以通过表面钝化增强C D s的荧光㊂在此基础上,S o n g等[49]制备了一种功能双发射C D s(f u n c t i o n a l d u a l e m i s s i v eC D s, d C D s),该d C D s对赖氨酸(440n m)和p H(624n m)表现出有趣的波长依赖性双重响应功能,使这两个目标的比值检测成为可能㊂因此,该探针成功地用于监测细胞系统中赖氨酸和p H的动态变化,d C D s的制备过程和赖氨酸和p H的特异性比值检测的原理图如图15所示㊂3.2细胞成像与细胞标定C D s具有良好的生物相容性和无毒性等特点,已被广泛应用于细胞和细菌等生物物种的生物成像和传感㊂郁[50]分别采用同分异构体的邻/间/对苯二胺为碳源,通过优化苯二胺的种类㊁水热反应的温度㊁时间及溶剂体系(水/乙醇)获得发光覆盖整个可见光波段的蓝㊁绿㊁黄㊁橙和红光C D s,将P L Q Y较高的橙光碳点作为荧光成像探针,成功标定了H e L a细胞㊂W a n g 等[51]成功地将红光碳点(R-C D s)用于细胞内甲醛(F A)的检测,如图16所示㊂体外实验表明,R-C D s能850102021年第1期(52)卷快速㊁高选择性地检测F A ㊂图15 d C D s 的制备过程以及赖氨酸和p H 的特异性比值检测的原理图[49]F i g 15P r e p a r a t i o n p r o c e s s o f d C D s a n d t h e s c h e m a t i c d i a g r a mo f s p e c i f i c r a t i od e t e c t i o no f l ys i n e a n d p H [49]图16 R -C D (5m g /m L )和不同浓度的F A 孵育H e pG -2细胞的共聚焦荧光图像[51]F i g 16C o n f o c a l f l u o r e s c e n c e i m a g e s o fH e pG -2c e l l s i n c u b a t e dw i t hR -C D (5m g/m L )a n d d i f f e r e n t c o n c e n t r a -t i o n s o f F A[51] 除了细胞成像,C D s 还为细菌检测提供了一种很有前途的探针㊂W a n g 等[52]采用溶胶-热法制备了P L Q Y 为18.98%的水溶性C D s (W -C D s),并将其进一步用于大肠杆菌O 157:H 7的荧光检测㊂C h e n 等[53]通过一步加热反应获得P L Q Y 为43%的C D s ,可作为金黄色葡萄球菌㊁大肠杆菌等细菌的多色标记剂㊂3.3 药物传递化疗作为癌症的主要治疗方法之一被广泛应用,但是化疗药物较差的针对性和非特异性毒性严重影响了治疗效果,基于此,C D s 因其独特的理化性质,作为药物载体,在肿瘤治疗领域应用广泛㊂文[54]采用 微波法 制备C D s 作为药物载体,通过酰胺化反应与葡萄糖胺盐(G l u -N H 2)靶向配体结合形成C D -G l u 纳米复合物,最后将顺铂(P t )负载到C D -G l u ,组成纳米药物(C D -G l u -P t )㊂通过观察4T 1小鼠皮下瘤的肿瘤体积和体重变化,发现C D -G l u -P t 纳米药物能靶向输送药物至肿瘤,并降低药物毒性,发挥了良好的抑制肿瘤生长的效应㊂郑等[55]以有序介孔纳米碳球(OM C N s)为基质,先后对其进行磁化㊁氨基和肼基修饰,最终制得可与抗肿瘤药物盐酸阿霉素(D O X )共价结合的磁靶向药物载体(HMOM C N s)㊂通过研究发现,HMOM C N s 对D O X 具有p H 控释性,随着pH 的降低,其累积释药率增加,当p H 降至5.5时,10h 累积释药率达到最大,最大值为76%㊂G a o 等[56]报道了聚乙烯亚胺修饰的碳量子点(P -C D )与透明质酸共轭的阿霉素(H A -D o x )通过静电自组装形成P -C D s /H A -D o x 复合物用于质酸酶的检测㊁自身靶向成像和药物递送,如图17所示㊂通过利用透明质酸对C D 44受体(一种细胞膜糖蛋白)的高亲和力在许多癌细胞过表达,P -C D /H A -D o x 能够靶向渗入癌细胞,随后被透明质酸酶激活,H A -D o x 被消化成许多小片段,导致D o x 的释放,从而恢复P -C D 的荧光㊂考虑到生物体对可见光区的强吸收,碳点在药物传递和靶向治疗方面有很大的应用前景㊂3.4 发光材料由于出色的荧光发光性质,碳点作为发光材料,被广泛应用于生活中㊂95010毛惠会等:荧光碳点的合成㊁性能及其应用图17 P E I -C D s /H A -D o x 的形成以及用于靶向癌细胞成像和药物递送的纳米探针[56]F i g 17F