红光/近红外发射碳点制备、光学调控与应用

徐冀健，曲 丹，安 丽，汪夏燕，孙再成

(北京工业大学化学与生物系 绿色催化与分离北京市重点实验室 环境安全与生物效应中心，北京 100124)

1 引 言

碳点自2004被研究人员发现[1]以来已成为一种新兴的碳基材料，由于具有独特的化学和物理特性、较高的抗光漂白性能、良好的生物相容性以及低毒性等优良性质引起了研究者的极大兴趣。从微观结构上来看，碳点通常被认为是一组直径小于10 nm的超小、具有光致发光性质的碳纳米结构，包括石墨烯量子点(GQDs)、碳量子点(CQDs)、碳纳米点(CNDs)和聚合物点[2]。尽管拥有这些优越的物理化学性质，但是目前大多数的碳点仅能在蓝光区域表现出发射，与传统量子点相比发射效率相对较低，因此碳点的应用受到了限制。例如在生物成像方面蓝绿光的发射不能深入穿透组织[3]，还可能受生物自体荧光干扰。因此，合成具有强红光/近红外(NIR)发射的碳点已被公认为是在大多数领域促进碳点实际应用的关键[4]。基于大多数合成出的碳点都只有蓝绿光发射的原因，碳点领域研究者们一直希望设计合成出红光碳点。Hao通过调控激发波长可将碳点荧光发射调控至650 nm处[5]，Qu报道了拥有三种原色发光最长发射可达650 nm的红光碳点[6]，Pan也得到了量子产率26.2%的红光碳点[7]。但这些报道中的碳点存在激发依赖发射现象，这种激发依赖发射得到的荧光强度很弱，量子产率低。Lin 课题组以芳香类化合物作为前驱体合成得到的碳点克服了这些缺点[8]，以对苯二胺为前驱体合成的碳点在604 nm有无激发波长依赖的红光发射；Qu课题组也通过选择合适反应溶剂得到红光发射可达638 nm的全彩色碳点体系[9]；Lu同样利用苯二胺将碳点的荧光发射拓展至近红外区域[10]。这些工作为红光/近红外发射碳点的合成研究提供了新的思路。此后涌现了许多红光/近红外发射碳点的新工作新进展。本文主要介绍和总结了这些R/NIR-CDs的前驱体、光学调控机理以及实际应用的最新进展。

近年来，红光/近红外发射碳点文章数量稳步增长，极大地推进了其研究进程。针对前文所提到的大多数红光碳点具有激发波长依赖的发射、荧光量子产率(PLQY)不高并且随着波长的增加强度迅速下降等问题[11]，如何合理控制前驱体、探索总结发光红移的光致发光机理并加以应用尤为重要。本文侧重于阐述最近几年来R/NIR-CDs的典型前驱体及其合成碳点，总结其光学调控的方法、荧光发光机理以及生物与医药学等方面应用的最新进展。最后，提出了红光碳点未来研究面临的主要挑战和展望。针对目前R/NIR-CDs研究中的薄弱环节提出相应完善制度，希望有助于推动碳点在生物学、医药学等领域的应用研究。

2 典型红光/近红外发射碳点合成制备前驱体

2.1 柠檬酸

在众多前驱体中，柠檬酸(CA)由于在结构上具有多个羟基和羧基，在碳点合成过程中既可以使得碳点表面获得羧基羟基等官能团，又可以与其他前驱体成环或自身闭环增加有效共轭长度，因而是自下而上法制备碳点最常用前驱体之一[12]。而尿素作为最常见的氮掺杂氮源，常用于与CA溶剂热生成红色荧光碳点。Miao从CA和尿素出发，通过改变反应温度和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中CA/尿素的比例合成了多色发射CDs[13]。通过控制反应条件(图1)如提高反应温度和CA/尿素比，可以分别得到蓝绿红三色碳点。当温度为200 ℃、CA和尿素的量比大于0.7时可以得到荧光量子效率12.9%、发射位于630 nm的红光碳点。作者认为较高的温度与CA/尿素比提高了碳点的石墨化程度和羧基含量，这使得碳点发光由蓝绿变为红色。

图1 不同柠檬酸/尿素量比和不同反应温度下碳点的最大发射峰[13]Fig.1 Maximum emission peak of CDs under different citric acid/urea molar ratio and different reaction temperature[13]

2020年，Su同样使用柠檬酸和尿素经溶剂热法合成了富氮碳点[14]。将得到的碳点采用表面电荷工程处理(用氢氧化钠和盐酸溶液处理)，使其具有红光发射性能，具有单发射中心和激发波长依赖性的光学特性。其在555 nm的激发波长下，最大发射波长为605 nm。XRD数据在27.1°处出现了一个尖峰，对应于石墨结构的(002)面，这表明CDs核心部分的高共轭sp2域占据了主要位置。

