比率型碳点荧光传感器检测机理与应用研究进展

李庆芝， 周奕华*， 陈 袁， 陆 菲， 钱 俊， 曹 晟

(1. 武汉大学 印刷与包装系， 湖北 武汉 430279; 2. 武汉东湖学院， 湖北 武汉 430212)

1 引 言

比率型荧光传感器是指利用两种不同发射波长的荧光材料构建的具有双发射特性的荧光传感器，可以根据其荧光发射峰之比的变化确定目标分析物含量的变化，具有精度高、成本低、易操作等优点，已被广泛应用于环境污染物检测、生物医学和免疫分析等许多领域。

与仅使用单发射荧光传感器易受到探针浓度、激发强度、仪器效率、测量条件等多种影响因素相比[1]，比率型荧光传感器具有两个荧光发射峰，可以根据两个峰的荧光信号比对分析物含量进行检测，从而避免各种外部因素对测试数据的影响，并显著提高检测精度。此外，比率型荧光传感器可实现荧光-比色双模型检测，利用荧光颜色的变化，建立便捷可视化传感机制。还可以突破 “yes/no”的定性检测，实现对目标分析物的可视化半定量检测。另外，将比率型荧光传感器与喷墨打印等方式相结合，制备纸基荧光传感器，可以使检测从液态转变为固态，并能通过滴涂或者浸泡等方法实现实时、方便、可视化的检测。

目前，大部分比率型荧光传感器都使用传统有机染料和半导体量子点。但有机染料具有易光漂白、量子产率低、发射带宽、激发范围窄等缺点；而半导体量子点可能含有镉和硒等重金属元素，其内在的毒性、光闪烁现象、低水溶性和生物相容性等都限制了它的应用范围[2-3]。

碳点(Carbon dots,CDs)作为一种新型的荧光纳米材料，以其独特的光学性质、良好的生物相容性、绿色的制备过程和巨大的应用潜力而备受关注，将替代传统有机染料和半导体量子点得到推广。近年来，有关利用CDs构建比率型荧光传感器的研究逐渐引起人们的关注，在国外已有报道[3-4]，但是目前国内围绕比率型CDs荧光传感器的可视化检测的综述相对较少。因此，本文在前人的基础上对比率型CDs荧光传感器的检测机理进行系统的综述，并对其在分析物检测领域的研究进展进行分类总结。

2 CDs及其性质

2004年，Scrivens等在用电弧放电法制备的单壁碳纳米管提纯时偶然发现了尺寸在 1 nm 左右的荧光碳纳米粒子[5]。2006 年，Sun 课题组首次明确地将纳米级的碳粒子命名为CDs[6]。Zuo 等[7]、Yan等[8]、Tang等[9]都发表了基于CDs性质的综述，着重对CDs的原料选择、制备方法、荧光机理等方面进行总结。

从形态结构上来说，CDs是直径小于10 nm的准球形颗粒，由碳核与表面基团两部分组成。碳核可以由 sp2杂化的石墨微晶碳构成，也可以由 sp3杂化的无定型碳构成。CDs易于实现表面功能化，表面常常有大量的羟基、羧基等官能团。表面官能团的种类主要取决于 CDs 的合成方法以及所选择的钝化剂的种类，通过选择不同钝化剂，可以合成油溶性和水溶性CDs[10]。

在制备方法上，CDs可以简单地由低成本、易得的前体制备，其原料来源丰富，并可以通过一系列简单的钝化技术进行改性。近年来，微波辅助法和水热法已成为环境友好且操作简单的有效合成方法，被广泛应用于CDs的制备。

在性质方面，CDs具有上转换荧光性、低毒性以及良好的生物相容性等优点；此外，CDs的激发带宽且连续，可实现“一元激发，多元发射”；CDs的荧光波长可调，发射波长可能会随激发波长的增加而逐渐红移，表现出典型的“荧光红移现象”；CDs荧光稳定性高且抗光漂白，在持续激发以及储存时间较长的情况下仍能保持稳定；CDs在 260～320 nm 左右的 UV 区域具有强而窄的光学吸收，而在可见光区只有少量吸收，构成紫外光区吸收的尾带[11]。

