什么是碳量子点

物质的许多性质取决于物质中活泼电子的状态，而电子状态取决于电子所处的空间势能，随着物质尺寸的降低，电子的运动受到限制，按照电子受限的空间维数，将物质分为如图1所示块体、量子阱、量子线和量子点。碳量子点（carbon quantum dots，C-dots），又称碳点或者碳纳米点，是一类尺寸在10nm以下的碳纳米材料。更广泛的定义为在水中或者其他悬浮液中的小碳纳米颗粒。

碳量子点的制备方法

过去的十几年，各种制备碳量子点的方法被提出来，这些方法大致分为“自上而下（Top-down）”和“自下而上（Bottom-up）”两种，如图3所示，在CQDs 的合成过程中，还可以通过功能化、掺杂和纳米杂化实现碳量子点的改性。自上而下的方法一般是分解大的碳结构，比分解金刚石、石墨、碳纳米管、活性炭和石墨氧化物等，分解方法像电弧放电、激光烧蚀、电化学氧化等。而自下而上的方法则是通过像柠檬酸、糖类和不饱和聚酯等分子前驱体，方法为微波辅助法、燃烧热处理法、支撑合成法等。

目前制备碳量子点的方法很少，报道的制备具有荧光性质的碳量子点的方法有：

（1）高温高压切除法

利用激光从石墨粉表面切下碳纳米粒子，将其与有机聚合物混合后，即获得直径小于5nm且具有光致发光特性的碳量子点。

（2）蜡烛燃烧法

通过收集和酸处理蜡烛灰，得到表面具有羧基和羟基的亲水性碳量子点，直径约1nm。

（3）电化学扫描法

在乙腈和四丁基高氯酸铵支持电解质中，通过电化学循环伏安扫描，使四丁基高氯酸铵进入碳纳米管间隙，从碳纳米管的缺陷处剥落下碳量子点（直径约2.8 nm）。相对前两种方法，电化学法更易实现大规模快速生产。但是也有一定的限制。

（4）有机物热解法

对有机物进行高温热解，得到亲水性的荧光碳点。

碳量子点的制备过程中需要注意三个问题：1）可以通过电化学等方法避免在碳化时碳质聚合。2） 注意控制尺寸和均匀性，这对碳量子点的性能十分重要，可以通过后处理达到这个目的，比如凝胶电泳、离心分离和透析等。3）溶解度和应用的关键在于碳量子点表面的性质，可以在制备和后处理时调整。

碳量子点的优势

相对于传统的半导体量子点和有机染料，这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且还拥有发光范围可调、双光子吸收截面大、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无可比拟的优势。虽然在某些性能方面，稀土荧光纳米颗粒可以与之媲美，但是稀土元素昂贵的价格极大地限制了其在实际生产中的应用。因此，对碳量子点这一新兴领域的研究必将对材料科学的发展产生重大影响，它也会为碳家族赢得更多的荣耀。

Xu 等在2004年首次发现碳量子点后，其合成、性质、应用等方面在近十几年来都取得了巨大的进步。 发光CQDs 具有高水溶性、强化学稳定性、易于功能化、抗光漂白性以及优异的生物特性，良好的生物相容性，在生物医学（生物成像、生物传感、药物传输等）有潜在的应用前景。同时，CQDs 具有优良的光电性质，既可以作为电子给体又可以作为电子受体，这使得它在光电子、光催化和纳米传感等领域有广泛的应用价值，如图2所示。

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