同年，Shen同样也以柠檬酸、尿素和DMF为原料，采用溶剂热法合成碳点[15]。将柠檬酸和尿素以1∶2的比例分散在DMF溶剂中，在烘箱中160 ℃加热4 h。反应后得到的碳点溶液离心处理去除固体。将上清液溶于乙醇并继续离心三次，干燥后最终得到碳点粉末，其最大激发-发射中心分别位于594 nm和654 nm，该深红色碳点量子产率为22%。其FTIR数据(图2)证明了柠檬酸-尿素体系碳点表面存在丰富的羧基、羟基、氨基等官能团。这与之前的许多报道一致[16-17]。

图2 柠檬酸碳点的FTIR光谱[15]Fig.2 FTIR spectrum of citrate CDs[15]

除了使用尿素以外，研究者还使用其他氮源与柠檬酸反应来合成碳点。Li最近使用硫脲与柠檬酸、二甲基甲酰胺溶剂热合成表面富含酰胺等基团的碳点[18]，将制得的碳点分两步分别与氢氧化钠溶液和盐酸溶液混合收集沉淀，最终得到非金属阳离子功能化碳点(h-CDs)，其在550 nm的激发下，在610 nm处有很强的红光发射(荧光量子产率为24.0%)。在其紫外-可见光谱中发现了540 nm处的可见特征峰，这表明碳点中存在大尺寸的共轭sp2结构域。这些研究表明，调控共轭sp2结构域和表面电荷工程都有利于碳点发射红移。

2.2 苯二胺类

众所周知，自下而上制备CDs的最常用方法就是溶剂热/水热法，在CDs研究早期，前驱体使用较多的是一些有机小分子，如前文提到的柠檬酸-尿素体系。经过对这些实验结果的分析，研究者们普遍得出提高碳点中的有效共轭长度可以促进碳点发射红移。芳香类有机分子中先天具有很好的共轭结构，经过反应后其共轭结构很有可能得到保留，这样就极大地提高了碳点中的有效共轭长度。苯二胺类作为芳香类有机分子中的典型代表近年来被广泛用于合成R/NIR-CDs的实验之中。

2.2.1 对苯二胺

对苯二胺作为红光碳点前驱体的最著名例子是Jiang于2015年报道的[8],采用3种苯二胺同分异构体,即邻苯二胺、间苯二胺、对苯二胺溶剂热合成多色碳点，分别发出明亮的绿光、蓝光和红光(图3)。在元素组成完全一致的前提下，对苯二胺相比于其他两种同分异构体发射红移明显且量子效率最高。

图3 由3种不同的苯二胺异构体制备的碳点[8]Fig.3 CDs prepared from three different phenylenediamine isomers[8]

2020年，Jiao将对苯二胺溶于超纯水中[19]，通过加入一定量的磷酸和氨水来调节溶液的pH值，在200 ℃下反应8 h。结果表明，随着前驱体溶液由碱性向酸性转变，光致发光的波长有一定的红移趋势。分别以R-CDs、Y-CDs和G-CDs表示酸性、中性、碱性条件下合成的发射红色、黄色和绿色荧光的碳点。在365 nm紫外照射下，R-CDs、Y-CDs、G-CDs的最佳激发波长和发射波长分别位于516/615 nm、370/560 nm和361/515 nm，并伴有红色、黄色和绿色光致发光。同年，Dong等报道了使用对苯二胺、柠檬酸和植酸的混合物，以甲酰胺为溶剂，采用溶剂热方法于180 ℃温度下加热4 h，制得红光发射碳点[20]，在590 nm的激发下在620 nm处有红光发射。作者将淀粉与该碳点以40∶1的比例在甲醇溶液中搅拌混合后得到的R-CDs/淀粉继承了原碳点的荧光性质，并且拓宽了吸收光谱，具有很好的实际应用潜力。

2.2.2 邻苯二胺

虽然在Jiang的实验中邻苯二胺只有较强的绿光发射，但经过研究者的不断探索与努力，许多以邻苯二胺作为前驱体的红光碳点被报道。Wang最近用邻苯二胺合成出了一系列多色碳点[21]。其中将邻苯二胺和硫酸水热反应得到了红光碳点，其最大发射位于635 nm处。相对于其他短波长发射碳点，红光发射碳点同样需要相对最高的加热温度(200 ℃ 6 h)，与其他红光碳点报道一致。同年，Hu将双氰胺和邻苯二胺在酸性条件下用水热法制得了高效红光双发射碳点[22]。所得碳点在630 nm和680 nm处表现出非激发依赖双发射(图4)，在水中量子产率为30.2%。值得注意的是，邻苯二胺、双氰胺和H2SO4都有助于形成具有高效红色双发射的CDs。在没有邻苯二胺的情况下，只能得到蓝色荧光产物。如果在合成过程中不加入双氰胺，合成的CDs也不会发出红色荧光，这与之前报道的邻苯二胺和H2SO4体系的结果一致。此外，他还研究了H2SO4在红色双发射CDs形成过程中的作用。在合成过程中如果没有H2SO4，合成的CDs显示黄色荧光，因此，可以认为邻苯二胺、双氰二胺、氢离子和硫酸根离子共同作用制备了具有高效红色双发射的CDs。过硝酸氧化活性炭得到了平均直径为5 nm的具有绿色荧光的碳点，同时用硼氢化钠后处理还原碳点发现其荧光量子产率从2%提高到了11%，作者分析认为，化学还原增加了碳点上羟基的数量，同时减少了羰基的数量，从而增加了表面态发光，提高了荧光量子产率。酸氧化法制备碳点方法简单，实验设备要求较低，但是制备碳点的产率普遍偏低，分离较为困难，并且一般需要对碳点进行后处理钝化。