在应用方面，CDs因其优良的荧光性质，在生物成像、分析检测、催化、药物载体、光电设备等方面有着广阔的应用前景。其中，CDs已经被广泛应用于分析物检测领域，主要包括离子检测、食品小分子检测、农药污染物等的检测。如对Hg2+[2]、 Cu2+[12]、Fe3+[13]及其他重金属离子的检测；S2-[14]、ClO-[15]等阴离子检测；食品添加剂如日落黄[16-17]、柠檬黄[18-19]、亚硝酸盐[20-21]、三聚氰胺[22-23]，常用抗生素[24-26],农药污染物如草甘膦[27]、敌敌畏[28]、有机磷农药等[29-30]的检测；pH检测[31-33]以及气体污染物如H2S[34]和N2O[35]等的检测等。

3 荧光检测机理

CDs具有独特的表面结构，可以与待检测物质之间发生共价键结合作用、静电相互作用、螯合反应、氧化还原反应或能量转移，从而实现对待测物的定性或定量分析[36]，其光致发光及荧光猝灭机理总结如下。

3.1 光致发光机理

由于CDs内部结构和表面官能团的不同，其发光现象也不同，目前关于CDs的荧光机理还尚在争论当中，没有统一的说法。 Zhi等[37]、Zhu等[38]都发表了关于CDs发光机理的综述，对其发光机理进行了详细阐述。CDs光致发光机理可以简单总结为以下几个方面：

(1)量子尺寸效应

量子尺寸效应是指当CDs的纳米尺寸减小到一定数值时，其价带和导带之间产生从连续能带到离散能带的变化或者带隙随着CDs纳米尺寸的减小而增大的现象。可以调节CDs的粒径大小，使其在紫外-可见区产生带隙跃迁，从而造成CDs荧光发射波长的不同。

(2)表面缺陷态

CDs表面不同化学基团和官能团等存在能量势阱，碳核受光激发后会产生激发态的电子，这些激发态的电子被CDs表面的基团所捕获从而导致CDs的荧光性能发生改变。化学氧化法或其他有效的表面改性方法，如元素掺杂等可以使CDs表面氧化程度增高，产生更多的表面缺陷，进而调节CDs的荧光发射[36]。

(3)分子态

分子态发光通常是指CDs的荧光性质高度依赖于其表面的分子残留或者有机分子发光基团，这些发光体可以附着在CDs骨架的表面，使CDs产生明亮的荧光发射，不同的合成条件和前驱体都会导致CDs荧光发射的不同。

3.2 荧光猝灭机理

根据猝灭方式的不同，CDs的荧光猝灭机理[11]可以总结为动态猝灭、静态猝灭、荧光共振能量转移(Fluorescence resonance energy transfer, FRET)和内滤效应(Inner filter effect,IFE)四类。

3.2.1 动态猝灭

动态猝灭是指激发态的CDs与猝灭剂碰撞回到基态，导致能量转移或者电荷转移的发生，从而使CDs荧光猝灭的过程。发生动态猝灭时，CDs的荧光寿命会随猝灭剂是否存在而发生改变，而CDs的紫外-可见吸收光谱则基本不受影响。另外，动态猝灭容易受到温度的影响，温度升高时碰撞次数增加，进而会增强动态猝灭效应的影响。

Thitarat等[39]以水葫芦叶为前驱体，通过酸处理和热解法合成了蓝色发光的CDs。实验证明，硼砂溶液可以选择性猝灭该CDs的荧光。此外，可将其用于硼砂检测的便携式纸基传感器，检测限为11.85 μmol/L，实现对食品样品中硼砂含量的精确检测。如图1所示，通过测量不同温度(10，30，50 ℃)下CDs-硼砂溶液的荧光发射，可以发现荧光猝灭与溶液温度有关，且斜率(相当于猝灭常数)随着温度的升高而增大。表明随着温度的升高，CDs与硼砂之间的碰撞次数增加，证明了是动态猝灭的结果。