o r m a t i o n o f P E I -C D s /H a -D O x a n d n a n o -p r o b e s f o rt a r g e t i n g c a n c e rc e l l i m a g i n g an d d r u g d e l i v e r y[56]3.4.1 L E D 器件由于C D s 具备优异的发光可调性能,因此荧光C D s 取代传统发光材料在白光L E D 器件方面有一定的应用㊂张[57]采用溶剂热法处理柠檬酸铵和乙二胺四乙酸等前驱体成功制备出一系列发光可调的全光C D s㊂其中,白光发射主要是因为能级间电子跃迁引起的不同发射光的重叠㊂研究结果表明了全光C D s 在L E D和全光显示等方面有着潜在的应用前景㊂W a n g 等[58]通过水热法以柠檬酸钠和L -半胱氨酸为前驱体合成了发射峰为500n m 左右的绿色C D s ㊂把绿光C D s 跟红光荧光粉的混合物作为荧光粉,再结合395n m 紫外芯片制得白光L E D ,适用于室内照明㊂3.4.2 荧光油墨C D s 由于其独特的荧光发光性质,制成的荧光油墨可以用于防伪㊁信息加密等领域㊂图18 N C D s ㊁g -C 3N 4和N C D s @g -C 3N 43种荧光油墨在365n m 紫外灯照射下的照片[59]F i g 18N C D s ,G -C 3N 4a n d N C D s @G -C 3N 4fl u o r e s -c e n t i n k s u n d e r u l t r a v i o l e t l i gh t o f 365n m [59]Y a n g 等[59]利用简单的水热法成功合成了一种新型多孔氮掺杂碳点复合材料㊂研究发现N C D s 和g -C 3N 4以及最终产物N C D s @g -C 3N 4均可发出明亮的荧光,可作为荧光油墨用于防伪和信息加密,如图18所示㊂B u 等[60]采用一步水热法制备了一种水溶性的氮掺杂碳点(N -C D s )㊂该碳点作为一种新型安全荧光油墨具有显著的荧光特性,如图19所示㊂与传统油墨相比,新型C D s 油墨具有清洁㊁持久㊁无污染等优点㊂图19 N -C D s 作为荧光油墨在紫外灯照射下的照片[60]F i g 19N -C D sa sa f l u o r e s c e n t i n ku n d e ru l t r a v i o l e t l i gh t [60]3.5 光催化剂利用光催化剂降解污染物是治理水污染的有效途径之一㊂石墨化碳(g -C 3N 4)作为有效的光催化剂引起了全球的广泛关注,但其光电子空穴对的高复合率和低可见光吸收效率限制了g -C 3N 4的光催化效果,这极大地阻碍了实际应用㊂面对这个问题,Z h a n g 等[61]通过简便的浸渍热法合成了C D 修饰的石墨化碳氮化(g -C 3N 4)光催化剂,用其来降解苯酚,发现,合成的光催化剂不仅可以通过扩展可见光吸附区来增强光致电子-空穴对的产生,也促进了g -C 3N 4/C D s 结中的电子空穴分离,从而产生更多的空穴㊁O 2-和-O H 自由基,促进了苯酚的降解㊂W a n g 等[62]报道了N 掺杂碳点(N C D s )在可见光照射下降解吲哚美辛(I D M )的反应速率比原始g -C 3N 4高出13.6倍㊂而Y a n g 等[59]发现,在可见光照射下,N C D s@g -C 3N 4的光催化活性明显高于g -C 3N 4和N C D s 对亚甲基蓝(M B )的降解㊂由此可见,g -C 3N 4/C D s 复合材料可以作为一种良好的光催化体系,运用到实际的污染物治理中㊂4 结 语自2004年发现C D s 以来,C D s 的研究得到了长足发展㊂主要概括了近几年C D s 领域的研究,包括C D s 的合成方法㊁性能特征以及在环境㊁生物成像㊁药物传递㊁光催化等方面的应用,发现C D s 具有良好的发展前景㊂但是目前,其制备和应用方面仍然存在一些局限性:C D s 的发光机制还没有被很好的理解,可持060102021年第1期(52)卷。
荧光碳点PPT课件
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纯荧光碳点
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碳点的修饰
具体 方法
表面钝化法 包金属法
掺杂法
掺杂修饰
水溶液状态下的ZnS掺杂碳点和ZnO掺杂碳点 与CdSe/ZnS量子点在甲苯溶液的对比成像图。
荧光光谱图
FL intensity FL intensity
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荧光碳点的应用
细胞体内 外成像
1 生物传感
4
2
催化
3