图4 非激发依赖双发射邻苯二胺碳点光致发光光谱[22]Fig.4 Non-excitation-dependent dual emission o-phenylenediamine CDs photoluminescence spectra[22]

2.3 其他典型前驱体

除了使用以上几种有机小分子作为前驱体外，近年来研究人员也常常使用一些较为复杂的含有共轭结构的大分子合成红光碳点。合成过程中，这些前驱体中固有共轭电子结构可能被部分保留，有利于使得制得的碳点有效共轭长度增加，发射红移。有些还可能保留原前驱体一些化学性质，有利于碳点的实际应用[23]。He采用一步水热法制备红光碳点。将柠檬酸和红花碱T溶于高纯水中，170 ℃加热6 h合成出最大发射波长为595 nm的碳点[24]。红花素T是一种中草药提取成分，含有苯环共轭结构。因此该碳点具有很好的生物相容性。

Zhang在2020年设计使用二硫代水杨酸和三聚氰胺溶剂热得到了在高温和强蓝光照射下具有较高的热稳定性和光稳定性的红光碳点[25]，具有无激发波长依赖620 nm的红光发射。XPS表征显示前驱体的氮和硫元素成功进入了碳点。在溶剂热条件下，二硫代水杨酸和三聚氰胺发生水解，形成纳米级石墨核，经过水解和酰胺化反应碳点表面含有大量疏水基团。这样的处理使得碳点表面态更加稳定，有效提高了其热稳定性和光稳定性。

与此同时，以生物质作为前驱体合成红光/近红外发射碳点的工作近年来也引起了碳点研究人员的注意，其中具有代表性的是2020年Liu在AdvanceMaterials上发表的以红豆杉干叶为原料合成深红色发射碳点[26]。CDs在紫外光激发下有很强的深红色荧光，并在 673 nm 处出现与激发无关的发射峰，其半高宽(FWHM)仅20 nm，是目前发表的红光/近红外发射碳点文章中最窄的。由于碳点原料为天然物质，因此具有低毒性和良好的生物相容性，这也有利于其在生物与医学中的应用。

3 红光/近红外发射碳点光学调控

3.1 尺寸效应

经过多年的实验探索，碳点研究者们发现许多因素如颗粒大小、杂原子掺杂、表面态等，可以有效地对红色CDs的光学性质起到调控作用。与传统量子点PL性质的尺寸量子化效应不同，在某些情况下，CD粒子的总体尺寸会影响碳核中共轭域的尺寸，而共轭域的尺寸会影响其PL性质[27]。

2017年，Ehrat以柠檬酸和乙二胺为前驱物合成CDs并详细探究了该碳点的内部结构和光学性质[28]。作者设计了不同实验，分别在特定的时间内停止加热取出产物进行性质表征，发现碳点会在前30 min内体积迅速增大，而后体积基本无太大变化。但是，随着加热时间的延长碳点内部结构变化很大。随着时间的推移，芳香结构域出现并且尺寸不断增大，作者推断这导致了所合成碳点获得额外的吸收和长波长发射。这一发现提供了一种灵活的方法，改变碳点的体积从而改变其发光性质，获得红光发射碳点。2019年，Rogach小组构思合成出了一种“种子碳点”[29]，用柠檬酸、尿素和DMF作为反应物合成“种子”，再通过控制碳点种子的数量密度和反应时间，制备了一系列最大发射可达596 nm的固态荧光碳点(图5)。作者将碳点发光红移归因于碳点颗粒中π-共轭域的大小变化，以及大颗粒中石墨氮掺杂量的增加。并用理论模型证明了碳点的发光性质与粒子尺寸相关。

图5 通过控制种子数量和反应时间得到不同大小和不同程度的π-共轭结构域CDs示意图，光环代表CDs的PL颜色[29]。Fig.5 By controlling the number of seeds and the reaction time,a schematic diagram of π-conjugated domain CDs of different sizes and degrees is obtained.The halo represents the PL color of the CDs[29].