图1 不同温度CDs-硼砂体系的荧光发射

Li等[30]通过水热法制备CDs，如图2所示，在乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase,AChE)的催化下，乙酰胆碱(Acetylthiocholine,ATCh)可水解为硫代胆碱(Thiocholine,TCh),该反应触发比色探针2-硝基苯甲酸(2-nitrobenzoic acid, DTNB)分解，形成黄色的5-硫代2-硝基苯甲酸(5-thio-2-nitrobenzoic acid,TNBA)。TNBA可以有效地猝灭CDs的荧光，而有机磷农药(Organophosphorous pesticides, OPs)的加入会阻断AChE的活性，导致CDs荧光的恢复，从而实现对OPs的快速检测，检测限为0.4 ng/mL。为了阐明其荧光猝灭机理，研究了存在和不存在AChE时CDs/DTNB/ATCh系统的荧光寿命，研究发现，CDs/DTNB/ATCh/AChE体系的荧光寿命比CDs/DTNB/ATCh体系的荧光寿命短，说明是动态猝灭的结果。此外，随着温度的升高，TNBA对CDs的荧光猝灭作用明显增强，进一步说明发生了动态猝灭。

此外，Wang等[40]以樱花为原料通过一步水热法制备了水溶性良好的氮掺杂CDs(NCDs)，MnO4-可以使 NCDs的荧光发生猝灭，从而实现对 MnO4-的快速检测，检测限为 0.15 μmol/L，该探针已成功应用于实际水样中微量 MnO4-的测定。研究发现，该NCDs的荧光寿命随着MnO4-浓度的增大而明显减小，而紫外-可见吸收光谱则基本不受其影响，证明发生了动态猝灭。

图2 OPs检测机理示意图

3.2.2 静态猝灭

CDs和猝灭剂之间相互作用形成无荧光的基态络合物、且使CDs荧光猝灭的现象称为静态猝灭[41]。静态猝灭有以下特点：猝灭剂存在时，CDs的荧光寿命几乎不变；基态络合物的形成可导致CDs紫外-可见吸收光谱的变化；温度的升高会阻碍这类络合物的形成或降低其稳定性，进而降低静态猝灭效应的影响。

Chen等[42]采用水热法制备了蓝绿色的氮掺杂CDs(NCDs)，并将橙红色荧光染料溴化乙锭(Ethidium bromide,EB)作为荧光参考信号引入到该体系中，制成N-CDs/EB荧光传感器。由于NCDs表面带正电荷的含氮基团可以通过静电作用和氢键与带负电荷的全氟辛烷磺酸(Perfluorooctane sulfonic acid,PFOS)反应，导致CDs的荧光猝灭，且随着PFOS浓度的增加，N-CDs/EB荧光传感器的颜色由绿色变为橙色，检测限低至27.8 nmol/L，因而可用于水样中PFOS的检测。为了解释PFOS荧光猝灭机理，分别对有无PFOS存在时N-CDs的荧光寿命曲线进行拟合。研究发现，加入PFOS前(15.33 ns)与加入PFOS后(15.15 ns)，荧光寿命没有明显下降，因此认为PFOS对N-CDs的荧光猝灭为静态猝灭。

此外，Xu等[19]以芦荟为碳源，采用水热法制备了黄色荧光发射CDs，柠檬黄的存在可以选择性地猝灭CDs的荧光。而CDs荧光强度的降低使得在0.25～32.50 μmol/L的线性范围内测定柠檬黄成为可能，该方法已成功地应用于某些食品样品中柠檬黄的测定。由于其荧光猝灭常数随温度的升高而减小且有基态配合物的形成，证明发生了静态猝灭。

3.2.3 FRET

FRET是指荧光传感器中能量供体和能量受体之间发生能量转移的过程，供体荧光分子从激发态跃迁回到基态，诱发受体分子发出荧光，同时供体荧光分子自身的荧光强度衰减。其特性有：供体分子的荧光发射光谱和受体分子即猝灭剂的吸收光谱之间需要具有一定的光谱重叠,且供体分子与猝灭剂之间的距离必须足够近，一般7～10 nm。

Liu等[43]通过热解法制备了有机硅功能化CDs，将其与二氧化硅包覆的CdSe量子点(CdSe@SiO2)通过Si—O键连接起来，制备了荧光传感器CdSe@SiO2/CDs。并通过简单的溶胶-凝胶聚合方法，将分子印迹聚合物(Molecularly imprinted polymer,MIP)层固定在该荧光传感器上，制备了分子印迹聚合物CdSe@SiO2/CDs/MIP。如图3所示，由于作为受体的4-硝基苯酚(4-Nitrophenol,4-NP)的吸收光谱与作为供体的CDs的发射光谱之间重叠，认为CDs和4-NP之间发生了FRET过程，使得CDs的蓝色荧光猝灭，而该体系中CdSe@SiO2的荧光强度保持相对不变,从而实现对4-NP浓度的快速检测，检测限为0.026 μg/mL。