疾病诊断
荧光碳点的应用
• 生物体组织的荧光成像和在体观察
A
B
C
碳量子点在小鼠体内的荧光成像，其中A为明场 照片，B为荧光照片,C为A与B的叠加，荧光强度用不
荧光碳点实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 学习荧光碳点的合成方法；2. 掌握荧光碳点的表征技术；3. 了解荧光碳点的应用前景。
二、实验原理荧光碳点（Carbondots，CDs）是一种新型碳纳米材料，具有优异的光学性能、生物相容性和低毒性等特点。
其合成方法主要包括热解法、溶剂热法和水热法等。
本实验采用溶剂热法合成荧光碳点，并通过紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪和透射电子显微镜等手段对其进行表征。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：- 橘子皮- 碳酸钠- 氯化铁- 蒸馏水- 乙醇2. 实验仪器：- 紫外-可见分光光度计- 荧光光谱仪- 透射电子显微镜- 恒温水浴锅- 研钵- 玻璃棒- 电子天平四、实验步骤1. 橘子皮预处理将橘子皮洗净、去皮、去核，切成小块，放入研钵中，加入少量蒸馏水，用研钵研碎。
2. 溶剂热法合成荧光碳点将预处理好的橘子皮加入烧杯中，加入适量的蒸馏水和碳酸钠，搅拌均匀。
将混合液转移至反应釜中，在恒温水浴锅中加热至100℃，反应12小时。
反应结束后，将产物用乙醇洗涤三次，去除杂质。
3. 荧光碳点的表征3.1 紫外-可见分光光度计测定将产物溶解于乙醇中，配制一系列浓度的溶液，用紫外-可见分光光度计测定其在最大吸收波长处的吸光度。
3.2 荧光光谱仪测定将产物溶解于乙醇中，配制一系列浓度的溶液，用荧光光谱仪测定其在最大发射波长处的荧光强度。
3.3 透射电子显微镜观察将产物滴在铜网上，晾干后用透射电子显微镜观察其形貌。
五、实验结果与分析1. 紫外-可见分光光度计测定从紫外-可见分光光度计测定结果可以看出，荧光碳点的最大吸收波长为255nm，表明其具有较宽的吸收范围。
2. 荧光光谱仪测定从荧光光谱仪测定结果可以看出，荧光碳点的最大发射波长为440nm，表明其具有较好的荧光性能。
3. 透射电子显微镜观察从透射电子显微镜观察结果可以看出，荧光碳点呈球形，粒径在1.5～3.5nm之间。
六、结论本实验采用溶剂热法成功合成了荧光碳点，并通过紫外-可见分光光度计、荧光光谱仪和透射电子显微镜等手段对其进行了表征。
一种溶剂热法制备荧光碳点的方法与流程
一种溶剂热法制备荧光碳点的方法与流程随着纳米材料在生物成像、荧光探针、药物输送等领域的广泛应用，荧光碳点作为一种新型的纳米材料备受关注。
而溶剂热法制备荧光碳点是一种简单高效的方法，本文将介绍该方法的步骤和流程。
1. 实验原理溶剂热法是指将碳源和溶剂充分混合后，进行加热反应，生成荧光碳点。
在这个过程中，溶剂不仅起到了溶解碳源的作用，还能够调节反应的温度和时间，最终控制碳点的形貌和光学性质。
2. 实验步骤(1) 准备实验材料：碳源、溶剂、辅助剂等。
(2) 混合溶剂：将碳源和溶剂按一定比例混合均匀，确保碳源完全溶解。
(3) 反应加热：将混合溶剂加热至一定温度，保持一定时间进行反应。
(4) 沉淀分离：待反应结束后，通过离心或过滤的方式将产生的荧光碳点从溶剂中分离出来。
(5) 洗涤干燥：用适当的溶剂对荧光碳点进行洗涤，去除杂质和残留的溶剂，最后将其干燥得到荧光碳点。
3. 实验条件控制(1) 碳源的选择：碳源的种类和性质对荧光碳点的结构和性能有较大影响，常用的碳源包括葡萄糖、柠檬酸、聚苯乙烯等。
(2) 溶剂的选择：溶剂的选择应考虑其与碳源的相容性、反应活性和对最终产物的影响，常用的溶剂有乙二醇、乙醇、水等。
(3) 反应温度和时间：反应温度和时间是影响荧光碳点形貌和光学性质的重要因素，需根据实际情况进行合理选择。
4. 实验结果分析通过透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)等手段对制备的荧光碳点进行表征，分析其形貌、结构、荧光性质等。
5. 实验应用展望溶剂热法制备的荧光碳点具有简单、高效的特点，适用于大规模生产，且可通过调节反应条件控制产物的性质，因此在生物成像、荧光探针、传感器等领域有着广阔的应用前景。
溶剂热法制备荧光碳点是一种简单高效的方法，通过合理选择碳源、溶剂和反应条件，可得到具有良好性能的荧光碳点，有望在纳米材料领域发挥重要作用。
溶剂热法制备荧光碳点的方法与流程在过去的几年里，由于其独特的结构和优异的性能，荧光碳点作为一种新型的纳米材料备受科学界和工业界的关注。
荧光碳点的合成及其应用研究进展
张
02019
盼 等:荧光碳点的合成及其应用研究进展
文章编号:
1001
DOI:
10.
3969/
.
sLeabharlann sn.10019731.
2020.
02.
