收性等），提出了用离子液来替代有机溶剂， 用辅助电化学法剥脱石墨电极合成了 CDs。该方法相对环保，而且实验研究表明，只要 通过改变离子液与水的比例就可以合成出不同形态的碳纳米材料，并可实现CDs的荧光发射波长从紫外区到可见光区的调控。
2.2.4 电弧放电法
在2004 年，Xu 等[16]首次通过从上到下（电弧放电）的方法，在不经意间发现由电泳分离可得到不同大小和分子量的碳管颗粒，在 2006 年，孙亚平课题组用激光剥蚀石墨产生的足够小的碳颗粒，然后被聚合物包裹后，就能得到在可见区域荧光可调的碳颗粒，我们把它称之为碳量子点。如果进一步改进了上面的方法，把碳量子点的合成和表面钝化同时进行，在2007 年 Zhou 等第一次利用多壁碳纳米管作为电极通过电化学法合成了粒径~3 nm 的碳量子点。其他研究组通过改变前驱物和电解液等制备具有光致发光和电致发光信号的碳量子点。在2010 年，我们课题组利用首次利用水热法切割石墨烯纳米片，得到大小约 10 nm 左右的蓝色荧光石墨烯量子点。最近，Huo 研究组用活性炭为前驱物，制备了生物兼容性的碳量子点。
2.2.5 微波法
微波合成法具有加热均匀、操作简捷，尤其能够很显著缩短反应时间等特点，近几年来受到人们的广泛关注。在“up-to．bottom’’的合成方法中，主要以碳水化合物为碳源，酸、碱、金属阳离子、阴离子等均能影响微波反应的速率。此外，微波法还能结合成核与修饰两个步骤为一体，一步法制备表面钝化的CDs。Yang等通过微波加热混合溶液，此混合溶液是蔗糖与PEG200的混合物，制得钝化的CDs[17]。
2.2.6 超声法
超声化学法是近年来备受瞩目的一种新型制备方法，在很短时间内便能产生瞬间的高温和高压及超过1010 K／s的冷却速度，而且伴随强烈的冲击波和射流及放电发光作用，使我们在传统条件下难以进行的反应反而在较短时间内能顺利进行在葡萄糖中直接加入碱或酸，且在超声辅助下就得到了分散性和水溶性都很好的 CDs，荧光量子产率为 7%。其红外光谱表征表明该 CDs 表面富含羟基，且其发射波长从可见光区延伸到近红外光区，是生物领域和药物领域很好的标记物。因此在纳米材料的合成中，超声法发挥着举足轻重的作用[7]。
2.2.7 强酸氧化法
采用强酸氧化法制备CDs时，此方法的优点是碳源比较丰富、易得，且成本较低，此方法主要是通过强氧化酸硝酸氧化一些大颗粒的碳纳米颗粒，这些颗粒主要包括回流蜡灰、天然气烟灰和炭灰等来制备发光CDs。Li等[5]首次提出将收集到的蜡灰用硝
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酸回流处理12小时后，经过离心，然后用碱中和过量的硝酸及透析等一系列步骤以后，我们就得到了CDs。此方法得到的CDs 粒径非常不均匀，如果这些产物经过电泳凝胶法处理以后，便得到9种不同粒径的CDs。而且更有趣的是虽然它们的发射波长会随粒径的不同而发生改变，但是它们的激发光谱却基本相同，这为多种标记物的同时检测带来很大希望，同时因其表面含有羧基，所以可在N–羟基琥珀酰亚胺的作用下键合成生物大分子，生物相容性就大大增加了，该方法制得的CDs 可以不需要任何修饰就能成功用于细胞示踪，而且还可实现毫克级CDs的制备。虽然氧化法得到的CDs 均含有羧基，有利于进一步的加以修饰，但是所得产物的荧光其量子产率较低，而且粒径不够均一，分离步骤也相对麻烦。从以上所诉我们可知，此方法虽然原料易得而且价格便宜，但是产率很低，粒径大小不同，探究一种产率好，原料易得的方法是我们要面临的任务。
2.2.8 水热法
Peng等[3]提出用碳水化合物作为碳源，被浓硫酸脱水和硝酸氧化以后便得到碳纳米颗粒，然后经过一种化合物修饰，此化合物末端必须含有氨基，便得到了具有发光性质的CDs。本方法可以通过使用不同的碳水化合物和改变硝酸氧化作用的时间来合成不同粒径的CDs，从而实现对其荧光发射的调控，但需要一定的表面修饰，Zhang等提出了一种新的方法就是将L–抗坏血酸溶于乙醇中，在180℃的高压反应釜中反应4小时以后，得到粒径为2.0 nm、荧光量子产率为6.79ís。所得产物无需任何强酸处理和其他的表面修饰，并能在室温下稳定半年， 而且在较宽的pH和离子强度范围内荧光强度不发生改变，显然该方法相对前者更为方便快捷。
