碳點（CDs）作為一種新型的碳基納米材料，由於其多樣的物理化學性質和良好的生物相容性、獨特的光學性能、低成本、生態友好性、豐富的官能團（如氨基、羥基、羧基）、高穩定性和電子遷移率等優點，近年來引起了廣泛的研究興趣。
吉林大學楊柏教授等人發表的最新綜述中，在分析CDs的形成機理、微納米結構和性質特點的基礎上，對CDs的分類進行了全面的綜述，並介紹了CDs的合成方法和光學性質，包括強吸收、光致發光和磷光。此外，各種應用領域的最新重大進展，包括光學（傳感器、防偽）、能源（發光二極體、催化、光伏、超級電容器），以及有前途的生物醫學，都得到了系統的強調。最後，作者展望了所面臨的關鍵問題、未來的研究方向和前景，以展示CDs基材料的全貌。相關論文以題目為「Carbon Dots: A New Type of Carbon-Based Nanomaterial with Wide Applications」發表在ACS Central Science期刊上。
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c01306
1. 引言
碳基材料在材料科學的發展中起著重要的作用。從傳統的工業炭（如活性炭、炭黑）到新型工業炭（如碳纖維、石墨）和石墨烯、碳納米管等新型碳納米材料，碳基材料的基礎研究和應用一直是化學、材料等領域的熱點。然而，宏觀碳材料缺乏合適的帶隙，很難成為一種有效的螢光材料。碳點（CDs）是碳家族中一顆新興的新星，由於其優良的可調諧光致發光（PL）、高量子產率（QY）、低毒、小尺寸、良好的生物相容性和豐富的低成本來源而備受關注，在生物醫學、催化、催化等領域具有重要的應用前景。
圖1。CDs的分類：包括石墨烯量子點（GQDs）、碳量子點（CQDs）和碳化聚合物點（CPDs）及其主要製備方法。
2. 光學特性
吸收：不同碳源或不同合成方法製備的CDs具有不同的吸附行為。然而，它們通常在紫外線（UV）區域（200 400 nm）表現出強烈的吸收，尾部延伸到可見光範圍，其中吸收帶被分配到C＝C鍵的π-π*躍遷或C＝O/C＝N鍵的n π*躍遷。
光致發光：與傳統的含鎘/鉛量子點、稀土納米材料、有機染料等螢光材料相比，CDs具有光穩定性好、QY高、毒性低、廉價來源豐富、生物相容性好等優點，在各個領域有著重要的應用。
磷光：室溫磷光（RTP）是CDs吸引人的特性之一，它是由兩個關鍵過程產生的：（i）從最低激發態（S1）到三重態（Tn）的系統間交叉（ISC）和（ii）從最低激發三重態（T1）到基態（S0）的輻射躍遷。
圖2。CDs的合成及其光學性質。（a）紅光發射CPDs和（b）多色CPDs的合成和PL光譜（c）多色CPDs和（d）CQDs的光學性質（e）深紅色發射CPDs的合成和PL光譜。
3. 光學應用
傳感器：CDs由於其固有的螢光性質、靈敏度高、響應快、成本低、製備方法簡單等優點，被廣泛應用於環境或生物體系中各種分析物的檢測。
信息加密：信息加密有助於保護有價值的東西不被複製。與傳統的螢光印刷、等離子防偽標籤等防偽技術相比，CDs具有環保、易操作、設計簡單、成本低廉等特點，為反假冒數據和加密應用提供了一個明智的選擇。
圖3。CDs的光學應用。（a）鋅摻雜CPDs用於EDTA和Zn2+的傳感。（b）CPDs與醫用棉布在不同pH值下的實際應用示意圖和圖像。（c）CPDs從正常細胞分化成各種癌細胞。（d）嗜酸性CPDs螢光圖像鑑別四種細菌的方法。（e）用於數字信息加密的多色RTP光碟。（f）用於圖形安全和數字信息加密的RTP CPDs。（g）基於GQDs的長壽命RTP/TADF的時間分辨信息安全
4. 能源應用
催化作用：CDs因其不同的結構、性質和用途而被提出作為光催化劑、電催化劑和光電催化劑。CDs基發光二極體（CLEDs）: CDs作為一種新興的螢光材料，由於其豐富、發光顏色可調、成本低廉、環境友好等優點，有望取代昂貴的稀土螢光粉和有毒金屬半導體量子點。通常，CDs可以作為電致發光器件中的發光材料或活性層。
太陽能電池：CDs在太陽能電池（SCs）中得到了廣泛的研究，由於CDs具有獨特的光學性質、豐富的官能團（如氨基、羥基、羧基）和高電子遷移率，在各種工作中被發現可以提高效率。超級電容器：超級電容器具有充放電速度快、功率密度高、循環壽命長、能量密度低等特點，限制了其在儲能領域的實際應用。CDs與其他碳材料、聚合物或金屬氧化物雜化以改善超級電容器的電化學性能。
可充電電池：可充電電池被認為是連接可再生能源生產和消費的最有效的儲能技術之一。
5. 生物醫學應用
生物成像：生物成像是一種可以通過探測器和探測器以實時、無創的方式直接可視化生物事件的技術。
光療：光療，包括光動力療法（PDT）和光熱療法（PTT），是一種非侵入性的治療方法，在光敏劑的幫助下，將照射的光轉化為活性氧和熱，誘導癌細胞局部凋亡。
藥物/基因傳遞：除了抗癌光療法外，CDs還可以將成像工具與藥物或基因結合，形成成像引導的納米雜交體，以提高傳遞效率或在治療策略中提供益處。
納米醫學：CDs除了作為載體外，還具有抗菌、抗癌、抗病毒、抗氧化等治療作用。
圖4。CDs在生物成像中的應用。（a）用CPDs、Hoechst或SYTO-RNASelect染色的未固定和固定HeLa細胞的共聚焦圖像。（b）不同微生物種類生物膜的CPDs染色。（c）深紅色發射式CPDs用於胃成像。（d）不同時間點靜脈注射深紅色放射狀CPDs裸鼠體內顯像。（e）不同時間點靜脈注射紅色放射狀CPDs的裸鼠離體實時顯像。
6. 當前挑戰與展望
CDs的製備方法簡單、環保、製備方法多樣、光電性能優良、成本低廉、具有良好的生物相容性，使其在光學、能源、生物醫學等領域得到廣泛應用。CDs在合成策略、結構、性質、機理研究和應用開發等方面取得了很大進展。這些令人鼓舞的研究結果表明，CDs可以提供許多特殊的機會來研究在多學科環境中觀察到的新現象和新特性，儘管還有許多關鍵問題有待解決。（文：愛新覺羅星）
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