004
ji
[ ]
而上(
Bo
t
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omup)”3-4 两 种 方 法。 自 上 而 下 法 是 利 用
弧光放电、激光烧蚀、电化学氧化等物理化学手段处理
尺寸较大的碳基材料,如石墨烯、碳纳米管、活性炭、蜡
烛燃烧灰等,然后用物理方法剥离出小尺寸的碳点;自
9731(
2020)
02
02019
08
荧光碳点的合成及其应用研究进展
张
盼1,赵顺省1,2,王雅坤1,杨
*
征1,2,刘向荣1,2
(
1.西安科技大学 化学与化工学院,西安 710054;
2.自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室,西安 710021)
要: 碳点(
Ca
rbonDo
t
s,
CDs)具有良好的体内外生物相容性、表面功能化、合成环境友好、成本低等优点,引
基金项目:国家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (
21103135,21073139,21301139,21373158),陕 西 省 创 新 人 才 推 进 计 划 资 助 项 目
(
2017KJXX55),陕西省自然科学基础研究计划资助项目(
环境监测中荧光碳点的应用探究
环境监测中荧光碳点的应用探究近年来，随着环境污染问题的日益严重，人们对环境监测的需求也越来越迫切。
传统的环境监测方法通常需要耗费大量的时间和人力，而且往往只能监测到有限的污染物。
科学家们一直在寻找一种更有效的环境监测方法，以便能够更准确、更快速地监测各种污染物。
一、荧光碳点的制备和性质荧光碳点是一种尺寸在1-10纳米之间的碳基纳米材料，其来源可以包括天然和人工合成两种。
天然来源的荧光碳点通常来自于天然物质，比如柠檬、橘子等水果；人工合成的荧光碳点则可以通过碳化学反应或者热解法制备而成。
荧光碳点在环境监测中的应用主要基于其优良的荧光性能。
这些碳点通常表现出宽波长的荧光发射，而且其发光强度和波长可以通过改变其制备条件进行调控。
这种可调控的荧光性能使得荧光碳点可以用于监测不同种类的污染物，比如重金属离子、有机物等。
荧光碳点还具有较高的化学稳定性和生物相容性，这意味着它们可以在复杂的环境中进行长时间的监测而不会出现显著的漂移或者降解。
这些特性使得荧光碳点成为了一种具有广泛应用前景的环境监测材料。
二、荧光碳点在环境监测中的应用1. 水质监测2. 大气环境监测荧光碳点还可以作为大气环境监测中的重要工具。
随着工业化和城市化的加剧，大气污染问题已成为了当前社会关注的热点问题。
传统的大气监测方法往往需要使用昂贵的仪器设备，并且监测结果往往需要经过较长时间的处理才能得出。
而使用荧光碳点作为探针，则可以大大简化监测流程，并且可以实现对大气中各类污染物的实时监测。
这对于大气环境监测而言是一个重大的突破，有望为大气污染治理提供更为准确的数据支持。
3. 土壤污染监测由于其较好的生物相容性，荧光碳点还可以被应用于土壤污染监测领域。
传统的土壤监测方法往往需要取样和实验室测试，并且测试结果往往需要较长时间才能得出。
而利用荧光碳点，可以实现对土壤中污染物的实时监测，并且可以通过控制其制备条件来获得对特定污染物的高选择性和灵敏度。
这为土壤污染监测提供了一种全新的可能性，将有助于及时发现并治理土壤污染问题。
水热法制备荧光碳点及其应用研究
水热法制备荧光碳点及其应用研究
水热法制备荧光碳点及其应用研究
水热法是一种制备荧光碳点的常用方法，通过在高温高压下将碳源与氧化剂反应生成碳点，同时可以加入有机物或无机物来改变碳点的性质。
水热法制备的荧
光碳点具有发光强度高、发光波长可调、生物相容性好等特点，被广泛应用于生物成像、传感器等领域。
近年来，研究人员利用水热法制备荧光碳点，并通过控制碳源、氧化剂、反应条件等参数来改变碳点的光学性质。
同时，研究人员也对荧光碳点进行了多种表面修饰，使其具有更好的生物相容性和药物传输性能，从而拓展了荧光碳点在生物
医学领域的应用。
在生物成像方面，荧光碳点被广泛应用于细胞成像、肿瘤诊断等领域。
荧光碳点不仅可以作为荧光探针用于细胞成像，还可以作为光热转换剂进行光热治疗。
此外，荧光碳点还可以用于肿瘤诊断，通过改变碳点的表面修饰，可以实现对肿瘤细胞的定位和识别。
在传感器方面，荧光碳点可以作为传感器的荧光标记，用于检测环境中的化学物质、生物分子等。
研究人员可以通过改变碳点的表面修饰或掺杂其他元素来实现对不同物质的检测。
荧光碳点传感器具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等特点，有望在环境监测、生物检测等领域得到广泛应用。
总之，水热法制备的荧光碳点具有广阔的应用前景，在生物医学领域、环境监测等领域都有重要的应用价值。
未来研究人员还可以继续探索荧光碳点的制备方法和表面修饰策略，进一步提高荧光碳点的性能和应用范围。