2.2.9模板法
Zong等[8]先以十六胺作为表面活化剂，以正硅酸乙酯为前驱体合成了介孔氧化硅 球（MS），然后以该MS为反应模板，柠檬酸为碳源，将MS浸泡在柠檬酸溶液后， 再烧得了CDs/MS复合物，该复合物经过NaOH的蚀刻除去MS，无需进一步的其他修饰便得到了荧光量子产率为 23%的 CDs。 从以上我们可以得知，模板法可使产率显著增加。
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第3章 碳量子点的应用
碳量子点被修饰后，荧光明显增强且更加稳定，分子量和粒径都比传统量子点较小，其表面含有氨基，所以它的生物相容性好，毒性很低，成为目前最具应用前景的环境友好型纳米材料尤其是应用于生物医学领域。在分析检测和生物分析检测方面碳量子有广泛的应用前景[18]，而且在生物标记与细胞成像方面有着越来越重要的作用。随着对其研究的深入和日趋成熟，它在其他领域的应用前景也是不可估量的[6]。
3.1碳量子点在生物标记与细胞成像中的应用
近几年来，荧光碳量子点因其具有独特的光学性能其应用日益更加广泛，不仅在化学生物检测领域，其更主要用于生物标记、细胞成像等方面。 Sun等[9]和Liu等[18]将表面钝化后的碳量子点用来标记大肠杆菌细胞，激发波长不同，发出不同颜色的荧光 。Yang[10]等研究了掺杂ZnS的碳量子点在老鼠淋巴管中的迁移情况。由于碳量子点粒子小，其在细胞中迁移快，也能可以通过肾脏排出体外，整个实验过程中没有表现出毒性反应。Cao等将碳量子点应用到人体乳腺癌细胞的标记中，他们发现碳量子点可以到达细胞膜和细胞质，但不会到达细胞核，不同粒径的碳量子点到达细胞内的部位也不同，借此可用不同粒径的碳量子点来标记细胞的不同部位Li 等利用由不同试剂钝化后得到的碳量子点与癌细胞融合而荧光成像， 他们的实验结果表明：在与细胞孵育后碳量子点能成功进入细胞。如果能与细胞特异作用的转铁蛋白修饰碳量子点表面后，碳量子点能更好地与癌细胞结合，荧光显微成像更加显著。因此碳量子点是一种非常好的荧光标记和成像试剂，为单分子水平研究细胞动力学提供了强有力的手段，在生物医学和细胞成像领域中有广阔的应用前景。
3.2碳量子点在生物分析检测中的应用
荧光碳量子点在生物分析检测中的应用见诸报道的主要是用来测定溶菌酶、葡萄糖、DNA及巯基化合物。刘利芹还用其制备的碳量子点对溶菌酶进行了检测，实验选择pH值为7.4400倍的金属离子，2000倍的糖类，66倍的氨基酸类等不影响测定，其原理可能是溶菌酶加入后能与碳量子点发生静电作用而形成复合物使碳量子点周围负电荷减少。故本法具有较好的实用性，可直接应用于实际样品的检测。本方法简单快速、灵敏度高、选择性好，已成功用于血清样中总巯基化合物的测定[19]。
3.3 碳量子点作为荧光探针的应用
基于CDs的荧光探针己被很广泛的研究，主要可分为两种：一种是基于“荧光猝灭\off)的响应模式，另一种是基于“荧光增强”(turn on)的响应模式，后者的选择性和灵敏度更优于前者，这两种模式都适用于设计基于CDs的荧光探针[11]。
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3.3.1检测金属离子
大部分CDs金属离子传感器的响应模式是基于金属离子猝灭CDs荧光。杜迎翔等嗍发现柠檬酸水热法合成的CDs对Fe2+有较好的响应，根据此原理可用于检测氨基磺酸亚铁[10]。此外，曲晓刚等[11]课题组还建立了基于CDs的能量共振转移(FⅪ玎)检测K+的方法，冠醚通过氕哪·相互作用吸附于石墨烯表面，表面修饰氨基的CDs与冠醚发生相互作用而结合，随后就导致荧光猝灭。当加入K+后，冠醚与K+特异性结合使CDs从石墨烯表面脱离，荧光恢复，就实现了溶液中对K+浓度的检测。
