汪晨凱（沈陽(yáng)師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110000）

在各種各樣的碳納米材料里，碳量子點(diǎn)由于特殊的熒光性而備受關(guān)注。碳量子點(diǎn)，是一種新型零維的碳納米材料。它是Xu 和Ray 的團(tuán)隊(duì)利用電弧放電法制備碳納米管時(shí)無(wú)意中發(fā)現(xiàn)的。碳量子點(diǎn)是懸浮在溶劑里的直徑小于10納米的碳納米材料，其外形通常為準(zhǔn)球形，表面含有各式各樣的基團(tuán)。碳納米點(diǎn)不僅具有特殊的熒光性，還有出彩的生物兼容性，無(wú)毒，易修飾和易功能化等優(yōu)點(diǎn)。因此碳量子點(diǎn)在光傳感器，光催化，太陽(yáng)能電池，生物成像等領(lǐng)域有著極好的應(yīng)用前景。

1 碳量子點(diǎn)的制備方法

碳量子點(diǎn)目前有兩種大的方法制備，其一是Top-Down，就是選擇比較大直徑的碳源通過(guò)打碎等方法使其變成小尺度的碳材料，如電弧放電法，激光灼燒法等。其二是Bottom-Up，即由小尺度的碳基材如蛋白質(zhì)等經(jīng)過(guò)聚合而形成。常見(jiàn)的如水熱法，微波加熱法等

1.1 水熱法

2010年，首次使用水熱法制出了碳量子點(diǎn)。他們使用有機(jī)溶劑作為反應(yīng)的溶劑，加入低分子量的碳源，用高溫和高壓的手段使之聚合成碳量子點(diǎn)。2010 年，B Zhang，M Wang 等人使用維生素C為碳源，酒精溶液為溶劑，聚合出碳量子點(diǎn)，但其碳點(diǎn)產(chǎn)率僅僅6%。水熱法的后期處理反應(yīng)液比較復(fù)雜，但是它操作簡(jiǎn)便，條件可控制，所以成功的案例很多，如以橘子汁，蠶絲為原料制備具有熒光性的碳點(diǎn)，但這些案例的最終產(chǎn)率都比較低。近年來(lái)，隨著進(jìn)一步的研究，水熱法也得到了一些延伸，如改變水溶液的酸堿性，使用一些有機(jī)溶液代替水，如DMF等，往往這些溶劑可以在碳量子點(diǎn)的形成里起到不錯(cuò)的效果。

1.2 煅燒法

煅燒法由于碳源便宜易得，且制備方法簡(jiǎn)單，在近幾年的案例比較多，但是這種方法制備的碳量子點(diǎn)熒光性稍顯不足，需要后期進(jìn)行修飾才能展現(xiàn)其熒光性。2008 年，A B Bourlions和A Stassinopoulos等人首次用有機(jī)物做前驅(qū)體，利用煅燒法制備出碳量子點(diǎn)，但其產(chǎn)率只有3%，其產(chǎn)物直徑在5-9納米間，但對(duì)產(chǎn)物的體貌不能控制。這種方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)率低，能耗大。

1.3 微波法

微波法是把小分子的碳溶解在水里，將溶液放置在加熱容器里，并用微波爐加熱反應(yīng)，得到碳量子點(diǎn)產(chǎn)物。此方法最早是Yang 的小組最先開(kāi)始應(yīng)用的，將PEG 和糖類物質(zhì)溶解在水里，最開(kāi)始溶液是無(wú)色透明的，然后放到微波爐里加熱，溶液漸漸變成黑褐色，此時(shí)已經(jīng)有碳量子點(diǎn)生成了，隨著反應(yīng)時(shí)間的不同，他們發(fā)現(xiàn)得到的碳量子點(diǎn)的尺度會(huì)隨著加熱時(shí)間的增長(zhǎng)而增加，其熒光效應(yīng)的性能也會(huì)隨之改變。這種方法制得的碳量子點(diǎn)水溶液可以作為一種新型的熒光油墨，被廣泛的應(yīng)用在信息加密，生物識(shí)別，防偽等多個(gè)領(lǐng)域。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間不長(zhǎng)，成本低，原料常見(jiàn)等，缺點(diǎn)是產(chǎn)物顆粒的直徑分布不均勻。

1.4 電化學(xué)法

2007 年，Zhou 等人用多壁碳納米管為工作電極，含四丁基高氯酸氨的乙腈溶液為電解液，成功的從碳納米管上剝離出了2.8納米的碳量子點(diǎn)，其產(chǎn)率約6.4%。但是由于工藝復(fù)雜，反應(yīng)條件惡劣，不適合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，且使用了對(duì)生物有毒害的重金屬電解質(zhì)，因而沒(méi)有被廣泛的應(yīng)用。2012 年，有人使用純水作為電解液實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的制備碳量子點(diǎn)，并且簡(jiǎn)化了部分操作，因此這種方法才被越來(lái)越多的小組應(yīng)用。

2 碳量子點(diǎn)的性質(zhì)

碳量子點(diǎn)具有很多出色的性質(zhì)，使其在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的研究逐年增多。碳量子點(diǎn)具有①量子點(diǎn)的性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，介電限域效應(yīng)，量子隧道效應(yīng)。②光學(xué)性質(zhì)，如光學(xué)穩(wěn)定性，發(fā)射波長(zhǎng)可調(diào)，熒光效應(yīng)。③其他性質(zhì)還有良好的生物相容性，快速光生電子傳遞，電子儲(chǔ)存性能等。

