Small Methods: 碳点研究进展及其在分析检测领域中的应用

碳点(Carbon dot)是一种新型的零维荧光纳米材料,尺寸通常小于10 nm,其核含有sp2杂化的碳原子,表面可能有氨基、醚基、羰基、羟基和羧基等官能团。它具有生物相容性好、荧光量子产率高、化学稳定性高、极少光漂白和眨眼现象等特性,优于传统的硒化镉等半导体量子点。通常,碳点制备方法有两种:(1)以大体积碳材料(如石墨)为原料的“自上而下”方法;(2)以含碳小分子物质为原料的“自下而上”方法。 在“自下而上”方法中,有机小分子、植物、聚合物和有机废物等经过脱水、聚合、碳化和钝化过程均可加工制成碳点。其中,水热法、微波法和电化学方法因简单、成本低等特点得到广泛使用。元素掺杂能够改变碳骨架基质、化学结构和能隙,从而可以调节碳点荧光性质。在合成过程中,掺杂氮、硫等元素能调节碳点的荧光发射波长至红光、近红外光区域,有效提高碳点的荧光量子产率。虽然碳点的制备和应用研究已经逐渐趋于成熟,但是其荧光机理非常复杂,至今仍然没有通用的理论可以解释。

碳点由于自身强荧光特性在分析检测领域具有很大的应用价值,已经用于Fe3+、 Cu2+、Hg2+、半胱氨酸、谷胱甘肽、血红素等金属离子、不同分子量的有机物质及微生物、癌细胞的高灵敏度和高选择性检测。已报道的检测策略包括“On-off”、“ On-off-on”、“Turn-on”等。碳点对分析物的高选择性识别源自于原料分子碳化后残留在表面的化学基团或者源自于表面修饰的抗体、核酸适配体等;前者对响应目标具有不可预知性。由于有些碳点的荧光具有波长依赖性,应用此类碳点可实现对细菌、动植物细胞的多色荧光成像,而其他荧光染料或材料是很难实现的。用不同尺寸、电荷和表面分子的碳点可对细胞器进行选择性荧光染色,有些碳点甚至具有进入细胞核的能力。发射红光和近红外光荧光的碳点已证实在活体荧光成像上非常有应用潜力。

相关内容以综述形式发表在Small Methods杂志上,题目为Recent advances and sensing applications of carbon dots ,doi:10.1002/smtd.201900387。第一作者为中南林业科技大学的许东副教授,通讯作者为台湾大学的张焕宗教授和中南林业科技大学的林亲录教授。