3.3.2检测溶液pH值
东北大学徐淑坤等[12]以L．半胱氨酸为碳源水热法制备了荧光CDs，该法合成的CDs对pH呈荧光响应，检测pH线性范围为3.0到5.0。严秀平课题组利用发光石墨烯量子点检测溶液的离子强度及pH，他们发现离子强度增大，荧光强度明显略微下降，当加入氢离子后，荧光就恢复。同时，与非晶形的碳量子点相类似，石墨烯量子点的荧光强度随着pH值的增大呈现下降的趋势，且这种变化具有可逆性。
3.3.3检测小分子
由 “荧光增强”法设计的探针可以有效降低不相关背景信号的干扰，所以能够提高检测灵敏度。西南大学黄承志课题组运用此机理，基于磷酸根对Eu3+诱导CDs聚集荧光猝灭的调节作用，实现了磷酸根离子(Pi)的检测。我们知道葡萄糖是动物体内重要的能源物质和新陈代谢的中间产物，检测葡萄糖的浓度具有越来越重要的生理意义。一些研究人员还发现CDs具有类过氧化氢酶的性质，能够催化H202氧化使其本身颜色发生变化，由于其兼具电子的给体和电子的受体的特性，所以CDs有类似过氧化氢酶的特点。而且在催化氧化的过程中，TMB长链中氨基的电子转移到CDs上，发生氧化，溶液便由无色变为蓝色。据此发展了检测葡萄糖的方法[7]。
3.3.4检测具有生物活性的大分子
郑鹄志[5]课题组发展了利用CDs检测DNA的方法，此方法基于亚甲基蓝(MB)吸附于CDs表面后，发生共振能量转移导致CDs的荧光猝灭；当加入靶标DNA双链后知MB因嵌入DNA分子的双螺旋结构而从CDs表面脱离，导致CDs的荧光恢复。陈国南课题组习将CDs吸附在玻碳电极表面的高氟化离子交换树脂中，并在其表面吸附抗体胎蛋白(AFP)，当抗体与抗原特异性相结合后，CDs的电致化学发光强度大大下降，实现了CDs在免疫检测中的应用。
3.3.5在活体成像中的运用
康振辉等[20]课题组以在硫酸和硝酸的混合溶液中回流单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合物法合成发射范围覆盖可见到近红外区的CDs，并用于活体体内荧光成像，
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有效地避免了生物体的自发荧光。除了作为近红外成像的探针外，CDs在成像领域也同样具有更广阔的应用前景就是它的转换性能。Gu[7]等把石墨烯量子点这种上转换荧光纳米粒子应用于成像中。此种上转换发光是被近红外光激发以后，不仅具有较高的组织穿透力，而且能有效避免生物体自发荧光的干扰，大大降低了对细胞的伤害。此外，CDs还有望替代传统的半导体量子点成为廉价、低污染的敏化剂，被用于太阳电池中。
3.4 碳量子点的其他方面的应用
经过近几年的发展，碳量子点已成功用做生物荧光探针在体内和体外成像。 与传统的染料分子和半导体量子点相比，碳量子点有无毒或低毒的特性，良好的生物相容性和环境安全性以及水溶性，这些特性确保了碳量子点可以安全地应用于活体细胞的检测，荧光材料对活体细胞的影响而导致误诊的疑虑就消除了，也可以长时间研究细胞中生物分子之间的相互作用[12]。目前，已有多篇文献报道碳量子点被用作荧光探针应用于细胞和活体的荧光观测。Chen[10]等人利用天然气灰制备发光碳量子点，也可以被用作独特的结构载体，在其上多种过渡金属可以被沉积，从而制得功能化的纳米复合 材料。再将功能化的生物兼容性的碳量子点用作纳米传感器，能够检测环境中 H（II）的存在，进一步扩大了碳量子点的应用范围。
实验研究表明，碳量子点作为生物标记物在生物体内进行长时间的检测。此外，它还具有宽的激发波长范围，有利于碳量子点作为生物标记物进行多样品的同时检测 。最重要的是，它较以往的荧光材料更具有生物安全性 , 比其他荧光标记物对生物分子的活性干扰小 。实验证明它可以通过细胞的内吞作用进入癌细胞的细胞膜和细胞质而不影响细胞核，所以碳量子点作为生物标记的材料有望可以解决以往荧光材料在生命研究中的安全问题[20] 。
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