《荧光氮掺杂碳点的制备及其在Hg～(2+)检测中的应用》
《荧光氮掺杂碳点的制备及其在Hg～(2+)检测中的应用》篇一荧光氮掺杂碳点的制备及其在Hg~(2+)检测中的应用一、引言近年来，荧光碳点因其优良的光学性质、化学稳定性和生物相容性等优点，在生物医学、环境监测、分析化学等领域具有广泛的应用前景。
特别是氮掺杂的碳点（N-doped Carbon Dots，CDs）由于其较高的荧光量子产率以及多样化的制备方法而受到关注。
本篇论文主要讨论荧光氮掺杂碳点的制备方法，并探讨其在Hg~(2+)检测中的应用。
二、荧光氮掺杂碳点的制备1. 材料与试剂制备荧光氮掺杂碳点所需的材料包括：碳源（如葡萄糖、聚乙烯吡咯烷酮等）、氮源（如氨水、尿素等）以及其他辅助试剂。
所有试剂均需为分析纯，且在实验前需进行适当的预处理。
2. 制备方法荧光氮掺杂碳点的制备方法主要包括以下步骤：首先，将碳源和氮源在适当条件下进行混合和热解；然后，通过酸洗、透析等手段对产物进行纯化；最后，获得纯净的荧光氮掺杂碳点。
三、Hg~(2+)检测原理及实验方法1. 检测原理Hg~(2+)与荧光氮掺杂碳点之间的相互作用可导致碳点的荧光强度发生变化。
利用这一特性，我们可以实现Hg~(2+)的定量检测。
2. 实验方法（1）标准曲线的制备：将不同浓度的Hg~(2+)溶液与荧光氮掺杂碳点混合，测定其荧光强度，绘制标准曲线。
（2）样品检测：将待测样品与荧光氮掺杂碳点混合，测定其荧光强度，根据标准曲线计算Hg~(2+)的浓度。
四、实验结果与讨论1. 实验结果通过实验，我们成功制备了荧光氮掺杂碳点，并发现Hg~(2+)与其之间存在明显的相互作用。
在Hg~(2+)浓度较低时，随着浓度的增加，荧光强度逐渐增强；当Hg~(2+)浓度达到一定值时，荧光强度达到最大值并保持稳定。
此外，我们还发现制备的荧光氮掺杂碳点具有良好的稳定性和重复性。
2. 讨论（1）荧光氮掺杂碳点的制备过程中，氮源的种类和比例对产物的荧光性能具有重要影响。
通过优化制备条件，可以提高产物的荧光量子产率。
荧光碳点的制备及其在I-检测中的应用
碘是人体必需的微量元素之一，可参与甲状腺激素的合成，调控人体的生长发育[1-3]。
长期缺碘可引起甲状腺功能低下，而长期碘过量则容易引起碘中毒，表现为消化道刺激症状等[4-5]。
因此，准确测定生物、环境样品及食品蔬菜中的碘含量对人体健康状况分析、食物营养评价和环境评估有重要意义。
目前，I -的检测方法主要有离子色谱法、分光光度法、电化学法、中子活化法和色谱光谱法等[6-9]。
这些方法具有灵敏度高和选择性好的优点，但成本高，操作复杂。
与之相比，荧光分析法不仅选择性好，而且操作简便、成本低廉，可以高灵敏快速检测I -[10-13]。
CDs 与传统的石墨烯量子点相比，其光学性质对荧光碳点的制备及其在I -检测中的应用庞纪平1，江英霞2，颜范勇2，施锦辉3（1.天津中新药业集团股份有限公司中新制药厂，天津300450；2.天津工业大学分离膜与膜过程国家重点实验室/国家分离膜国际联合研究中心，天津300387；3.南通海关综合技术中心，江苏南通226004）摘要：为灵敏快速检测碘离子（I -），以柠檬酸和乙二胺为原料，通过一步水热法合成具有蓝色发射的荧光碳点CDs 。
通过透射电子显微镜（TEM ）、紫外-可见吸收光谱（UV-vis ）、傅里叶变换红外光谱（FTIR ）和荧光光谱对CDs 的结构和光学性能进行表征；并采用CDs 检测水样中的I -，考察其检测效果和淬灭机理。
结果表明：I -可以特异性识别并淬灭CDs 的荧光，淬灭机理为静态淬灭；I -浓度与CDs 的荧光强度在20~90滋mol/L 范围内具有良好的线性响应，检测限为1.743滋mol/L ；加标回收试验表明该方法可成功应用于真实水样中I -的检测。
关键词：碳点；荧光；碘离子；检测；淬灭机理中图分类号：TQ421.32文献标志码：A 文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园21）园5原园园62原06收稿日期：2020-09-07基金项目：国家自然科学基金资助项目（51678409）；天津市应用基础和先进技术研究计划资助项目（19JCYBJC19800）第一作者：庞纪平（1975—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为中药新药开发与生产工艺改进。
一种微波合成绿色荧光生物质碳点的方法及应用
一种微波合成绿色荧光生物质碳点的方法及应用
1.微波合成绿色荧光生物质碳点的方法：
（1）将生物质碳点的原料（如木质素、纤维素、糖、蛋白质等）放入容器中，加入足够的水，搅拌均匀；
（2）将混合物加入微波炉中，调整微波功率和加热时间，使得混合物受到微波照射；
（3）在微波照射过程中，混合物会受到高温和高压的作用，形成绿色荧光生物质碳点；
（4）将生物质碳点取出，经过洗涤、干燥、筛选等处理，得到绿色荧光生物质碳点。
2.微波合成绿色荧光生物质碳点的应用：