2020年，Wang以邻苯二胺前驱体，通过与不同的酸溶剂热法制备了从蓝色到红色的可调荧光碳点[21]。这种反应条件下产生的碳点表面吸电子基团的增长使其光致发光发生红移，粒子尺寸明显增大。利用理论计算得到的能带能量随着碳点尺寸的增大逐渐从2.76 eV减小到1.88 eV，进一步证明了碳点的尺寸效应。同时，通过紫外光电子能谱法确定了最高已占据分子轨道(HOMO)能级，根据光带隙能量和HOMO能级得到最低的未占据分子轨道(LUMO)。从图中可以看出，随着碳点尺寸的增加，带隙明显减小，发光向红光区域移动。

由此可见，在红光调控过程中，增大碳点的尺寸是卓有成效的常见的光学调控方法。但是，尺寸效应的应用不是单纯增加碳点尺寸，还需要与其他因素相结合形成协同效应。

3.2 杂原子掺杂

大量报道指出，杂原子(包括非金属原子和金属离子)的掺入会显著改变碳点的结构和电子性质，有目的性地选择使用特定杂原子进行掺杂可以有效控制碳点的PL特征和调节其发射波长[30]。

3.2.1 非金属原子掺杂

在碳点的非金属掺杂的报道中，N元素掺杂无疑是最多的，这是由于N元素天生具有的一系列性质的优势决定的。N元素原子半径与C元素相近、其电子构型独特且电负性较大，这些性质使得用N元素来改变碳点电子密度从而改变其内部电子结构成为可能。近年来，研究者对于这方面的工作进行了大量的研究。

2016年，Hola将尿素和CA在甲酰胺溶液中进行热处理[31]，然后根据表面电荷差异进行柱层析分离，制备了具有全色发射的CDs。将得到的蓝、绿、黄、红发射的CDs分别记为b-CDs、g-CDs、y-CDs和r-CDs。N以胺/酰胺的形式存在于g-CDs和b-CDs中，y-CDs和r-CDs中以石墨N为主(图6)。CDs结构中石墨氮的增加会在HOMO和LUMO之间产生中间隙态，导致吸收和发射红移。

图6 b-CDs(a)、g-CDs(b)、y-CDs(c)和r-CDs(d)的高分辨率N1s XPS谱[31]。Fig.6 High resolution N1s XPS spectra of b-CDs(a)，g-CDs(b)，y-CDs(c)and r-CDs(d)[31].

同年，Guo将两种聚噻吩衍生物(一种含有羧基，另一种含有季铵盐)以不同比例混合后在氢氧化钠中水热法制得6种碳点[32]，这6种碳点的荧光发射峰从482 nm一直到680 nm。作者从这个系列碳点的多种表征中发现，随着含有季铵盐的聚噻吩衍生物在原料中比例上升，碳点的发光红移并且其N含量呈现出明显的增加(由<0.3%增加至3%)。作者推断这是由于季铵盐引入的N的掺杂效应使得碳点表面态趋于均匀，能级降低继而发射红移。

2018年，Permatasari通过微波辅助水热处理CA和尿素设计了富吡咯-N的CDs，得到几种发光性质不同的碳点[33]。对其中3种碳点即550 nm发射(CDs-550)、650 nm弱发射(CDs-650L)和650 nm强发射(CDs-650)进行XPS分析。CDs-550主要含有石墨N(80.3%)，而CDs-650L和CDs-650主要含有吡啶N(64.4%和70.9%)。结果表明，红光发射的CDs-650L和CDs-650富含吡咯N，吡咯N浓度随吸收峰强度的增大而增加，大量的吡咯N会使电子密度增大，使电子波通过碳点表面传播，最终使电子穿透电子跃迁禁带。2020年，Wang使用邻苯二胺合成了绿色碳点(G-CDs)，还用邻苯二胺和4-氨基苯酚制备N掺杂碳点(M-CDs)[34]，经过分析比较，M-CDs的光致发光量子产率(32.5%)比G-CDs(6.1%)高得多。通过对两种CDs结构和组成的分析可得N掺杂的M-CDs中吡咯氮和氨基氮比例更高，因此具有更长的发射波长和更高的QYs。高比例的吡咯氮和氨基氮还使碳点溶剂化变色位移更大。

除了使用N元素掺杂外还有许多非金属元素被掺入碳点以改善碳点的发光性质，使得其荧光发射红移，比较有代表性的有B元素和S元素。2019年，Pang以甲酚紫和硼酸为原料[35]，水热合成了红色发射型硼氮共掺杂碳点(BN-CDs)。BN-CDs具有良好的光稳定性、低细胞毒性，最大激发/发射波长为520/616 nm，量子产率为18%。在该BN-CDs中，硼的含量高达27.4%，远远高于之前报道的大多数用B原子修饰的CDs。作者认为B原子掺杂可以有效改善CDs的光学性能，为碳点提供更多可用的官能团，因此可以获得具有优异光学性能的长波长发射CDs。2020年，Gao报道了使用邻苯二胺和DMF溶剂热制得绿色碳点，而后通过S元素掺杂得到的碳点的发光红移至550～575 nm处。作者表征了两种碳点后发现S掺杂能显著增加石墨N的含量，导致荧光从绿色向黄色转移。而后作者又使用水工程使得碳点表面产生羧基，提高表面氧化程度，从而进一步促进其PL由黄色向红色的移动(至625 nm处)。除此之外，许多工作也报道了F元素的掺杂可以有效地改善碳点的荧光性质。Ding发现F元素掺杂诱导CDs的表面和边缘形成C—F键[36]，这使得溶液态下的CDs发射红移和荧光量子产率增加。并且F元素诱导的缺陷在势阱捕获激子从而使电荷优先聚集在缺陷周围，在缺陷周围激子重组产生红色固态荧光。值得注意的是，这项工作是首次报道固体CDs具有676 nm的长波长荧光发射，是碳点固态红色荧光的一大突破性进展。

