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碳量子點(carbondots，CDs) 熒光碳點 激發380 發射459nm

熒光碳點是一種零維的半導體納米材料，尺寸一般小于10nm，由一些分子或原子組成,2004年，Xu課題組在制備單壁碳納米時意外發現具有藍色熒光性能的碳納米粒子，這一發現開啟了碳納米粒子制備、性能與應用研究的大門。2006年，Sun課題組率先制備出的熒光碳納米顆粒，在光致激發下能發出明亮的熒光，被稱為碳點(CDs)。研究發現熒光碳點具有良好的熒光特性、高度的穩定性、低毒性，并且無光漂白，以及熒光發射譜可隨激發波長的變動而調節等優點。熒光碳點絕佳的生物兼容性、環境友好性等一系列優點不斷吸引著人們，使其在光學生物成像和生物醫學應用上也顯示出重要的應用價值。

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我們除了可以提供碳量子點外我們還可以提供硫量子點（藍光），黑鱗量子點，石墨烯量子點，稀土上轉換發光材料，熒光量子點，熒光性聚膦腈納米，中空熒光性聚膦腈納米，二硫化鉬納米片分散液，二硫化鎢納米片分散液，納米金石墨烯，四氧化三鐵石墨烯等等

碳量子點的應用

作為新型的零維碳納米材料，CDs不僅具有良好水溶性和生物相容性等特點，還擁有發光強度大、發光范圍可調、雙光子吸收截面大、光穩定性好、無光閃爍、易于功能化、價格便宜、易大規模合成等無可比擬的優勢，使其在生物成像、傳感器、光催化、太陽能電池等領域有著良好的應用前景。

3.1 生物成像和生物細胞標記

目前已有許多傳統半導體量子點或者有機熒光染料被應用于生物成像、生物細胞標記。遺憾的是，無論是傳統半導體量子點還是熒光染料，它們對細胞都具有一定的生物毒性，不利于細胞生長，容易導致細胞死亡，限制了它們在生物檢測和細胞成像方面的應用。相對于傳統半導體量子點或者有機熒光染料，CDs具有良好光學特性和細胞低毒性，使得其在生物成像、生物細胞標記方面受到高度關注。通常被用于生物體及細胞成像的CDs，粒徑都較小，低毒且易于排出體外，可作為生物體及細胞成像的理想材料。

3.2 傳感器

(1)熒光傳感器

熒光光譜法因其儀器操作簡便、靈敏度較好等優點而備受研究學者的喜愛。由于CDs的發光性質與其表面的結構有關，通過CDs與待測物質之間的作用，從而改變表面電子空穴對之間的復合效率，使體系的熒光信號發生增強或猝滅，據此可實現對待測物質的定性和定量分析。

圖7 Zr(CDs-COO)₂EDTA開關式熒光探針測定F-機理^[7]

圖8 CDs-BSA-Lys熒光探針測定Cu²⁺機理^[8]

細胞內的pH值對細胞間信號傳導、鈣濃度調節、離子傳輸和體內平衡至關重要。異硫氰酸酯(FITC)的熒光特性與pH有關，FITC-CDs的熒光比率在pH 5-8之間呈線性變化，因此很適合于制作細胞內pH傳感器。

圖9 雙光子pH傳感器CDs-TPY(三聯吡啶)探針示意圖^[9]

目前，CDs在熒光中的應用已經越來越廣，除了應用于上述的 Cu²⁺、F^-以及DNA的檢測外，還適用于其他物質的檢測，表1顯示了近年來部分基于CDs材料的熒光法檢測。

表1 基于CDs的熒光法傳感器^[1]

(2)電化學分析

電化學分析方法具有靈敏度高、選擇性好等優點，同時，電化學生物傳感器可以實現對活體進行分析，因此電化學分析法在生物、環境等領域得到了廣泛放入應用。作為碳納米材料之一，CDs也具有碳納米材料特有的一些性質，比如導電性好，比表面積大等優點。相比于其他碳納米材料，CDs具有合成方法簡便、水溶性好、毒性低和生物相容性好等優點。因此，CDs是一種較為理想的納米電極材料。

圖10 rGO-CDs的合成及DA的電化學檢測機理^[10]

