NML综述 | 碳点的绿色合成、发光特性及其生物医学传感应用

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Biogreen Synthesis of Carbon Dots for Biotechnology and Nanomedicine Applications

Kok Ken Chan, Stephanie Hui Kit Yap, Ken-Tye Yong

Nano-Micro Lett. (2018) 10:72

http://doi.org/10.1007/s40820-018-0223-3

本文亮点

1   详细介绍了碳点的合成、性质与光致发光机理。

2  总结了基于碳点的传感器以及探测机理。

3   介绍了碳点在探测多种分析对象中的普适性。

内容简介

在过去的十年中，碳点由于其优异的光致发光性质，以及容易通过掺杂和官能化调制其光学性能的特点，在纳米药物、太阳能、光电子学、能源储存以及传感等诸多领域引发了广泛兴趣。

新加坡南洋理工大学Yong Ken Tye 副教授从以下几个方面进行了综述：1.总结了碳点的合成、结构、光学性质与光致发光机理；2.阐述了一系列碳点传感器的设计及其传感机制；3.详细描述了碳点传感器在高选择性和灵敏度检测各种分析物中的最新研究进展，包括检测重金属、阳离子、阴离子、生物分子、生物标记物、硝基芳香爆炸物、污染物、维生素和药物等；4.总结并展望了碳点传感器在现实生活中的应用现状、挑战和未来发展方向。

图文导读

1 碳点的制备

1.1 激光烧蚀法

用于生产碳点的激光烧蚀技术是由Sun等人首先报道的。该工作中，碳点通过由石墨粉和水泥热压制成的碳靶暴露在激光烧蚀下产生，这一过程中水蒸气和氩气作为载气。制备的碳点用二胺封端的聚乙二醇钝化，可在可见光范围和近红外区域产生光致发光。

▲图1 钝化的碳点水溶液光致发光

1.2    电化学法

典型的碳点电化学合成装置是一个三电极体系，包括碳前驱体作为工作电极，对电极和参比电极。

施加电压对碳量子点（CQDs）物理和光学特性有特定影响。CQD的平均尺寸在3 V下制备的是2.9 nm，而在7 V下是5.2 nm。而且，CQDs的光致发光量子产率(PLQY)在施加不同电压合成时也有不同。

CQD对铁离子具有高度特异性，因此可能被用作荧光传感器来检测环境中的铁离子和以及生物成像。

▲ 图2  通过在碱性醇中电化学氧化石墨电极产生碳量子点的示意图。室温储存期间的分散液的颜色变化是由于表面物质的氧化作用。

2  传感器应用

2.1 铁离子检测

▲ 图3 水热处理柠檬酸来制备碳点并基于聚集诱导发光效应来对铁离子进行传感

2.2 铜离子传感

▲ 图4 使用滤纸印刷的双色碳点来视觉检测二价铜离子，可适用于自来水和湖水。所有图像均在365nm照射下拍摄。

2.3 汞离子检测

碳点在470和678 nm处出现双发射峰，源自于碳点的内在结构和叶绿素衍生的卟啉。Hg离子淬灭了678nm处的荧光，470 nm处的发射强度仅受到部分影响。两个发射带的荧光强度比为与汞离子浓度呈线性关系。

▲ 图5 双发射碳点的制备示意图及其作为汞离子比率传感器的应用。

2.4 维生素以及药物检测

机理为碳点的荧光被三价铁离子淬灭。但是由于存在三价铁和抗坏血酸的电对反应，荧光随着抗坏血酸浓度的增加而逐渐恢复，这个传感系统报告的LOD为4.69 μmol/L，线性范围为10-200 μmol/L。

▲ 图6 用于检测水果中抗坏血酸的N，S共掺杂碳点的示意图。

作者简介

• 主要研究方向

生物光子学、纳米医学、BioMEMS以及用于癌症检测和治疗的纳米技术方法。

• 主页链接

http://research.ntu.edu.sg/expertise/academicprofile/pages/StaffProfile.aspx?ST_EMAILID=KTYONG

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