3.2.2 金属离子掺杂

与非金属杂原子相比，金属离子可以与亲电子基团螯合，调节CDs的PL行为[37]。金属离子的引入可以向CDs贡献电子，从而改变CDs内部的电子环境，改善碳点电荷密度和可调电子能级。

稀土离子的掺杂对CDs的发射波长和强度有显著的调节作用。2018年，Yang通过碳点与七水氯化镧微波辐射加热将La3+引入CDs的内部结构[38]，有效调节CDs的荧光性质，提高CDs的性能，从而导致红移发射。作者推断发射的增强和红移是由于CDs核中La—O键的形成，导致局部结构改变，能量间隙缩小，电荷转移增加。

同时期也有研究者使用过渡金属离子掺杂改善碳点荧光性质。2019年，Yu课题组使用2,2′-(乙烯二氧)双(乙胺)与醋酸锰(II)四水合物合成了锰掺杂碳点(CDs@MnAPO-CJ50)，研究表明，作为能量受体的杂原子决定了复合材料的荧光发射[39]。根据晶体场理论，不同的晶体场会导致不同的分裂，从而导致分裂能级之间的能量间隔不同。在Mn2+离子的情况下，未填充的三维电子层中有5个d电子和16个不同能级的静电项。据报道，八面体Mn2+离子通常具有红色发射，众所周知，供体和受体之间的距离是能量转移(ET)的关键因素。原位点阵合成方法导致CDs紧密嵌入晶体基质的间断纳米空间中。CDs与基体之间的氢键相互作用使得CDs与框架中的Mn2+离子之间的距离非常近，从而有利于碳点-矩阵能量转移(CMET)的发生。通过该理论设计合成的碳点在620 nm有很强的红光发射。由此可见，金属离子经过合理的设计以恰当的方式掺杂进入碳点可以卓有成效地提高碳点的荧光发射性质，将原来碳点的最大发射波长提高到红光区域。

3.3 表面态修饰

很多研究都指出碳点的表面有着丰富的官能团，这些官能团对于碳点PL性质有着重要的影响，有研究者认为碳点的PL中心就位于碳点表面。从发光机理上来说，不同的表面态意味着不同的能级，这导致了许多电子跃迁的可能性和不同的PL性质。因此，使用合理的方法修饰碳点表面态也是调节碳点PL发射至长波长区域的重要手段。

2015年，Xiong课题组选择尿素和对苯二胺水热法制得碳点[40]，经过硅胶柱层析纯化后，获得8种不同荧光发射的碳点，它们的发射峰从440～625 nm，几乎覆盖整个可见光区域。这些碳点前驱体、溶剂、合成方法、粒子大小完全相同，但是荧光性质却天差地别。作者使用多种表征手段分析这些碳点后发现不同的只是表面态，这些碳点表面氧化程度不同(表1)。因此作者认为，随着碳点表面态氧化程度的增加(碳氧双键和羧基比例提高)，带隙逐渐减小，碳点发射显著红移。

表1 对4种典型CDs样品的C1s光谱进行XPS数据分析[40]Tab.1 XPS data analysis of C1s spectra of four typical CDs samples[40]

近年来对于表面态的研究也有了新的进展，Nguyen以1,2,4,5-苯四羧酸和2,7-二氨基芴溶剂热法合成CDs[41]，通过与Xiong相同的硅胶柱层析法分离出不同极性的碳点，实验数据表明,表面态氧化程度增大导致碳点上具有光学活性的缺陷变多。这样的缺陷越多越会增加具有更小能量隙的缺陷的概率，从而产生红光发射。控制含氧缺陷的数量是调控的关键。作者认为表面的氧化缺陷数量与发射波长红移成正相关。

2020年，Kundelev对碳点的发光机理进行了理论计算分析[42]，假设附着在碳点表面的多环芳烃(PAHs)分子状亚基决定碳点的光学性质。这些多环芳烃亚基有3种典型的偶联类型，分别是非相互作用的单体、非共价结合的二聚体、以及与2、3或4个碳键结合的共价结合的二聚体。当自由单体被共价键桥中心取代时，碳点的发射峰变宽、出现红移但同时发射强度减弱。这一理论研究结果表明，设计合成表面具有许多弱相互作用发射中心的碳点是实现其高效红色光致发光的有效途径，也是通过表面态调控碳点发射红移的又一典型案例。

4 红光/近红外发射碳点最新应用

红光/近红外发射碳点的应用近年来得到了显著的扩展，其在化学传感[43-44]、抗菌[45]、生物传感[46-47]、生物医学[48-49]、荧光成像[50-51]、光伏器件[52-53]、光催化[54]等方面的应用都受到了广泛的关注。本文主要介绍红光/近红外发射碳点在生物成像、疾病治疗和制作WLEDs方面的最新进展。

