吉林大学杨柏团队综述：碳点，一种应用广泛的新型碳基纳米材料！

碳点（CDs）作为一种新型的碳基纳米材料，由于其多样的物理化学性质和良好的生物相容性、独特的光学性能、低成本、生态友好性、丰富的官能团（如氨基、羟基、羧基）、高稳定性和电子迁移率等优点，近年来引起了广泛的研究兴趣。

吉林大学杨柏教授等人发表的最新综述中，在分析CDs的形成机理、微纳米结构和性质特点的基础上，对CDs的分类进行了全面的综述，并介绍了CDs的合成方法和光学性质，包括强吸收、光致发光和磷光。此外，各种应用领域的最新重大进展，包括光学（传感器、防伪）、能源（发光二极管、催化、光伏、超级电容器），以及有前途的生物医学，都得到了系统的强调。最后，作者展望了所面临的关键问题、未来的研究方向和前景，以展示CDs基材料的全貌。相关论文以题目为“Carbon Dots: A New Type of Carbon-Based Nanomaterial with Wide Applications”发表在ACS Central Science 期刊上。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c01306

1. 引言

碳基材料在材料科学的发展中起着重要的作用。从传统的工业炭（如活性炭、炭黑）到新型工业炭（如碳纤维、石墨）和石墨烯、碳纳米管等新型碳纳米材料，碳基材料的基础研究和应用一直是化学、材料等领域的热点。然而，宏观碳材料缺乏合适的带隙，很难成为一种有效的荧光材料。碳点（CDs）是碳家族中一颗新兴的新星，由于其优良的可调谐光致发光（PL）、高量子产率（QY）、低毒、小尺寸、良好的生物相容性和丰富的低成本来源而备受关注，在生物医学、催化、催化等领域具有重要的应用前景。

图1。CDs的分类：包括石墨烯量子点（GQDs）、碳量子点（CQDs）和碳化聚合物点（CPDs）及其主要制备方法。

2. 光学特性

吸收：不同碳源或不同合成方法制备的CDs具有不同的吸附行为。然而，它们通常在紫外线（UV）区域（200−400 nm）表现出强烈的吸收，尾部延伸到可见光范围，其中吸收带被分配到C＝C键的π-π*跃迁或C＝O/C＝N键的n−π*跃迁。

光致发光：与传统的含镉/铅量子点、稀土纳米材料、有机染料等荧光材料相比，CDs具有光稳定性好、QY高、毒性低、廉价来源丰富、生物相容性好等优点，在各个领域有着重要的应用。

磷光：室温磷光（RTP）是CDs吸引人的特性之一，它是由两个关键过程产生的：（i）从最低激发态（S1）到三重态（Tn）的系统间交叉（ISC）和（ii）从最低激发三重态（T1）到基态（S0）的辐射跃迁。

图2。CDs的合成及其光学性质。（a）红光发射CPDs和（b）多色CPDs的合成和PL光谱（c）多色CPDs和（d）CQDs的光学性质（e）深红色发射CPDs的合成和PL光谱。

3. 光学应用

传感器：CDs由于其固有的荧光性质、灵敏度高、响应快、成本低、制备方法简单等优点，被广泛应用于环境或生物体系中各种分析物的检测。

信息加密：信息加密有助于保护有价值的东西不被复制。与传统的荧光印刷、等离子防伪标签等防伪技术相比，CDs具有环保、易操作、设计简单、成本低廉等特点，为反假冒数据和加密应用提供了一个明智的选择。

图3。CDs的光学应用。（a）锌掺杂CPDs用于EDTA和Zn²⁺的传感。（b）CPDs与医用棉布在不同pH值下的实际应用示意图和图像。（c）CPDs从正常细胞分化成各种癌细胞。（d）嗜酸性CPDs荧光图像鉴别四种细菌的方法。（e）用于数字信息加密的多色RTP光盘。（f）用于图形安全和数字信息加密的RTP CPDs。（g）基于GQDs的长寿命RTP/TADF的时间分辨信息安全

4. 能源应用

催化作用：CDs因其不同的结构、性质和用途而被提出作为光催化剂、电催化剂和光电催化剂。CDs基发光二极管（CLEDs）: CDs作为一种新兴的荧光材料，由于其丰富、发光颜色可调、成本低廉、环境友好等优点，有望取代昂贵的稀土荧光粉和有毒金属半导体量子点。通常，CDs可以作为电致发光器件中的发光材料或活性层。

太阳能电池：CDs在太阳能电池（SCs）中得到了广泛的研究，由于CDs具有独特的光学性质、丰富的官能团（如氨基、羟基、羧基）和高电子迁移率，在各种工作中被发现可以提高效率。超级电容器：超级电容器具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、能量密度低等特点，限制了其在储能领域的实际应用。CDs与其他碳材料、聚合物或金属氧化物杂化以改善超级电容器的电化学性能。

可充电电池：可充电电池被认为是连接可再生能源生产和消费的最有效的储能技术之一。

5. 生物医学应用

生物成像：生物成像是一种可以通过探测器和探测器以实时、无创的方式直接可视化生物事件的技术。

光疗：光疗，包括光动力疗法（PDT）和光热疗法（PTT），是一种非侵入性的治疗方法，在光敏剂的帮助下，将照射的光转化为活性氧和热，诱导癌细胞局部凋亡。

药物/基因传递：除了抗癌光疗法外，CDs还可以将成像工具与药物或基因结合，形成成像引导的纳米杂交体，以提高传递效率或在治疗策略中提供益处。

纳米医学：CDs除了作为载体外，还具有抗菌、抗癌、抗病毒、抗氧化等治疗作用。

图4。CDs在生物成像中的应用。（a）用CPDs、Hoechst或SYTO-RNASelect染色的未固定和固定HeLa细胞的共聚焦图像。（b）不同微生物种类生物膜的CPDs染色。（c）深红色发射式CPDs用于胃成像。（d）不同时间点静脉注射深红色放射状CPDs裸鼠体内显像。（e）不同时间点静脉注射红色放射状CPDs的裸鼠离体实时显像。

6. 当前挑战与展望

CDs的制备方法简单、环保、制备方法多样、光电性能优良、成本低廉、具有良好的生物相容性，使其在光学、能源、生物医学等领域得到广泛应用。CDs在合成策略、结构、性质、机理研究和应用开发等方面取得了很大进展。这些令人鼓舞的研究结果表明，CDs可以提供许多特殊的机会来研究在多学科环境中观察到的新现象和新特性，尽管还有许多关键问题有待解决。（文：爱新觉罗星）