Li等[44]通过水热法合成了同时掺杂N、S元素的荧光CDs(N,S-CDs)，并利用其与维生素 B2组成FRET体系，建立了便捷检测菇类食品中维生素 B2含量的方法，检测限为5.0×10-8mol/L。由于作为供体的N、S-CDs的发射光谱与受体维生素B2的吸收光谱有非常好的重叠，且随着维生素B2的加入，N,S-CDs的荧光逐渐被猝灭，而维生素B2的荧光强度逐渐增大，证明N,S-CDs 和维生素B2之间发生了FRET过程。

图3 4-NP的紫外-可见吸收光谱和CDs的荧光发射光谱

Mao等[45]构建了一种基于CDs改性的纳米多孔氧化铝膜和Fe3O4@Au磁性纳米复合材料的FRET检测体系，用于鲭鱼组胺的检测。以固定在多孔氧化铝膜上的CDs作为供体分子， Fe3O4@Au磁性纳米复合材料不仅可以作为受体分子，还起到富集鱼的组胺的作用。当Fe3O4@Au磁性纳米复合材料靠近CDs时，由于发生了FRET，CDs的荧光发射被转移到Fe3O4@Au磁性纳米复合材料上并被猝灭，检测限为70 pmol/L，可用于监测不同贮存条件下鱼类的腐败过程。

3.2.4 IFE

IFE是指当溶液中存在能吸收荧光物质的激发光或发射光的物质时，体系内荧光减弱甚至猝灭的现象。IFE过程有以下特点：CDs的激发光谱或者发射光谱与猝灭剂的吸收光谱重叠；在该过程中没有形成新物质，因此CDs的吸收光谱不会改变，且CDs的荧光寿命不变。

Dong等[46]通过水热法合成荧光CDs，并利用辣根过氧化物酶(Horseradish peroxidase,HRP)催化3, 3′, 5, 5′-四甲基联苯(3, 3′, 5, 5′-tet-ramethylbenzidine,TMB)生成蓝色吸光物质 TMBbox。由于TMBox的吸收光谱与CDs的荧光激发光谱重叠，认为发生了IFE，使得CDs荧光猝灭，其检测限为0.02 ng/mL，已成功地应用于检测鸡中金刚烷胺(Amantadine,AMD)残留量。如图4所示，对CDs在荧光猝灭之前(红色，5.19 ns)和之后(蓝色，5.11 ns)的荧光寿命进行检测，证明TMBox的存在对CDs的荧光寿命无影响。通过超滤将CDs与猝灭剂分离，会使CDs被猝灭的荧光恢复，表明不存在非荧光配合物的生成，进一步证明了CDs的荧光猝灭是发生了IFE的原因。

图4 IFE 猝灭效应前后CDs的荧光寿命

此外，Wang等[27]利用微波辅助一步热解法从羊毛中制备CDs，其荧光能被基于IFE的银纳米粒子(Silver nanoparticles,AgNPs)猝灭，而草甘膦的存在可以诱导AgNPs的聚集，从而导致猝灭CDs的荧光恢复。建立了CDs与AgNPs之间的IFE体系，检测限低至12 ng/mL，该方法已用于谷物样品中草甘膦的检测。

4 比率型CDs荧光传感器

如表1所示，根据CDs使用情况的不同，将比率型CDs荧光传感器在检测领域的应用分为两类:第一类为仅使用不同荧光发射的CDs进行检测，第二类为将CDs与其他荧光发射体合成纳米复合探针进行检测。下面将分别对其进行介绍。

4.1 仅用CDs

仅用CDs检测可以有效避免与其他荧光发射体合成纳米复合探针时，可能需要对CDs进行表面修饰，甚至需要复杂的分离纯化等步骤，造成实验过程繁杂、耗时等问题。因此，设计和研究仅用CDs检测的比率型荧光传感器具有十分重要的意义。