（1）生物质碳点可以用作抗氧化剂，可以抑制食物中的脂质氧化，延长食物的保质期；
（2）生物质碳点可以用作抗菌剂，可以抑制食品中的细菌滋生，降低食品中的病原体含量；
（3）生物质碳点可以用作抗氧化剂，可以抑制食物中的脂质氧化，延长食物的保质期；
（4）生物质碳点可以用作缓冲剂，可以维持食物的pH值，
改善食物的口感；
（5）生物质碳点可以用作抗氧化剂，可以抑制食物中的脂质氧化，延长食物的保质期；
（6）生物质碳点还可以用作绿色荧光探针，可以用于生物检测和医学诊断等。
荧光碳量子点
荧光碳量子点荧光碳量子点是一种新型的纳米材料，具有优异的光学性能和广泛的应用前景。
本文将从荧光碳量子点的定义、制备方法、光学性质以及应用领域等方面进行介绍，以增加读者对这一新兴材料的了解。
一、荧光碳量子点的定义荧光碳量子点是一种纳米级的碳基材料，其尺寸通常在1-10纳米之间。
与传统的半导体量子点相比，荧光碳量子点不含有有害的重金属元素，具有较高的生物相容性和环境友好性。
它们能够在近紫外到近红外波段范围内发出可见光的荧光，具有较高的荧光量子产率和较长的激发寿命。
二、荧光碳量子点的制备方法荧光碳量子点的制备方法主要包括碳化法、碳化-氧化法、碳化-氮化法和碳化-硫化法等。
其中，碳化-氧化法是一种较为常用的方法。
具体而言，通过控制碳源和氧化剂的反应条件，可实现荧光碳量子点的制备。
制备过程中，还可以通过调节反应温度、时间和原料比例等参数，来调控荧光碳量子点的尺寸和光学性质。
三、荧光碳量子点的光学性质荧光碳量子点具有丰富的光学性质，包括尺寸效应、表面效应和量子限域效应等。
尺寸效应是指荧光碳量子点的尺寸与其发光性质之间的关系。
通常情况下，尺寸越小，荧光碳量子点的能隙越大，发光波长越短。
表面效应是指荧光碳量子点表面的官能团对其光学性质的影响。
通过表面修饰，可以调控荧光碳量子点的发光强度和波长。
量子限域效应是指荧光碳量子点在三维空间中的限域效应对其光学性质的影响。
通过控制量子限域效应，可以实现荧光碳量子点的发光颜色调控。
四、荧光碳量子点的应用领域荧光碳量子点具有广泛的应用前景，在生物成像、生物传感、药物输送、光电器件等领域具有重要的应用价值。
在生物成像方面，荧光碳量子点可以作为生物探针，用于细胞和生物体的荧光显微成像。
在生物传感方面，荧光碳量子点可以通过修饰特定的官能团，实现对生物分子的高灵敏度和高选择性检测。
在药物输送方面，荧光碳量子点可以作为药物载体，实现药物的靶向输送和控释。
在光电器件方面，荧光碳量子点可以制备成荧光太阳能电池、荧光LED等光电器件，具有重要的应用前景。
5荧光碳点的合成与应用
聚合物钝化FCDS对细胞毒性的研究
CD2(CD-PEG1500N) CD3(CD-PEI-PEG-PEI) CD4(CD-4arm PEG)
水合热法合成水溶性碳点
荧光碳点的合成原理
碳点的结构示意图
intensity
碳点的荧光性质
EX=350nm
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000
荧光碳点FCDS的合成及其应用
汇报人：李乾华
FCDS的荧光猝灭对DNA的检测
亚甲基蓝
浓酸氧化法制备FCDS对铜离子的 定量检测DS荧光示意图
I0是未加猝灭剂的 碳点的荧光强度
I是加了猝灭的 碳点的荧光度
FCDS与 CdTe 量子点的细胞毒性对比
0 350 400 450 500 550 600 650 700 750
wavelength/nm
条件： 水：乙二醇=1：1 葡萄糖0.5g 180℃ 4h 荧光碳点稀释10倍的荧光发射光谱图
intensity
EM=450
5000
4000
3000
2000
1000
0 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440
0
400
500
600
700
wavelength (nm)
添加PAMAM之后的荧光发射光谱图
工作计划
▪ 对合成PAMAM-FCDS的条件进一步优化。 ▪ 通过TEM,IR,FL,UV等表征手段对新合成的
PAMAM-FCDS进行表征。 ▪ 将PAMAM-FCDS负载在石墨烯上，进一步对
FCDS钝化，提高FCDS的生物相容性。
wavelength/nm
荧光碳点的制备及应用_颜范勇
http： / / w w w ． progchem． ac． cn
Progress in Chemistry ， 2014 ， 26 （ 1 ） ： 61 ～ 74
Ｒeview 4 4. 1 4. 2 4. 3 4. 4 4. 5 5 Application of carbon dots Detection probes Bioimaging Lightemitting element Photocatalysis Drug carriersis Conclusions and perspectives
［3 ， 4 ］ ， 了人们极大的研究兴趣 其研究的重点集中在 简便的制备方法及如何有效利用碳点 寻找更快捷、 ［2 ］
