碳量子点是一种碳基零维材料。碳量子点具有优秀的光学性质，良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点。自从碳量子点被首次发现以来，人们开发出了许多合成方法，包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、微波合成法、模板法等。碳量子点的应用广泛，在医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等许多的领域都有较好的应用前景。

• 中文名称 碳量子点
• 外文名称 Carbon Dots
• 应用领域 材料、生物、医学、传感器等
• 化学性质 生物相容性好、无毒
• 物理性质 光致发光、紫外吸收

研究历史

　　2004年，美国南卡罗莱纳大学的Xu Xiaoyou等 人报道了利用电弧放电来制备单壁碳纳米管(SWCNTs)的方法，并在电泳法纯化产物的过程中首次发现了可以放出明亮荧光的碳量子点。

　　随着对于碳量子点更加深入的研究，人们在它的合成，性能和应用方面的研究都取得了很大的进展。同时，碳量子点的原料来源广泛，制备成本也比较低，在材料制备领域有很大的优势，在医学成像设备、微小的发光二极管、化学传感器、光催化反应等的很广的领域中都有较好的应用前景。

碳点结构

　　碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQD)是由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小(在10nm 以下)，具有荧光性质的新型纳米碳材料。 碳量子点合适的尺寸、低廉的成本和良好的生物兼容性对于生物标记等领域的研究是至关重要的，因此它的出现引起了研究者广泛的关注。

碳点性质

　　碳量子点的结构和组成决定了它们性质的多样性。碳量子点比较明显的一个特征就是在紫外光区有较强的吸收峰，并且在可见光区域有长拖尾。大多数吸收峰带集中在260~320 nm，通常表现出荧光最大发射波长、激发波长依赖性等光学特征。 有些光谱中还出现了吸收肩，可能是由于C=C键的π→π*跃迁和C=O键的n→π*跃迁。

　　碳量子点另一个突出的一个特点，也是发现和应用碳量子点最初需要的性质就是它具有光致发光的特性，通俗来说，具有良好水溶性的碳量子点在光照下，其自身会发出明亮的荧光，而且，它的光学稳定性很好。 科学家们认为这种光致发光现象可能是由于碳量子点表面的空洞可以储存能量造成的。最近的研究表明，碳量子点的光致发光光谱的波长明显地与发射光谱的波长和强度有关。这可能是由于纳米尺度量子效应的光学选择性或者是碳量子点表面不同的发射阱，也可能是其他尚未发现的机理。

　　碳量子点除了有紫外可见吸收和光致发光性质之外，还有一个有趣的性质就是上转换发光 ( Up-conversion photoluminescence, UCPL)。 通常情况下，材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，这就是上转化发光。对于碳量子点上转换荧光性质的机理解释还没有定论，有学者认为，碳量子点同时吸收两个或多个光子，使其在较激发波长更短的波长处吸收光，产生上转换荧光。 碳量子点的上转化发光性质在发光显微镜进行细胞成像、高效催化剂设计，应用于生物科学和能源技术等方面都有很好的应用前景。

　　在其他方面，传统的量子点一般是从铅、镉和硅的混合物中提取出来的，但这些量子点一般有毒，对环境也有很大的危害。所以科学家们寻求在一些良性的化合物中提取量子点。碳量子点作为一种新型的碳纳米材料，与各种金属量子点类似，在制备的过程中不涉及重金属的使用，更有一些研究直接从食物饮料中提取碳量子点，如蛋清、冬瓜等。 此外，碳材料的化学惰性较高，因为碳性质稳定，而且在生物体中的重含量很高，同时，碳量子点表面上的许多羧基等亲水性的官能团在水中具有优异的溶解性。因此相较于金属量子点材料，碳量子点具有较高的生物相容性和较低的细胞毒性，对环境危害很小。

制备方法

　　在过去的十余年间，各国的科学家已经开发出了各种不同合成碳量子点的方法，根据碳源的不同，这些方法可以大致地分为"自上而下"( Top- down) 合成法和"自下而上"( Bottom- up) 合成法。

　　"自上而下"合成法是指将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点。利用"自上而下"合成法合成碳量子点的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭等，通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。

　　"自下而上"合成法与"自上而下"合成法相反，利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料合成出碳量子点。用"自下而上"法合成碳量子点，多采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的"自下而上"合成方法有化学氧化法、燃烧法、水热/溶剂热法、微波合成法、模板法等。