4.1.1 两种荧光CDs进行检测

当仅用CDs检测时，常常使用两种荧光发射的CDs进行检测，以其中一种荧光CDs的发射峰作为荧光响应信号，另一种作为参考信号。

表1 比率型CDs荧光传感器在检测领域研究进展

Liu等[12]分别通过水热法制备了蓝色CDs(b-CDs)和红色CDs(r-CDs)，并将两种CDs以7∶1的荧光强度混合，制成双发射荧光传感器。如图5所示，随着Cu2+的加入，产生了从蓝色到橙色红色的连续的荧光颜色变化。由于合成r-CDs表面残留的对苯二胺有效地结合Cu2+，在400～640 nm之间产生一种强烈的可见吸收，因其与b-CDs的发射峰重叠，认为发生了FRET过程，使蓝色荧光发生猝灭；另一方面，较小的b-CDs通过Cu2+的双配位作用吸附在较大的r-CDs的表面上，特定的光谱能量可以从b-CDs转移到r-CDs上，进而猝灭了b-CDs的荧光。这两种机制导致了特定的光谱能量转移，使b-CDs的荧光猝灭，而r-CDS的红色荧光不受影响，形成稳定的参考标准，检测限低至25 nmol/L。

图5 铜离子加入时比率型荧光探针的荧光光谱

Liu等[47]以桂花叶为碳源，采用不同的溶剂萃取法制备了两种颜色CDs。将蓝色荧光发射CDs(bCDs)包裹在SiO2中作为荧光参考信号，防止bCDs与四环素(Tetracycline,TC)的直接相互作用。并将红色荧光发射CDs(rCDs)作为响应信号，嵌入分子印迹聚合物层中，构建了分子印迹比率荧光传感器(MIPs@rCDs/bCDs@SiO2)。随着TC含量的增加，rCDs的荧光被猝灭，而bCDs的荧光保持不变，出现由紫色到蓝色的荧光颜色变化，检测限为1.19 nmol/L，已成功应用于当地河水和自来水中TC含量的测定。

4.1.2 本征多发射CDs进行检测

本征多发射是指所制备的CDs表面可能含有多种官能团，并形成多个表面状态，在单一激发波长作用下有两个甚至多个可分辨荧光发射峰。本征多发射CDs传感器的构建为同时检测多种目标分析物提供了可能。

Jiang等[49]以间氨基苯酚和草酸为原料，通过水热法制备了双发射CDs，在350 nm的光激发下，CDs显示蓝色和绿色的双发射荧光，在CDs水悬浮液中加入AgNPs后，由于发生了IFE，蓝色荧光发射强度不断下降。之后，在CDs/AgNPs混合物的水悬浮液中加入杀菌剂霜脲氰(Cymoxanil, Cym)，由于静电吸引和氢键作用，使AgNPs聚集，导致绿色荧光发生IFE，而蓝色荧光恢复。该方法已应用于天然河水、土壤和植物表皮中Cym的测定，检测限为2 nmol/L。

Song等[50]采用一锅水热碳化法制备了双发射CDs，当激发波长为380 nm时，该CDs在440 nm和624 nm处显示出两个明显的荧光发射峰。如图6所示，赖氨酸可以通过表面钝化作用增强440 nm处CDs的荧光发射强度，而624 nm处的峰值保持不变，检测限为94 nmol/L。另外，由于碳骨架结构中掺杂N的质子化以及表面基团的去质子化作用，624 nm处CDs的荧光信号对1.5～5.0范围内的pH值敏感，而440 nm处的荧光强度对其不敏感，紫外光照射下的红色荧光发射会随pH值的增加而逐渐减弱。该传感器已被成功地应用于监测细胞中赖氨酸和pH值的动态变化。

图6 赖氨酸和pH的比率荧光传感检测

此外，Nguyen等[51]合成了一种具有本征多发射特性的高灵敏比率型传感CDs，并将其用于温度测量。利用乙二胺激光烧蚀制备CDs，其表面生成了大量的含氮、含氢、含氧表面官能团，这些表面官能团可能在表面位置形成多个表面状态，导致CDs的多个发射。所制备的CDs在单波长激发下表现出优异的温度比率传感特性，在较宽范围温度(5～85 ℃)下，每摄氏度比率响应变化1.48%，实现了很高的温度灵敏传感。该比例传感器具有良好的可逆性和稳定性，可实现对温度的精确测量，具有很大应用前景。