4.1 生物成像

目前生物成像使用的多为有机染料和传统量子点，与这两种材料相比，使用碳点应用于生物成像具有明显的优势，其优异的光稳定性和良好的生物相容性极大地提升了其在生物传感方面的潜力。

2019年，Hua以对苯二胺和镍离子(Ni2+)为原料[55]，制备了具有最高QY的Ni-pPCDs，金属离子在合成过程中起到了类似催化剂的作用。该碳点拥有不依赖激发的发射(约在605 nm)、极性敏感性和核糖核酸响应性。用Ni-pPCDs(5 μg/mL)处理活细胞30 min，然后得到了552 nm激发、660 nm损耗的免洗受激发射损耗荧光电镜(STED)图像。细胞及其核仁放大的共聚焦和STED图像如图7所示。这是首次报道的在免洗情况下通过红色发光CDs实现核仁的超分辨率成像，显示了CDs在精确生物成像和核仁相关研究方面的巨大应用潜力。

图7 (a)STED图像；(b)Ni-pPCDs染色的代表性A549细胞共聚焦图像[55]。Fig.7 (a)STED image.(b)Confocal image of a representative A549 cell stained by Ni-pPCDs[55].

2020年，Sun使用N-苯基-邻苯二胺成功制备了具有良好生物相容性的主发射带位于远红色区域的苯基碳点[56]。采用CCK-8法评价了苯基碳点的细胞毒性。结果表明，即使在80 μg/mL的浓度下，细胞存活率也在95%以上。作者还进一步研究了苯基碳点在HeLa细胞中的通透性，发现40 s就可以观察到细胞内有明显的荧光，碳点的通透性也达到了生物成像要求。用二硫苏糖醇(DTT)刺激细胞，实时监测活细胞极性的变化。以苯基-CDs染色的HeLa细胞为对照组，同时以苯基碳点染色HeLa细胞与5 mmol/L DTT孵育为实验组。与对照组相比，实验组的荧光强度明显降低到对照组的60%(图8)，细胞在DTT刺激下由梭形变为不健康圆形。这些结果可以归因于溶酶体极性的改变。结果表明，该碳点可用于实时监测溶酶体极性的变化。

图8 (a)～(h)不同时间40 μg·mL-1苯基CDs处理HeLa细胞的CLMS图像(0～12 min)；(i)HeLa细胞与苯基CDs孵育0～12 min(λex=530 nm，λem=550～650 nm)对应的荧光强度(统计细胞数量:10)。比例尺:25 μm[56]。Fig.8 (a)-(h)CLMS images of HeLa cells treated with 40 μg·mL-1 phenyl-CDs at different time(0-12 min).(i)Corresponding fluorescence intensities of HeLa cells incubated with phenyl-CDs for 0-12 min(λex=530 nm,λem=550-650 nm)(statistical quantity of cells：10).Scale bar：25 μm[56].

同年，Jiang将柠檬酸尿素在氟化铵辅助作用下溶剂热制得UV-Vis-NIR全范围响应型氟和氮掺杂CDs(N-CDs-F)，其多光子吸收截面大于传统有机化合物[57]。此外，N-CDs-F在体内外均表现出明亮的深红色至近红外荧光。作者分别向小鼠腹腔注射1mg/mL的N-CDs-F和未掺杂CDs(柠檬酸尿素碳点)。与未掺杂的CDs相比(图9(a))，注射了N-CDs-F的小鼠腹部在510 nm激发下显示出强烈的红色荧光，说明N-CDs-F可以有效进入小鼠的皮肤和组织(图9(b))。基于N-CDs-F的近红外吸收/发射特性和较低的体外细胞毒性，研究者还利用近红外激光进一步研究其体内相容性和生物分布。在水溶液中分别注射N-CDs-F和未掺杂CDs的小鼠被735 nm激光刺激。注射N-CDs-F的小鼠腹腔显示出强烈的红色荧光(图9(d))，而注射了未掺杂CDs的小鼠则没有显示任何荧光信号(图9(c))。因此，这些结果表明N-CDs-F具有较强的组织穿透能力，可以作为一种有效的近红外发光探针用于体内成像。

图9 CDs(a)和N-CDs-F(b)(λex=510 nm，λem=630 nm)皮下注射处理的裸鼠体内荧光图像；皮下注射CDs(c)和N-CDs-F(d)(λex=735 nm，λem=785 nm)的裸鼠体内近红外荧光图像。色条表示荧光强度[57]。Fig.9 CDs(a)and N-CDs-F(b)(λex=510 nm,λem=630 nm)in vivo fluorescence images of nude mice treated by subcutaneous injection.NIR fluorescence images of nude mice injected subcutaneously with CDs(c)and N-CDs-F(d)(λex=735 nm,λem=785 nm).The color bars indicate the fluorescence intensity[57].