图1
（ a） 拉曼光谱（ λ ex = 633 nm ） ； （ b ） 石墨和碳点的 C
1s 的 X 射线光电子能谱（ XPS） 谱图； （ c ～ e ） 不同粒径的
［11 ～ 13 ］ 典型碳点的高分辨透射电镜 （ HＲTEM） 图像
［6 ～ 8 ］
蚀等方法制备的碳点， 其吸收峰在 260 ～ 320 nm 之 经修饰后波长会相应增加。 间， 碳点的发光特性主要表现在光致发光和电化 学发光 ， 其 中 荧 光 性 能 是 碳 点 最 突 出 的 性 能。 目 前关于碳点发光的理论包括 ： （ 1 ） 表面态 ， 即碳点 表面存在能量势阱 ， 经过表面修饰后 ， 其荧光量子 产率提高可归因于碳点表面状态的变化 ； （ 2 ） 尺寸 效应 ， 即碳 点 的 荧 光 性 能 决 定 于 粒 径 大 小 。 作 为 一种有 潜 力 在 诸 多 领 域 发 挥 重 要 作 用 的 纳 米 物 质， 碳点 的 优 良 荧 光 性 质 主 要 有 ： 激 发 光 宽 且 连
荧光碳点的制备和性质及其应用研究进展
荧光碳点的制备和性质及其应用研究进展一、本文概述荧光碳点，作为一种新兴的碳纳米材料，近年来在科研领域引起了广泛关注。
由于其独特的光学性质、良好的生物相容性、易于表面功能化以及出色的稳定性，荧光碳点在生物成像、药物递送、传感器以及光电器件等领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在全面概述荧光碳点的制备方法、基本性质以及最新的应用研究进展。
我们将首先介绍荧光碳点的合成策略，包括自上而下和自下而上的主要方法，并讨论其结构、光学特性及稳定性等基本性质。
接着，我们将综述荧光碳点在生物成像、药物递送、传感器、光电器件等领域的应用案例和最新研究进展。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个关于荧光碳点全面而深入的了解，为其在科研和实际应用中的进一步发展提供有益的参考。
二、荧光碳点的制备方法荧光碳点（Carbon Dots，简称CDs）作为一种新兴的纳米材料，因其独特的光学性质、良好的生物相容性和环境友好性，在生物成像、传感、光电器件等领域展现出巨大的应用潜力。
近年来，荧光碳点的制备方法得到了广泛的研究和发展。
自上而下法：自上而下法主要通过物理或化学手段将大尺寸的碳材料（如石墨、碳纳米管等）剥离或切割成纳米尺寸的碳点。
例如，激光烧蚀法就是利用高能量的激光束照射碳源，使其瞬间蒸发并冷凝形成碳点。
这种方法制备的碳点通常具有较好的结晶性和均一性，但设备成本较高，产率较低。
自下而上法：自下而上法则是通过化学反应，如热解、水热、微波等，使小分子碳源（如柠檬酸、葡萄糖等）发生碳化并聚集形成碳点。
这种方法操作简单，原料易得，因此在实际应用中更为常见。
例如，水热法就是在高温高压的条件下，使碳源发生碳化并生成碳点。
这种方法制备的碳点通常具有丰富的表面官能团，易于进行后续的修饰和功能化。
模板法：模板法是利用具有特定形貌和结构的模板材料，通过物理或化学手段将碳源填充到模板的孔道或空腔中，然后去除模板，得到具有特定形貌和结构的碳点。
这种方法可以精确控制碳点的尺寸和形貌，但制备过程较为复杂，且需要去除模板，可能引入杂质。
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荧光碳点的制备及应用
1、荧光碳点的制备
荧光碳材料是一种典型的无机荧光纳米材料，为目前热点研究的功能纳米材料之一。
荧光碳点指的是一种尺寸小于10 nm的零维纳米材料，其中碳元素采用sp2杂化，并可进行N、P、O、S等元素的掺杂。
通过调节荧光碳点的尺寸大小、元素组成和表面结构，可制备出不同发光特性的荧光碳点。
荧光碳点的制备分为“自上而下”法和“自下而上”法。
“自上而下”法是指用电解、激光刻蚀等方法，将块状石墨粉碎成纳米尺寸的荧光碳点，“自下而上”法是指以有机物为前驱体，在高温条件下合成荧光碳点。
相较于“自上而下”的合成方法，“自下而上”法具有简单、快捷、产率高的优势，应用于本科生实验，可重复性强、成功率高，故本实验采用“自下而上”法，即以有机物柠檬酸、柠檬酸铵、尿素和多乙烯多胺作为前驱体，分别制备蓝色荧光碳点(BC-dot)和氮掺杂的绿色荧光碳点(GC-dot)
2、发射原理
荧光碳材料是一种典型的无机荧光纳米材料，为目前热点研究的功能纳米材料之一。
荧光碳点指的是一种尺寸小于10 nm的零维纳米材料，其中碳元素采用sp2杂化，并可进行N、P、O、S等元素的掺杂。
通过调节荧光碳点的尺寸大小、元素组成和表面结构，可制备出不同发光特性的荧光碳点。
荧光碳点的制备分为“自上而下”法和“自下而上”法。
“自上而下”法是指用电解、激光刻蚀等方法，将块状石
墨粉碎成纳米尺寸的荧光碳点，“自下而上”法是指以有机物为前驱体，在高温条件下合成荧光碳点。