• 电弧放电法

　　人类首次发现的碳量子点，就是用这种方法合成的。2004年，Xu Xiaoyou等人在纯化电弧放电煤烟制得的单壁碳纳米管( SWCNTs) 时，分离出了一种未知的荧光碳材料。为了增加该碳材料的亲水性，用3.3 mol/L HNO3来氧化电弧处理过的煤烟以引入羧基功能基团，然后使用NaOH溶液来提取沉淀物得到稳定的黑色分散液，该分散液通过凝胶电泳法进行分离，得到SWCNTs、短的管状碳和一个快速移动的高荧光材料带，最后这种材料就是碳量子点。

　　这种方法得到的碳量子点，荧光较好，但是碳量子点的粒径不均一，且产率极低，不适合大量生产。

• 激光销蚀法

　　2006年，Sun Yaping 等人 首次利用激光销蚀法制备出了碳量子点。他们通过在水存在下，激光销蚀碳原料。氩气作为载气、900℃、75kPa的条件下，产物在硝酸中回流12小时。再用有机物如PEG1500N(胺封端的聚乙二醇)和聚(丙酰乙烯亚胺 - 聚乙烯亚胺)( PPEI-EI) 连接到碳量子点表面，使其钝化。最后用酸处理碳量子点，从而发出明亮的光。

　　2011年，Li和他的合作者利用更简单的激光销蚀法来制备碳量子点。 他们用碳纳米材料作为起始原料，用简单的有机溶剂作为液体介质。在一个典型的程序中，0.02 g的碳纳米材料被分散在50 mL的溶剂中(溶剂可以是水，乙醇，乙腈等)。超声处理后，4 mL的悬浊液滴入一个玻璃做的小室中用523 nm波长的激光照射激发。照射后离心，得到的上清液就含有碳量子点。

　　用激光销蚀法得到的碳量子点产率约20 %，粒径不够均匀，需要的设备要求也相对较高，不适合工业化生产。

• 电化学法

　　2007年，Zhou等 人首先报道了用电化学法合成碳量子点的方法。在电化学池中，以碳纸上通过化学气相沉积法( CVD) 制得的多壁碳纳米管( MWCNTs) 作为工作电极，铂丝作为辅助电极，Ag/AgCl作为参比电极，含0.1 mol/L四丁基高氯酸铵的乙腈溶液作为电解液(实验前先除氧)，在-2.0~ +2.0 V 之间循环施加扫速为0.5 V/s的电势，可以观察到溶液由无色变为黄色，最后再变为深棕色，表明碳量子点从多壁碳纳米管上剥离下来了。

　　2016年，Liu等 人以乙醇、氢氧化钠、水为电解质，以石墨电极为工作电极，以铂电极为辅助电极，银/氯化银电极为参比电极，5 V电压下，用电化学氧化剥离石墨的办法制备碳量子点。他们发现，这种办法产生的碳量子点在温度不同的情况下会有不同的颜色，推测可能是由于温度不同的情况下，碳量子点的粒径不同，从而在激发光照射下发射光的波长不一样从而产生了不同的颜色。

　　电化学方法制备出的碳量子点产率较高，粒径较均匀，反应条件也较温和，对环境破坏较小，但是需要特殊设备，适合的反应也较少。

• 化学氧化法

　　2009年，Peng Hui和Travas-Sejdic 报道了一条简单的路线来制备碳量子点。通过使用硫酸脱去水溶液中碳水化合物(如葡萄糖)的水，然后用硝酸将碳材料分解为独立的碳量子点。最后用含胺封端的化合物(4,7,10-三氧杂-1,13-十三烷二胺)来处理碳量子点，使其钝化。这些碳量子点的发射波长可以是通过不同的起始材料和硝酸处理的时间长短来调整。这种碳量子点能放出不同颜色的光和而且无毒无害，使其能够应用于实际的生活和科学研究中。

• 燃烧法

　　燃烧法就是通过燃烧有机物，收集产生的碳粉，经氧化处理以后得到碳量子点的方法。

　　2007年，Liu和他的合作者 首次通过简单的燃烧法制备出了碳量子点。他们首先将铝箔放在蜡烛上方，收集蜡烛烟灰，然后将收集到的烟灰用硝酸处理，回流一段时间后分离提纯，从而得到直径约1 nm的表面具有羧基和羟基的亲水性碳量子点。利用燃烧法制备的碳量子点虽然产率很低，粒径大小也不太均一，不过操作简单，原料易得。

• 溶剂热合成法

　　在材料制备科学中，水热/溶剂热合成法是十分常见的一种方法，这种方法简单安全高效，对环境破坏较小。而且用于水热反应的原料来源很广泛，如果汁，牛奶，蛋清，维生素C，葡萄糖，草叶等都可以作为它的原料。