4.2 疾病治疗

红光碳点在早期研究中就因其先天具有强的组织穿透性、优异的生物相容性和光学稳定性而被认为是一种新兴的用于先进生物医学应用的纳米材料。近年来对于将碳点应用于疾病治疗方面的研究层出不穷[58]。

2020年，Geng以1,3,6-三硝基芘(TNP)这一独特前驱体制得了在NIR-Ⅱ窗口光热转换效率很高的碳点(NIR-Ⅱ-CDs)[59]，作者改变前驱体质量比制备了石墨N含量可控的碳点。研究结果表明：(1)在808 nm和1 064 nm处的吸光度与石墨N含量成正比，(2)光热η随石墨氮含量的增加而显著增大。基于这些实验结果，作者推断出该NIR-Ⅱ-CDs的一种独特的光热转换机制。将其中高效的近红外吸收和光热转换归因于掺杂石墨的N位作为顺磁的F中心。在NIR-Ⅱ窗口(1 064 nm)的深度组织，光热-化学疗法(Photothermal-chemo combination therapy，PCT)的疗效进一步评估，使用包裹10 mm鸡乳房组织的肿瘤模拟临床场景。将含有NIR-Ⅱ-CDs的药物溶液静脉注射到4T1荷瘤小鼠体内，然后进行1 064 nm激光照射。经PCT治疗后，肿瘤完全根除，无复发(图10)。此外，治疗后小鼠体重没有明显下降，证实了不良反应可忽略。结果表明，基于NIR-Ⅱ-CDs的PCT在NIR-Ⅱ窗口具有超高光热转换效率和脂质体的传递能力，这些优秀的性质导致了出色的深层组织治疗效果。

图10 不同治疗后18 d 4T1肿瘤小鼠的代表性照片，肿瘤用红色圆圈标记[59]。Fig.10 Representative pictures of 4T1 tumor mice 18 d after different treatments.The tumor is marked with a red circle[59].

除了可以通过优秀的光热转换性质进行光热-化学治疗外，有报道还发现红光碳点可以靶向抑制特定蛋白质以达到治疗效果。Chung近期将二甲基氨基丙基乙基碳酰胺与柠檬酸碳点反应[60]，使得碳点上的羧基与DNA适配体上的氨基进行化学偶联，制备Aβ特异性适配体功能化碳点(Apta@CDs)。β-淀粉样蛋白(Aβ)肽聚集物的细胞外沉积是阿尔茨海默病(AD)脑的主要特征。由于Aβ肽聚集物会加重AD患者的神经病变和认知障碍，作者希望能够使碳点靶向抑制Aβ自组装以达到对AD的治疗。该工作测试了Apta@CDs和Aβ物种脑组织之间的结合相互作用。脑切片首先用Apta@CDs染色，然后用硫黄素S(ThS，经典的Aβ聚集探针)反染。如图11，脑切片的荧光图像显示，ThS阳性的Aβ聚集物与Apta@CDs有大量的协同作用，表明Apta@CDs与嵌入5xFAD小鼠大脑中的Aβ聚集物有特异性结合。然后研究假设该碳点通过光触发抑制Aβ聚集在患处。为了将Apta@CDs注入并将光线传递到靶区，用0.3 mm厚的透明且柔韧的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜替换了小鼠部分右顶骨，在小鼠大脑上植入了一个颅窗。研究者发现Apta@CD注射和光照射均能明显降低LED照射区ThS阳性Aβ聚集。成像分析显示，使用Apta@CDs的光调处理可使Aβ斑块聚集的数量和面积减少约40%。而在无光照条件下注射Apta@CDs的对照组，Aβ斑块聚集的数量和面积仅减少10%。实验结果表明，光触发Aβ靶向Apta@CDs拥有显著治疗能力，可以作为一种有效的纳米药剂减少体内异常淀粉样蛋白聚集体的形成。这也表明碳点在疾病治疗领域有着巨大的应用潜力。

图11 体内立体定向注射Apta@CDs(3 μL,0.8 mg·mL-1)1周后，5xFAD小鼠冠状脑切片的示例性荧光图像。用ThS对脑组织进行Aβ染色。合并图像底部显示ThS阳性Aβ物种和Apta@CDs的共定位，比例尺：0.5 mm。分别使用体视显微镜中配备的GFP和RFP滤镜对ThS和Apta@CDs进行成像[60]。Fig.11 Exemplary fluorescence images of 5xFAD mouse coronal brain slices after 1 week of stereotactic injection of Apta@CDs(3 μL,0.8 mg·mL-1)in vivo.The brain tissue was stained with ThS for Aβ.The bottom of the merged image shows the co-localization of ThS-positive Aβ species and Apta@CDs,scale bar：0.5 mm.The GFP and RFP filters equipped in the stereo microscope were used to image ThS and Apta@CDs respectively[60].