DA分子內存在的苯環容易與rGO形成π-π作用，而rGO具有良好的導電性和氧化性，CDs又含有大量的羧基和羥基具有較好的分散性和吸附相容性，所以rGO-CDs能夠進一步增強對DA檢測的選擇性及體系的靈敏性。同時利用CDs與多壁碳納米管 ( MWCNTs)層層自組裝形成MWCNTs-CDs-MWCNTs復合納米材料并修飾于電極表面，用于同時檢測鄰、對、間苯二酚。MWCNTs具有非常好的導電性和導熱性，同時還具有極高的強度和韌性，是修飾電極的好材料，但由于其在電極表面的吸附能力差并且排列混亂，往往修飾電極檢測效果不佳。由于CDs具有較好的分散性和吸附相容性，使修飾了氨基的MWCNTs與CDs的羧基相互作用，CDs的靜電連接作用使MWCNTs的層與層之間有序的結合，增加了MWCNTs的比表面積和導電能力，MWCNTs之間的有序排列并形成一定的空隙，使MWCNTs- CDs的導電性、選擇性和氧化還原性能顯著提高，能有效地實現對鄰苯二酚、對苯二酚和間苯二酚的同時測定。

表2 基于CDs的電化學傳感器^[1]

CDs不僅具有良好的電化學信號，還具有石墨烯等碳納米材料所不具備的一些性質：良好的發光性。利用這兩種特性，CDs在電化學發光分析(ECL)中也得到了廣泛的應用。隨著研究的不斷深入，靈敏度高，準確性好的基于CDs的電化學發光傳感器將被不斷地研究開發。

(3)電催化

隨著納米科學地不斷進步，環保、經濟的新型光催化劑備受青睞，特別是在帶隙能量、化學成分和表面改性方面。CDs具有尺寸依賴性，良好的上轉換發光性質，且響應波長從近紅外區延伸到藍色、可見光區，使其具有優異的光催化性能。例如CDs /TiO₂、CDs /ZnO等復合材料。

圖11 石墨烯量子點GQDs(CDs的一種)光催化的多敏化模型^[11]

CDs /TiO₂與純TiO₂比較，在全光譜下的光催化速率提高2倍，在可見光下的光催化速率提高6倍。CDs /TiO₂復合材料能夠大大地提高體系的光催化效率，主要原因有：一方面是CDs可以作為電荷存儲器，減少TiO₂表面電子-空穴的復合；另一方面是CDs具有良好的上轉換特性，能夠吸收400-600 nm的可見光，并將其轉換為300-400 nm的紫外光，從而激發了TiO₂產生電子-空穴對，而電子空穴能夠吸收氧化劑或還原劑(通常是O₂/OH^-)，產生活性自由基(如O₂^-，OH)，從而提高對有機染料降解能力。

CDs /ZnO材料作為光催化劑，光催化降解有毒氣體(苯和甲醇)，CDs在增強材料的光催化性能方面發揮重要的作用。首先，CDs負載在ZnO表面形成dyade結構，在可見光照射下可誘導電荷發生轉移。在dyade 結構中，CDs上的光誘導電子處于電子轉移中間態，而在ZnO上的空穴仍保持電子結構，這個過程可以有效抑制電子-空穴對復合，同時通過CDs表面吸附的O₂與CDs上的電子組合形成超氧自由基(O₂^-)，確保在可見光激發下光生電子和空穴具有高效反應活性。其次，利用CDs的上轉換特性，將吸收的長波長的光轉換成短波長的光反過來激發ZnO，從而形成電子-空穴對。最后，在苯的降解過程中，CDs和苯環的π-π共軛作用有利于苯在CDs /ZnO納米復合材料表面的聚集，克服了有機污染物在材料表面覆蓋率低的瓶頸。通過以上三步的協同作用，CDs/ZnO納米復合材料較未修飾的ZnO具有更高的光催化活性。

同時，基于CDs的其他復合材料(如：CDs/C₃N₄、CDs/Fe₂O₃，CDs/Ag /Ag₃PO₄，CDs/Cu₂O等)在光催化方面也得到了良好的應用。

(4)太陽能電池

由于CDs具有寬吸收窄發射特性、優異的光電轉換性能以及高的電子遷移率，使其在太陽能電池方面得到了廣泛的應用。CDs一般用于染料敏化太陽能電池中。

(5)發光二極管

作為新型非金屬發光材料，CDs在發光二極管(LED)等中也得到了廣泛的應用。三基色的CDs制備，即：由鄰苯二胺制備出發綠光的CDs，由間苯二胺制備出發藍光的CDs，由對苯二胺制備出發紅光的CDs。通過調節不同比例的三種CDs，制備出多種顏色的PVA膜，其為制備三基色的CDs在LED上的應用提供了可能性。