4.2 纳米复合探针

纳米复合探针通过CDs和其他荧光纳米材料简单混合或通过共价键或非共价键连接来构建比率型荧光探针。其中，常见的荧光材料有：有机染料[21,59]、金属配位络合物[58]、金属有机框架(MOF)[48,60]、Ⅱ/Ⅵ和Ⅲ/Ⅴ半导体纳米荧光团[53]、金属纳米团簇(NCs)[34,55]等。此时，CDs常常作为参考信号、响应信号、能量供体或双发射荧光传感器的基质。

4.2.1 CDs作为参考信号

在基于CDs的比率荧光探针中，CDs常被用作对分析物不敏感的参考信号。如果参考信号对分析物不是完全惰性的，为了保证参考信号的稳定，常常将参考信号封装到二氧化硅颗粒中；而响应信号被嫁接到二氧化硅表面，并通过适当的连接物或通过荧光团表面的官能团进行化学偶联，将参考和响应信号连接在一起。

Yan等[52]设计并合成了一种检测NO2分子的双发射荧光传感器。该荧光传感器由蓝色荧光CDs和红色荧光量子点(Quantum dots,QDs)通过共价键构筑而成，如图7所示，其发射中心分别位于460 nm和665 nm处，其中蓝色荧光的CDs对目标分析物NO2不敏感，形成稳定的荧光参考信号。而NO2可以通过氧化红色荧光QDs表面的硫离子，破坏其钝化保护层结构，使红色的QDs选择性地被NO2猝灭，并导致探针荧光颜色产生从红色到蓝色的明显变化，从而实现对NO2敏感的可视化检测。该方法对溶液中NO2的检测限为19 nmol/L，为NO2气体的快速、实时、现场检测提供了可能。

图7 纳米混合探针结构示意图及NO2的视觉检测原理

Wen等[34]利用铜纳米团簇(Copper nanoclusters,CuNCs)和CDs通过静电组装制成双发射纳米复合材料，并将其作为检测硫化物和气态硫化氢的比率型荧光探针。如图8所示，蓝色荧光CDs作为荧光参考信号，红色荧光的CuNCs作为荧光响应信号，CuNCs暴露于硫化物后，由于与硫化物发生反应而形成CuS，导致CuNCs的红色荧光猝灭，而CDs的蓝色荧光保持恒定。体系的荧光从红色变为蓝色，检测限为3.3×10-10(4.3 nmol/L)。CuNCs-CDs还被应用于琼脂凝胶中制成荧光滤纸，用于气态硫化氢的荧光检测。

图8 硫化物加入时Cu-NCsCDs的荧光光谱

Zhou等[53]将青色CDs和红色CdTe量子点以发射强度为1∶5混合，制备了双发射荧光传感器GSH/DTT-QDs/CDs。其中，CdTe量子点作为荧光响应信号，CDs为参考信号。如图9所示，As(Ⅲ)加入时，形成的As—S键诱导GSH/DTT量子点聚集体，使红色荧光猝灭，而蓝色荧光保持不变，溶液的荧光颜色逐渐从红色变为青色。通过印刷GSH/DTT-QDs/CDs墨水制备了荧光检测试纸，在添加了As(Ⅲ)后，显示出从桃红色到粉红色、再到黄绿色、最后到青色的一系列颜色演变，从而实现对As(Ⅲ)的超灵敏检测，检测限低至5×10-9。

图9 As(Ⅲ)加入时GSH/DTT-QDs/CDs的荧光光谱

此外， Rong等[54]以柠檬酸和硝酸铕为碳源和铕源热解合成了Eu-CDs，并以Eu-CDs的蓝色荧光作为荧光参考信号，用吡啶-2,6-二羧酸(2,6-dipicolinic acid,DPA)敏化Eu(Ⅲ)激发的红色荧光作为荧光响应信号，在紫外光激发和DPA的配位作用下，DPA敏化镧系离子的荧光强度增加；而随着DPA添加量的增加，水分子被DPA取代，并在Eu-CDs中与Eu(Ⅲ)配位，Eu-CDs的蓝色荧光被抑制，产生由蓝变红的颜色变化，从而实现对炭疽生物标志物DPA的半定量检测，检测限为5 nmol/L。此外，用紫外线灯和智能手机分析其颜色变化，可以实现对实际样品中DPA的便携可视化检测。