4.3 制作WLEDs

白色发光二极管(White light-emitting diodes，WLED)由于高发光效率、高亮度和节能优点，是一种具有优秀发展前景的固态光源。当前商用WLED多使用稀土材料，自然存在原料价格昂贵和高能耗等缺点。过去基于碳点的WLEDs由于其在红色区域的发射强度微弱而遭遇瓶颈，但是近两年来研究者在探索强红光发射碳点方面作出了卓有成效的努力，并取得了许多突破性的进展[61-63]。红光区域碳点的发射效率的提升促进了其在光电子器件应用方面的快速发展。

2019年，Yuan利用间苯二酚为原料合成出纯红色窄带宽发射三角形CQDs(PR-NBE-T-CQDs)[64]。该碳点具有高效红色发射(光致发光峰在610 nm，量子产率达72%，半宽仅为33 nm)。通过结构和光学表征以及详细的理论计算表明，间苯二酚与间苯三酚不同，其具有较低的反应势垒，因此更容易形成尺寸较大的三角形CQDs，继而实现纯红色发射。图12(a)显示了三维分层WLED示意图。这种由PR-NBE-T-CQD薄膜外层和PG-NBE-T-CQD薄膜内层结合在蓝色LED芯片顶部的结构使自吸收效应最小化，效率最高。为了匹配人眼对蓝光的敏感区域，作者选择了发射波长为450 nm的蓝光LED芯片。这盏灯在20 mA的电流下发出明亮的白光。制备的WLEDs的电致发光光谱(Electroluminescence，EL)明显由3个发射波段组成，峰值分别在450，522，615 nm，窄FWHM分别为18，32，33 nm，分别对应蓝光LED芯片、PG-和PR-NBE-T-CQDs薄膜的发射(图12(b))。优化后的器件在20 mA电流驱动下发光效率为86.5 lm·W-1，坐标值为(0.35,0.33)，显色指数(CRI)为56.9。WLEDs的色域宽达110% NTSC标准，甚至可以与成熟的高色纯度钙钛矿量子点和基于半导体量子点的WLEDs相媲美。

图12 (a)WLED设备原型的配置示意图和WLED灯在20 mA下运行的照片;(b)白光LED的EL光谱[64]。Fig.12 (a)Configuration diagram of the prototype of the WLED device and the photo of the WLED lamp running at 20 mA.(b)EL spectrum of white LED[64].

2020年，Li以邻苯二胺和三异丙基乙磺酰为前驱体采用溶剂热法合成出蓝绿红三色发射CDs[65]。这三种碳点拥有宽的半峰宽(109～120 nm)以及较高的量子产率(最高64%)。各项实验表征表明，这三种CDs的三色发射与sp2共轭域大小和石墨氮的含量有着密切的关系。碳点粒径的增大以及石墨氮含量的增加都使得碳点发光出现红移。由于该系列碳点具有宽粒度分布的特点，因此这三色碳点都有着超宽带发射。作者将三色CDs分散在PVA高透明聚合物基体中，制备了红/绿/蓝三色CDs薄膜，将三色碳点薄膜与UV-LED芯片相结合制成了CRI高达93.1～96.5的WLED。该WLED的相关色温(Correlated color temperature，CCT)可从冷白光(8 203 K)调至暖白光(3 750 K)(图13)，并在20 mA连续工作48 h后，EL强度仍有初始值的91.2%，具有良好的光稳定性。

图13 基于三色碳点的WLED CIE颜色坐标[65]Fig.13 CIE color coordinates of WLEDs based on tricolor CDs[65]

5 总结和展望

本文综述了国内外近年来R/NIR-CDs的典型前驱体、总结其光学调控的方法、荧光发光机理以及生物与医药学等方面应用的最新进展。主要总结了柠檬酸、苯二胺等合成红光/近红外发射碳点的典型前驱体，以及尺寸效应、杂原子掺杂、表面态等在光学调控方面的作用机理。尽管碳点在红光/近红外发射调控方面取得了长足的进步，但其仍存在荧光量子效率低、半峰宽较宽且有激发波长依赖等明显缺陷，制备量子效率高、半峰宽窄、无激发波长依赖的深红光/近红外光碳点是目前亟需解决的难题。首先，碳点的PL的机理仍然存在诸多争议，以碳点荧光来源机理为例，既有碳点本征发光机理即将荧光归属于碳点石墨烯片层结构中离域π电子的跃迁，也有表面缺陷态发光机理即碳点表面的杂原子官能团破坏了碳点中的共轭结构，进而在碳点表面形成了含氧或多环芳烃结构从而导致荧光的产生。这些机理孰更为接近碳点的真实荧光产生过程亦或是相辅相成，在不同的条件下占据主体地位，目前尚不清楚。因此，需要一种全面而综合的发光机理来指导红光/近红外发射碳点的合成与应用。其次，红光/近红外发射碳点合成中存在成本高、重复性不稳定、产量较低的问题，并且大多数碳点后处理提纯手段复杂且费时，这些问题限制了红光/近红外发射碳点在实际应用上的发展。因此，在碳点合成提纯方面亟需合理高效的理论与方法的研究探索。

综上所述，尽管在探索的道路上还存在着诸多挑战，但是红光/近红外发射碳点由于其优异的PL性质、良好的生物相容性、出色的光电稳定性，相信会在未来生物成像、癌症治疗、加密防伪和光电器件等领域具有出色的应用前景与价值。