一种新型节能环保材料

一种新型节能环保材料

发表时间：2020-01-15T15:38:04.377Z 来源：《科学与技术》2019年17期作者：冯燕

[导读] 量子点(quantum dots/QDs)又称半导体纳米微晶体，是一种由Ⅱ-Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的纳米颗粒

量子点(quantum dots/QDs)又称半导体纳米微晶体，是一种由Ⅱ-Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族元素组成的纳米颗粒。量子点由于粒径很小，电子和空穴被量子限域,连续能带变成具有分子特性的分立能级结构。因此，光学行为与一些大分子(例如:多环芳香烃)很相似，可以发射荧光。

在量子点研究早期人们认为量子点的主要应用将集中在光电研究方面甚至认为有可能制成量子计算机，但一直没有大的建树。稍后,人们对量子点在生物学中的应用进行了尝试，但由于当时量子点制备上的困难、很低的荧光量子产率等原因,研究亦很难有所突破。因此，大部分工作仍集中在研究量子点的基本特性和制备技术的突破方面。后来发现,量子限域效应可通过特定的化学环境或边界条件(如core-shell结构)体现，量子产率大大提高,其基本电子结构和理化、光学性质逐渐清楚,量子点制备技术也随之不断提高,直到20 世纪90 年代后期，量子点应用于生物学研究的前景才逐渐凸现。因此，量子点在生物学研究中应有很好的应用前景，如（1）利用量子点进行生物大分子光谱编码；（2）利用量子点研究生物大分子结构、功能与相互作用；（3）将量子点应用在细胞生物学研究中；(4) 量子点有可能成为筛选药物、发现药物靶点的有力工具；(5) 量子点在生物芯片研究中的应用。

与传统的有机荧光染料或镧系配合物相比[5],荧光量子点具有以下优点：

(1) 单个波长可激发所有的量子点,而不同染料分子的荧光探针需多个激发波长；

(2) 量子点的发射波长可通过控制它的大小和组成来“调谐”，如：紫外-蓝光( ZnS,，ZnSe)；可见光( CdS,，CdTe)；近红外光(

CdS/HgS/CdS，InP)。大小均匀的量子点谱峰为对称高斯分布，而荧光染料峰形为对数正态分布，又红移拖尾；

(3) 量子点的荧光强度是罗丹明6G的20倍，稳定性是它的100倍，光线宽只有其三分之一；

(4) 量子点具有很好的生物相容性，而有机荧光染料或镧系配合物则不具有这种优越性。

因此，量子点得到了物理、化学、生物等领域研究者的广泛关注。目前，QD最有前途的应用领域是在生物体系中作为荧光标记物。

随着纳米技术的飞速发展，碳纳米材料也正受到广泛的关注和研究。目前，碳纳米材料包括：零维的碳点、富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯。

碳元素在地球上广泛存在，即大量存在与地壳与大气中，又广泛存在于各种有机体中，是构成生命的重要元素之一。由于其具有多样的电子轨道特性，因此形成许多结构和性质奇特的物质。早期人们对碳的认识是碳有三种同素异形体，即石墨金刚石和无定形碳。直到1985年，科学家发现了富勒烯，使人们对碳的认识又进了一大步。随后1991年日本科学家发现了具有单层石墨结构的石墨烯，这些新发现为科学界带来了一个又一个的惊喜，也为材料科学的发展开辟了新的领域。近几年，俄国著名物理学家和天文学家乔治·伽莫夫基于对石墨烯的研究而获得2010年诺贝尔物理学奖，这又一次激发了科学家对纳米材料研究的热潮。

2004年Xu等在分离纯化有电弧放电制备的单壁碳纳米管时，首次发现了发荧光的碳纳米粒子，但其荧光量子产率很低。直到2006年，Sun等用激光消融碳靶物再用有机试剂纯化的方法，制备出了荧光性能较好的碳纳米粒子，并首次称其为碳点（Carbon Dots, CDs)。随后，有越来越多的研究者加入碳点的研究队伍中来，并建立起一系列碳点制备的新方法，进一步提高了碳点的荧光性能，同时将碳点应用到生化分析及细胞成像等领域。碳量子点是一种新型碳材料,相对于传统的半导体量子点和有机染料,这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点,而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势。因此,对碳量子点这一新兴领域的研究必将对材料科学的发展产生重大影响。

近年来，半导体金属荧光量子点（Quantum Dots,QDs)以其优越的光学性能及小尺寸特性，使其在细胞成像、细胞标记、分析检测医疗诊断等领域得到广泛应用。然而研究发现，量子点中的重金属离子，在使用过程中会有一定的释放，对环境造成污染，而且对细胞也有较强毒性。因此，寻找一种生物与环境友好型荧光纳米材料显得尤为紧迫。碳点作为一种新型荧光碳纳米材料，亦具有良好的发光性能与小尺寸特性，而且还具有很低的生物毒性与无光眨眼性能。因此，在细胞成像、标记及检测领域具有良好的应用前景，是替代量子点的良好选择。

碳点作为新型荧光碳纳米材料，以其优异的物化性能吸引了国内外学者的广泛关注和研究。为制备出荧光性能更优良，且方法便捷经济的碳点，世界各国研究者经过不懈的努力，已经建立了一系列碳点合成的新方法。这些方法可以概括为两大类：自上而下和自下而上。自上而下是指通过物理或化学的方法把大变小，直到成为纳米颗粒，比如机械粉碎球磨或化学氧化等将大颗粒物体变小等。自下而上的方法，形象的说是由小变大的方法，大多是化学合成法，比如利用有机或者无机分子组装功能器件的方法等。

自上而下的碳点合成方法包括电弧放电法、激光法、电化学法等。自下而上的碳点合成方法包括基于灰的氧化或腐蚀法，热解有机物法、微波合成法等。这些方法制的的碳点大都需要表面钝化处理以增强其荧光性能，然后经过离心、透析、电泳等方法进行分离提纯。

近年来，荧光半导体量子点由于其优异的光学特性能得到了广泛应用，尤其在生物检测、细胞成像及医疗诊断方面。然而量子点中的重金属离子，对细胞有很大的细胞毒性，这使得量子点应用受到极大的限制。碳点，作为新荧光碳纳米材料，不仅具有较好的光学特性，而且具有较低的细胞毒性，是替代量子点的良好选择。

（1）细胞成像与靶向示踪

目前，碳点在细胞成像及靶向示踪等方面得到了广泛应用。例如，转铁蛋白是一种血清糖蛋白，可以在癌细胞表面过量表达转铁蛋白受体，因此可以与癌细胞靶向结合。实验表明，即使是未经特异基团修饰的荧光碳点，在于细胞孵育后都能成功进入细胞成像。然而，如果在碳点表面修饰能与细胞特异作用的转铁蛋白后，能更好的与癌细胞结合，荧光显微成像更明显。因此，碳点能成功实现细胞成像，并可以实现靶向示踪作用，这使得碳点在疾病诊断及药物靶向治疗等方面的应用成为可能。

（2）生化分析检测

碳点除了能很好地应用于细胞成像方面，还能应用于生化分析检测。有实验者]成功将碳点应用于湿地环境中PO43-检测。大量实验表明，可以通过改变碳点表面的功能基团实现碳点在生化方面的广泛应用。

（3）光电器件

由于碳点具有电化学发光性能，所以碳点能应用于光电器件之中。科研人员制备出最大外部量子效率0.0083%的白光发光器件，而基于超小CdSe纳米晶制备的白光发光器件的最大外部量子效率仅0.00013%。这表明在电致发白光发光器件方面，碳点比量子点具有更好的应用前