4.2.2 CDs作为响应信号

当CDs作为对分析物灵敏的荧光响应信号时，需要另一个荧光稳定的荧光量子点作为参考信号，从而实现比率型荧光检测。

He等[55]采用水热法制备了蓝色荧光CDs，并与3-氨基苯硼酸(3-aminophenylboronic acid, APBA)复合制备了APBA改性CDs。另外，以牛血清白蛋白(Bovine serum albumin,BSA)为稳定剂，以N2H4·H2O为还原剂，制备了BSA稳定的红色荧光CuNCs。通过碳二亚胺活化偶联，构建了由CDs和CuNCs组成的新型纳米杂化体，该杂化体显示出在440 nm和640 nm处的双发射荧光。其中，多巴胺(Dopamine,DA)作为电子受体，通过CDs向DA的电子转移引起CDs在440 nm处的荧光猝灭，而BSA稳定的CuNCs在640 nm处的荧光发射几乎没有变化，因此可以作为荧光参考信号，构建用于有效检测人血清样品中DA含量的比率型荧光探针，检测限低至32 nmol/L。

Xu等[2]制备了蓝色发光CDs，并将其共价连接到含有红色发射QDs的纳米二氧化硅表面，得到双发射纳米探针，如图10所示。二氧化硅包覆红色发射量子点CdTe@SiO2对Hg(Ⅱ)是惰性的，可以提供可靠且恒定的参考信号。而蓝色发射的CDs对Hg(Ⅱ)非常敏感，Hg(Ⅱ)加入时，可以通过动态猝灭和静态猝灭两个过程猝灭CDs的荧光，随着Hg(Ⅱ)浓度的增加，溶液的颜色呈现浅紫色到红色的连续变化，其检测限为0.47 nmol/L，可用于自来水中汞(Ⅱ)的可视化现场检测。

图10 CDs、CdTe@SiO2及双发射探针荧光光谱。

4.2.3 CDs作为能量供体

CDs作为能量供体时，其能量常常通过FRET过程被其他荧光团吸收，当分析物加入时，会抑制或促进CDs的FRET过程。根据两个发射峰荧光强度之比的变化，可以实现对目标分析物含量的精确测定。

Yu等[56]合成了氨基包覆CDs，如图11所示，将萘酰亚胺的叠氮化合物共价偶联到CDs表面，构建比率型荧光传感器。在这种传感器中，CDs不仅可以作为能量供体，还可以作为叠氮衍生物的锚定位点。H2S加入后，叠氮萘酰亚胺被H2S还原为能量受体,并在526 nm处出现一个新的荧光发射带。作为能量供体的CDs和能量受体之间发生FRET过程，导致425 nm 处CDs荧光猝灭，溶液的荧光由蓝色变为亮绿色。该FRET体系对 H2S 具有很高的选择性，检测限为 10 nmol/L，可以实现水溶液、生物流体和活细胞中H2S的灵敏检测。

图11 CDs传感器的结构示意图及对H2S的比率检测

Yan等[57]设计了一种新型荧光探针，用于水溶液中Cu2+的检测，该探针以乙醛酸改性CDs(Glyoxylic acid-modified carbon dots,GA-CDs)为原料，通过酰胺化反应，在其表面接枝7-二乙氨基香豆素-3-碳酰肼(7-diethylaminocoumarin-3-carbohydrazide，HCM)制备了双发射荧光探针CMH-GA-CDs。在没有Cu2+的情况下，CDs和 CMH之间会发生FRET过程，能量从CDs向CMH单元转移，在340 nm激发下，CMH-GA-CDs分别在400 nm(CDs)和458 nm(CMH)处显示出双发射荧光。加入Cu2+后，由于Cu2+与掺杂原子N和O配位，会抑制FRET过程，使CDs荧光强度增大，CMH荧光强度降低，该方法可成功用于水样中Cu2+的检测，检测限低至0.21 μmol/L。