　　2012年，Jia等人报道了利用一锅法在低温(90 ℃)条件下水热合成碳量子点的方法，将维生素C，醋酸铜溶于水中，90 ℃加热条件下搅拌5小时，离心纯化之后，得到碳量子点。这样的方法制备出的碳量子点有良好的水分散性、pH依赖的光致发光性质和上转化荧光性质。

　　2013年，Huang等人用草莓汁在聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中加热至180℃反应12小时，过滤后高速离心，得到含碳量子点的清液，蒸干溶剂得到含氮的荧光碳量子点，这种碳量子点对于汞离子敏感，可以作为检测重金属汞的试剂。

• 微波合成法

　　2009年，Zhu等人 首次利用微波合成法制备出了碳量子点。他们将不同量的聚乙二醇( PEG-200) 和碳水化合物(葡萄糖，果糖等)加入蒸馏水水中形成透明溶液。 而后，在500W微波炉中加热2-10分钟。 随着时间的推移，溶液由无色变为黄色和最后变成深褐色，从而得到了碳量子点。

　　2013年，Xiao等人 将1-丁基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸盐([Bmim] BF4)加入蒸馏水中，烧杯中溶液在搅拌下形成透明的透明溶液。然后将混合溶液投入家用微波炉(700瓦)，加热不同的时间。将变色的溶液在13,000 rpm下离心分离30分钟以去除较少荧光的沉积物，最后得到了澄清的黄色碳量子点溶液。这种碳量子点对槲皮素敏感，可以用作分析试剂使用。

• 模板法

　　模板法也是材料制备中十分常见的方法。模板法通常是以特定的支撑材料为模板，再这种材料上合成碳量子点后，然后用酸蚀等办法除去模板，从而获得碳量子点。

　　Liu等人用两性聚合物F127 进行硅胶球体的功能化，以制备出的F127/SiO2复合物为模板，再以可溶性酚醛树脂作为碳前驱体与F127结合，制成一种球形复合物，后者经高温煅烧生成碳/二氧化硅复合物，再经350~400℃热分解及NaOH溶液40℃下刻蚀48 h，从而除去硅载体，即得碳量子点。用这种办法制备得到的碳量子点产率高达10%以上，且粒径较为均匀，水溶性也相对较好，但制备过程复杂。

• 室温羟醛缩合聚合法

　　2015年，中南大学纪效波、侯红帅等人通过丙酮与氢氧化钠混合，室温静置120小时，制备出了尺寸为2-3 nm的碳量子点，该方法无需热处理、高毒试剂、特殊设备等苛刻条件，且产量较大、后处理简单。这种方法制备出的碳量子点可以作为钠离子电池的三维多孔碳骨架。 2017年，他们又以乙醛溶液代替丙酮，通过与氢氧化钠混合后室温静置反应制备了尺寸为3-5 nm的碳量子点，进一步提高了碳量子点的制备效率。

应用

化学传感器

　　某些碳量子点对于金属离子、酸根离子或者氢离子比较敏感，可以通过这一性得到相应功能的化学传感器。

　　2012 年，Jia 等 人报道了利用一锅法在低温(90 ℃)条件下以维生素 C 为原料，水热合成碳量子点的方法。这种方法得到的碳量子点对 H敏感，可以作为pH 相应的传感器。

　　2016 年，Liu 等 人以氢氧化钠为电解质，水和乙醇作为溶剂，以石墨电极为工作电极，在室温及 4℃的条件下，利用电化学氧化石墨制备出了对铁离子敏感的碳量子点。

生物传感器

　　利用碳量子点的免疫学荧光标记，碳量子点也常被用作基于抗体与 DNA 片段的生物传感器。

　　2011 年，Li 等 人以蜡烛灰为碳源，制备碳量子点，并将其用于 DNA 的检测。原理如下，单链 DNA 与荧光材料 FAM 结合，可以吸附在碳量子点上，不产生荧光。当单链 DNA 遇到目标 DNA 会与碳量子点脱附并形成带有 FAM 的双链 DNA，这种结构会产生荧光，从而确定目标 DNA 的存在。

生物成像

　　碳量子点具有多个优点，包括良好的光学性能和光化学稳定性，水溶性好，而且基本无毒、环境友好。因此，在医学上可以用于细胞成像。

　　2013 年，Hus 等 人通过煅烧绿茶，分散进高纯水中得到碳量子点溶液。这种方法得到的碳量子点溶液可以吸附在细胞 MCF-7 表面，在紫外光下发光。

催化作用

　　由于碳量子点自身特殊的结构，与其紫外吸收和光电效应，使得它在一些化学反应中表现出了催化活性。

　　Liu 等 人利用碳量子点作为催化剂，光催化环己烷和过氧化氢反应制备环己酮，使产率从 15%提高到 63.8%。