2.1 熒光性

熒光性是碳量子點(diǎn)最重要的性質(zhì)之一，碳量子點(diǎn)的熒光性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是熒光亮度，量子產(chǎn)率是其重要的指標(biāo)，量子產(chǎn)率越高表現(xiàn)為全部激發(fā)態(tài)分子里通過(guò)發(fā)射熒光回到基態(tài)的分子占比越高。其二是熒光穩(wěn)定性，這是碳量子點(diǎn)的一個(gè)重要的性質(zhì)，熒光穩(wěn)定性主要是指在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)激發(fā)而保持熒光發(fā)射強(qiáng)度的性質(zhì)，目前所有合成出來(lái)的碳量子點(diǎn)基本都具有良好的熒光穩(wěn)定性，一般在激光激發(fā)后能持續(xù)3-6個(gè)月。

2.1.1 碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理

碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理是發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)以來(lái)人們一直研究的重點(diǎn)。但時(shí)至今日，人們對(duì)碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理一直處于假說(shuō)的狀態(tài)，沒(méi)有找到一個(gè)人們都認(rèn)同的解釋。幾個(gè)主流的假說(shuō)是：電子躍遷發(fā)光，表面芳環(huán)結(jié)構(gòu)，表面缺陷理論等。

電子躍遷論是人們最認(rèn)可的一種解釋，當(dāng)碳量子點(diǎn)受到激光的激發(fā)，會(huì)吸收一部分能量，處于基態(tài)的電子會(huì)躍遷到激發(fā)態(tài)，當(dāng)激發(fā)光源停止照射，激發(fā)態(tài)的電子會(huì)趨向于低能穩(wěn)定，便會(huì)躍遷回到基態(tài)，其釋放的能量便會(huì)以熒光的形式表現(xiàn)出來(lái)。之所以這種解釋被廣泛的接受是因?yàn)槿藗儗?duì)碳量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率和熒光壽命測(cè)試，計(jì)算出了碳量子點(diǎn)輻射躍遷的速率，計(jì)算出的速率與電子躍遷的速率基本一致，從而認(rèn)為熒光是由電子躍遷引發(fā)的。

表面缺陷論是人們根據(jù)金屬量子點(diǎn)和半導(dǎo)體量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理演化過(guò)來(lái)的。碳量子點(diǎn)制備過(guò)程中會(huì)形成很多的表面缺陷，由于量子力學(xué)的尺度效應(yīng)，缺陷處會(huì)形成電子和空穴，當(dāng)收到激發(fā)光源的照射后，缺陷中的電子便會(huì)和空穴分離躍遷到激發(fā)態(tài)，停止照射后便會(huì)回到空穴中，從而釋放能量形成熒光。

2.1.2 碳量子點(diǎn)熒光色彩的調(diào)控

早先人們合成出來(lái)的碳量子點(diǎn)一般都呈現(xiàn)出液態(tài)藍(lán)色的熒光，由于顏色單一，限制了其的應(yīng)用。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了一些特殊熒光性能的碳量子點(diǎn)，拓寬了碳量子點(diǎn)的應(yīng)用。Lin 等人使用鄰苯二胺，間苯二胺，對(duì)苯二胺為碳源，用水熱法在相同的條件下制備出發(fā)射紅，綠，藍(lán)三種顏色熒光的碳量子點(diǎn)，Yuan等人則用檸檬酸和二氨苯萘的同分異構(gòu)體為碳源，制出了藍(lán)色到紅色的明亮多色熒光碳量子點(diǎn)。可見(jiàn)，碳源是熒光色彩的調(diào)控中起很大的作用。反應(yīng)溶劑，反應(yīng)初始的pH 值，溫度，反應(yīng)的方法都是影響熒光色彩的因素。

2.2 生物相容性

低毒性和良好的生物相容性，使得碳量子點(diǎn)在生物領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。目前大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明碳量子點(diǎn)能很好的融入生物體內(nèi)且對(duì)生物體無(wú)毒無(wú)害，并且小白鼠試驗(yàn)表明，碳量子點(diǎn)的毒性基本取決于表面鈍化劑。由于其穩(wěn)定的發(fā)光性質(zhì)，因此在醫(yī)學(xué)的體內(nèi)成像領(lǐng)域有著廣泛的研究，如細(xì)胞成像，細(xì)胞標(biāo)記等。碳量子點(diǎn)還被用來(lái)做生物傳感器的載體，并用來(lái)檢測(cè)葡萄糖，細(xì)胞銅等含量，但是目前對(duì)于碳量子點(diǎn)在體內(nèi)的吸收和作用機(jī)制依舊處在較為淺顯的研究，因此還需要做更深入的探索

3 結(jié)語(yǔ)

文章探討了幾種新型的碳量子點(diǎn)的制備方法，碳量子點(diǎn)的兩種重要性質(zhì)。碳量子點(diǎn)在未來(lái)的應(yīng)用前景很美好，目前人們對(duì)碳量子點(diǎn)的合成方案還有很多缺點(diǎn)和不足，對(duì)碳量子點(diǎn)的性質(zhì)還是處于研究當(dāng)中，希望今后人們能找出更出色的制備方法，掌握碳量子點(diǎn)的性質(zhì)，能夠讓新材料更好的應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。