吉林大学杨柏教授最新综述：碳点（CDs）

吉林大学杨柏教授等人最新发表的综述中，在分析CDs的形成机制、微纳结构和性能特征的基础上，对CDs的分类、合成方法和性能进行了全面的综述。介绍了CD的光学特性。 ，包括强吸收、光致发光和磷光。 此外，还系统地重点展示了光学（传感器、防伪）、能源（发光二极管、催化、光伏、超级电容器）以及前景广阔的生物医学等各个应用领域的最新重大进展。 最后，作者展望了所面临的关键问题、未来的研究方向和展望，以展现光盘材料的全貌。 相关论文以“Dots: A New Type of -Based with Wide”为题发表在 ACS 期刊上。

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1 简介

碳基材料在材料科学的发展中发挥着重要作用。 从传统工业炭（如活性炭、炭黑）到新型工业炭（如碳纤维、石墨）以及石墨烯、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处于起步阶段。化学、材料等领域热点。 然而，宏观碳材料缺乏合适的带隙，难以成为有效的荧光材料。 碳点（CDs）是碳家族中的一颗新兴明星，由于其优异的可调谐光致发光（PL）、高量子产率（QY）、低毒性、尺寸小、生物相容性好、储量丰富等优点，作为一种低成本的材料而备受关注。来源，在生物医学、催化、催化等领域具有重要的应用前景。

图1 CD的分类：包括石墨烯量子点（GQD）、碳量子点（CQD）和碳化聚合物点（CPD）及其主要制备方法。

2. 光学特性

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

光致发光：与镉/铅量子点、稀土纳米材料、有机染料等传统荧光材料相比，CDs具有光稳定性好、QY高、毒性低、来源丰富、廉价、生物相容性好的优点。 ，在各个领域都有重要的应用。

磷光：室温磷光（RTP）是碳点的有吸引力的特性之一，它产生于两个关键过程：（i）从最低激发态（S1）到三重态（Tn）的系间交叉（ISC）和（ii） ) 从最低激发三重态 (T1) 到基态 (S0) 的辐射跃迁。

图 2.CD 的合成及其光学特性。 (a) 红光发射 CPD 和 (b) 多色 CPD 的合成和 PL 光谱 (c) 多色 CPD 和 (d) CQD 的光学特性 (e) 深红光发射 CPD 的合成和 PL 光谱。

3. 光学应用

传感器：CD由于其固有的荧光特性、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系统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内容不被复制。 与荧光印刷、等离子防伪标签等传统防伪技术相比，光盘环保、操作方便、设计简单、成本低廉，为防伪数据和加密应用提供了明智的选择。

图 3.CD 的光学应用。 (a) 用于 EDTA 和 Zn2+ 传感的锌掺杂 CPD。 (b)不同pH值下CPD和医用棉实际应用的示意图和图像。 (c) CPDs 从正常细胞分化成各种癌细胞。 (d) 使用嗜酸性 CPD 的荧光图像识别四种细菌的方法。 (e) 用于数字信息加密的多色 RTP 盘。 (f) 用于图形安全和数字信息加密的 RTP CPD。 (g) 基于GQD的长寿命RTP/TADF的时间分辨信息安全

4. 能源应用

催化作用：由于CDs具有不同的结构、性能和用途碳的化学性质，因此被提出作为光催化剂、电催化剂和光电催化剂。 CD基发光二极管（CLED）：作为一种新兴的荧光材料，CD由于其丰富性、发光颜色可调、成本低、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。 一般来说，CD可用作电致发光器件中的发光材料或有源层。

太阳能电池：CD由于其独特的光学性质、丰富的官能团（如氨基、羟基、羧基）和高电子迁移率，在太阳能电池（SC）中得到了广泛的研究，并在各种工作中被发现。 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。 CD与其他碳材料、聚合物或金属氧化物混合，以提高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：生物成像是一种使用探针和探测器以实时、非侵入性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），是一种非侵入性治疗方法，借助光敏剂，将照射的光转化为活性氧和热量，诱导癌细胞局部凋亡。

药物/基因递送：除了抗癌光疗之外，CD还可以将成像工具与药物或基因结合起来，形成成像引导的纳米混合体，以提高递送效率或在治疗策略中提供益处。

纳米医学：CD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.CD 在生物成像中的应用。 (a) 用 CPD 染色或 SYTO 染色的未固定和固定 HeLa 细胞的共焦图像。 (b) 不同微生物物种生物膜的 CPD 染色。 (c) 用于胃成像的深红色发射 CPD。 (d) 裸鼠在不同时间点静脉注射深红色径向 CPD 的体内成像。 (e) 裸鼠在不同时间点静脉注射红色放射状 CPD 的离体实时成像。

六、当前挑战与前景

CDs的制备方法简单、环境友好、制备方法多样、光电性能优异、成本低廉、生物相容性好，使其广泛应用于光学、能源、生物医学等领域。 CDs在合成策略、结构、性能、机理研究和应用开发等方面取得了巨大进展。 这些令人鼓舞的发现表明，CD 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特性，尽管许多关键问题仍有待解答。 （文：爱新觉罗·邢）