4.2.4 CDs作为双发射基质

当CDs作为双发射基质时，分析物的加入可以使两个发射峰的荧光强度同时发生改变，可能会使两个荧光发射峰同时猝灭，或者一个增强另一个猝灭，可以通过其荧光发射比的变化构建双发射荧光传感器。

Xiang等[21]将CDs包覆在掺杂罗丹明B(Rhodamine B,RhB)染料的二氧化硅纳米粒子上，制备了基于CDs的双发射二氧化硅纳米传感器。如图12所示，在360 nm的激发波长下出现了两个荧光发射峰，分别是CDs(460 nm)和RhB(572 nm)引起的发射。利用溴酸钾(KBrO3)在硫酸中的强氧化作用可以猝灭双发射二氧化硅纳米粒子荧光，两发射荧光强度之比和NO2-浓度呈线性关系，检测限为1.0 ng/mL，适用于不同食品样品中亚硝酸盐的测定。

图12 CDs包覆的双发射二氧化硅纳米粒子溶液荧光光谱

Hu等[58]用水热法合成了蓝色荧光碳点(BCDs)，并以单磷酸胞苷(Cytidine monopho-sphate,CMP)和铕(Eu)组装的镧系配位聚合物为受体，以柠檬酸(cit)为辅助配体，制成比色荧光传感器BCDs-Eu/CMP-cit，如图13所示。在380 nm荧光激发下，随着四环素(TC)的连续加入，BCDs在465 nm处由于发生IFE使荧光发射强度降低；而由于TC与Eu3+之间形成了稳定的络合物并产生向Eu3+的有效能量转移，使620 nm处的荧光发射显著增加，荧光颜色由亮蓝色变为红色。此外，还制备了纸基荧光传感器，随着TC浓度的增加，试纸显示出由亮蓝色到红色的显著变化，检测限为8 nmol/L，可实现食品中TC的快速可视化检测。

图13 BCDs-Eu/CMP-cit比值荧光探针的TC检测示意图

5 总结与展望

本文对比率型CDs荧光传感器在检测领域的研究进展进行了综述，首先简述了CDs及其荧光性质，然后详细阐述了CDs的光致发光及荧光猝灭机理，同时根据CDs使用情况的不同，对比率型CDs荧光传感器的分类及其研究进展进行了总结。大量研究表明，比率型CDs荧光传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、成本低等优点，在食品安全、小分子检测、金属离子检测、环境污染物分析等许多领域显示出巨大的应用潜力。但是，另一方面，比率型CDs荧光传感器的设计和构建仍充满挑战：首先，发光机理的不明确限制了CDs的可控制备，尤其制约了双发射或多发射CDs传感器的设计；其次，CDs与其他荧光发射体结合构建比率型荧光传感器时，需要对CDs表面进行修饰和分离纯化，这不仅会造成实验过程复杂、耗时等问题，而且可能会引入毒性、疏水基团，对CDs的荧光性能和荧光产率产生影响；此外，目前比率型CDs传感器的检测主要是在实验室环境下进行的，具有一定的局限性；另外，检测物与比率型CDs传感器发生相互作用而构成的可视化检测系统，需要更加准确的定量关系，其颜色变化与检测物浓度关系是否能一一对应，是否会导致中间复合色的形成等方面仍具有很大挑战。

因此，对CDs发光和猝灭机理进行更加深入的研究，合成不同尺寸和荧光发射可调的CDs以满足分析检测的需要，是比率型传感器构建的前提；对合成荧光团或纳米材料进行选择，研究和构建更为简单、无毒且低成本的比率型CDs荧光传感器是下一步研究的关键；对CDs的表面特性及实验参数和配比进行分析优化，提高检测的灵敏度和准确性，建立同时具有特定荧光响应和精确比色特性的比率型CDs荧光传感器，使其更适用于现场检测的需要；利用喷墨打印等方式，制备CDs纸基荧光传感器，使其更适用于工业化大批量生产的需要等，都是应用比率型CDs荧光传感器进行可视化检测需要进一步探索和研究的方向。

随着CDs发光机理、合成方法和传感器制备技术的不断发展和应用，比率型CDs荧光传感器必将在分析物检测领域得到更广泛、有效的应用。