相较于“自上而下”的合成方法，“自下而上”法具有简单、快捷、产率高的优势，应用于本科生实验，可重复性强、成功率高，故本实验采用“自下而上”法，即以有机物柠檬酸、柠檬酸铵、尿素和多乙烯多胺作为前驱体，分别制备蓝色荧光碳点(BC-dot)和氮掺杂的绿色荧光碳点(GC-dot)
3、量子产率
荧光量子产率是表示物质发射荧光的能力的一个基本参数，指的是荧光物质吸光后所发射的荧光的光子数与吸收的激发光的光子数的比值，可采用绝对法和相对法测定，用Yf表示：
Yf=发射的光量子数吸收的光量子数Yf=发射的光量子数吸收的光量子数
(1)本实验采用相对法测定荧光碳点的荧光量子产率，即以罗丹明6G(R6G)的乙醇溶液作为本实验的参比物质。
通过比较荧光碳点溶液和R6G的乙醇溶液在同样测试条件下所测得的积分荧光面积和对该激发波长对应的吸光度，测量荧光碳点的荧光量子产率，用Yu表示：Yu=Ys⋅FuFs⋅AsAu⋅n2un2sYu=Ys⋅FuFs⋅AsAu⋅nu2ns2
(2)其中，Fu、Au、nu分别表示荧光碳点的积分荧光强度、吸光度和溶剂的折射率；Ys、Fs、As、ns分别表示R6G乙醇溶液的荧光量子产率、积分荧光面积、吸光度和溶剂的折光率
4、试剂
多乙烯多胺(275MW)、尿素(AR)、柠檬酸(AR)、柠檬酸铵(AR)、罗
丹明6G(AR)、pH为4–10的缓冲溶液、无水乙醇、去离子水、聚乙烯醇(PVA)。
5、仪器
研钵、坩埚、坩埚钳、烧杯、玻璃棒、电热恒温干燥箱、真空干燥箱、离心机、石英比色皿、F-2700型荧光分光光度计。
实验步骤
6、荧光碳点的制备
(1)分别称取0.2 g柠檬酸铵和0.2 g尿素，用研钵充分研磨，将研磨后的粉末转移至坩埚中，在200 ⋅下反应1 h，将反应后的产物溶于50 mL 去离子水中，离心(12000 rpm，20 min)，即可得到GC-dot溶液，冻干备用。
(2)称取1.25 g柠檬酸，量取0.5 mL多乙烯多胺和10 mL去离子水于坩埚中，搅拌使其混合均匀，在200 ⋅下加热1 h，将产物溶于水，再经过离心(12000 rpm，20 min)，即可得到BC-dot溶液，冻干备用。
7、荧光光谱的测定及荧光量子产率的测定
7.1荧光激发与荧光发射光谱
(1)选择450 nm左右的光为激发光，测定470–670 nm波长范围内的稀释100倍的GC-dot溶液荧光发射光谱，选择最大发射波长λem为发射光，测定300–550 nm范围内的荧光激发光谱，在最大激发波长λex处，GC-dot溶液有最大荧光激发强度，并在此最大激发波长λex 下，扫描荧光发射光谱，此时在最大发射波长处碳点溶液的荧光发射强度最大。
(2) BC-dot的荧光激发光谱与荧光发射光谱的测定同理，不同之处在于初始激发光为380 nm左右，荧光发射光谱的测定范围为400–650 nm，荧光激发光谱的测定范围为300–450 nm。
7.2相对荧光量子产率的测定
(1)配制浓度约为5 × 10-6mol·L-1R6G乙醇溶液，测定其在405 nm波长处的吸光度。
用去离子水稀释碳点溶液，使其分别在405 nm波长处具有与R6G乙醇溶液近似的吸光度。
(2)在405 nm激发波长下，分别测定R6G乙醇溶液、稀释后的GC-dot 溶液、稀释后的BC-dot溶液和稀释后的RC-dot溶液在415–700 nm波长范围内的荧光发射强度，绘制成曲线，计算相应的积分荧光强度，将其值带入式(2)中计算。
7.3 荧光发射强度荧光强度的影响因素
（1）荧光发射强度与浓度的关系
配制不同浓度的碳点溶液测量其荧光激发和发射光谱并采用origin软件绘制光谱图和根据最大荧光发射强度与碳点溶液的浓度关系图。
（2）荧光发射强度与溶液pH的关系
以最大吸收波长λm为激发波长，测定碳点溶液在pH为4.72、5.48, 、6.44、7.69、9.59下的荧光强度。
（3）荧光发射强度与溶剂的关系
分别配置体积分数为0%，20%，40%，60%，80%和100%的水的乙醇溶液，观察同浓度的碳点在不同溶剂中的荧光发光情况并测定荧
光强度。
7.4荧光墨水的配制
分别计算BC-dot溶液和GC-dot溶液的浓度，将其稀释为 3 mg·mL-1的溶液。
分别取1.5 mL碳点溶液、1 mL无水乙醇和7.5 mL PVA水溶液(200 mg·mL-1)，充分搅拌，使其混合均匀，即得蓝色荧光墨水和绿色荧光墨水。
7.5结果与讨论
（1）荧光碳点的荧光激发光谱与荧光发射光谱
实验制备所得的荧光碳点分别是GC-dot和BC-dot，其中荧光峰值位于400–500 nm的荧光碳点发蓝光，荧光峰值位于500–540 nm的荧光碳点发绿光。
（2）荧光发射强度与溶液pH的关系
BC-dot和GC-dot在不同pH溶液中的发光强度不同。
其中BC-dot 在中性和弱酸性溶液中的发光强度较大，而在弱碱性溶液中的发光强度明显减小，相较于pH为中性的溶液中减小了15%，而GC-dot在不同缓冲溶液中的发光现象恰好与BC-dot相反，可能是BC-dot与GC-dot 表面的官能团不同，因而酸碱度会对其发光产生影响。