绿色来源荧光碳点的合成及应用进展

夏 岚，张远华 综述 付琦峰 审校

西南医科大学药学院药物分析学教研室（泸州 646000）

近年来，随着荧光纳米材料的发展，碳点（carbon dots，CDs）由于其多方面的优越性质得到了广泛的研究[1]。除了可与传统半导体量子点（quantum dots，QDs）相媲美的强荧光性能[2]之外，CDs 还具有低毒、易于表面修饰、光稳定性和生物相容性良好等优势，克服了QDs 所固有的重金属泄露、毒性大、环境污染等问题。因此，CDs作为有毒重金属量子点的优良替代品，已被广泛应用于许多领域，如生物成像[3-5]、药物传递[6-8]、化学传感[9-11]、光催化[12-14]、多色发光二极管（LED）[15-17]等。

合成CDs 的原料可分为两大类：化学合成物质和天然物质。近年来，各种化学合成物质如氨基酸[18]、尿素[19]、硼酸[20]和柠檬酸[21]等已被用于合成CDs。绿色来源CDs是以绿色来源生物质作为前驱体合成的碳纳米材料。“绿色”一词指的是天然材料或天然可再生资源的产品。相比于化学物质前驱体，天然生物质用于CDs 合成具有显著的优势，如低成本、强实用性、环境友好、高生物相容性和高可再生性等。前期相关领域综述更多关注的是化学合成物质前驱体CDs的制备方法和各类应用，而绿色来源CDs 合成及应用的相关综述较少，本文将围绕这一主题进行系统总结和解析。

基于碳点来源的不同，“自上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）策略被分别用于指导CDs的合成。电化学氧化[22-23]、电弧放电[24]和激光烧蚀[25-26]等“自上而下”法都涉及将尺寸较大的碳基材料（例如：碳纳米管、石墨、商用活性炭）剥离成纳米级CDs的过程。但这类方法有很大的局限性，通常需采用苛刻的实验条件（如强酸和电弧放电）、操作步骤繁琐、仪器设备昂贵，这大大限制了其实际应用。相反，“自下而上”法，如水热法[27-29]、微波辅助法[30-32]、热解法[33-35]、超声波辅助法[36-38]等，可诱导小尺寸的碳前驱体发生氧化、脱水、缩聚、碳化等一系列反应过程，最终获得表面含有各种官能团的CDs。这类方法具有反应条件温和、成本低、操作简捷等优点，因此在CDs 的合成中得到了广泛的应用。

1 绿色来源CDs的合成方法

最初发现CDs 时，其合成仅限于使用含碳材料。然而，这些方法合成CDs 的水溶性有限，量子产率（quantum yield，QY）较低，大多需要进行表面钝化来提高CDs的溶解度和QY。近十年随着绿色化学的发展，具有操作简便、物质来源丰富、成本低廉、环境友好、可再生等优点的生物质衍生绿色来源CDs合成方法越来越多地被报道。本文总结了用于绿色来源来源CDs合成的各种碳源和制备方法，这些绿色碳前驱体包括水果、果汁、蔬菜、饮料、烘焙产品、人类衍生物、植物和植物花瓣等类型。图1 统计了近5 年SCI（science citation index）收录的采用不同方法合成绿色来源CDs 的论文数量。

图1 2018-2022年SCI收录绿色来源CDs合成方法发文量统计图Figure 1 Statistical chart showing the number of publications on green CDs synthesized by different methods included in SCI from 2018 to 2022

1.1 水热法

水热（溶剂热）法（图2）因操作简便、实用性强、易于推广和重现等优点被广泛用于绿色来源CDs 的合成。如表1 所示，水热及溶剂热是当前最主流的绿色来源CDs合成方法。水果类生物质被较早用于CDs的合成。ALVANDI 等[39]利用青梅合成了浓度依赖性多色荧光碳点并将其应用于农药的检测。因果汁的低成本以及环保等优良特性，大量利用橙汁[40]、香蕉汁[41]、柠檬汁[42]合成CDs的方法被报道。除了以水果和果汁为碳源，研究者们还利用果皮作为原料来合成CDs。RAJI ATCHUDAN等[43]利用猕猴桃果皮，在水热条件下合成了水溶性CDs，并将其应用于Fe3+的选择性灵敏检测。该研究组[44]还以香蕉皮为原料合成了荧光性能优异的绿色来源CDs。由于蔬菜富含天然酚、维生素、碳水化合物等组分，随后也被广泛用于CDs的绿色合成。SMRITHI等[45]以甜菜为碳源合成了CDs，评估了其抗氧化及抗癌能力。LIU等[46]以胡萝卜为碳源，在水热条件下定向合成了高产率CDs并成功将其应用于重金属离子的絮凝与检测、生物成像以及乙醇检测。DONG 及其研究组[47]合成了平菇源CDs，并发现该CDs可作为营养物质促进食用菌生长。其他以蔬菜为碳源采用水热法合成绿色来源CDs 的研究也陆续被报道，如黑木耳[48]和灵芝[49]。

表1 绿色来源CDs的代表性水热合成前驱体及荧光性质Table 1 Representative precursors and fluorescence properties of green CDs prepared by hydrothermal method

图2 水热法合成绿色来源CDsFigure 2 Hydrothermal synthesis of green CDs

ZHAO等[50]以松木作为前驱体，利用水热法下合成了量子产量为4.69%的CDs。进一步研究了其水热合成机制，并将该CDs 用于Fe3+的选择性灵敏检测。GHOSH等[51]以万寿菊为碳源，在220 ℃下合成了QY为63.7%的绿色来源CDs。其他植物源如槟榔叶[52]、茶花[53]、肉桂[54]等也被用于合成CDs。

饮料是一类重要的可食用绿色资源，可用于绿色来源CDs 的合成。速溶雀巢咖啡是首个被用于合成CDs 的饮料前驱体。JIANG 等[55]将咖啡粉简单地混合在热水中，经离心和过滤后提取出了绿色来源CDs（量子产量为5.5%），并发现其具有高于豆奶的氮含量（7.8%）。随后，WANG 等[56]以廉价可再生的牛奶为绿色碳源，采用水热法于180 ℃加热8 h得到了自钝化的氮掺杂CDs，QY为12%。

1.2 微波辅助法

微波辅助法（图3）是在微波辐射下直接将碳源碳化成CDs的一种方法。仅需较短时间的加热即可提高CDs 的QY 等性能，是合成CDs 最有效、最省时的方法之一。表2列出了利用微波辐射方法合成的各类绿色来源CDs。ARCHITHA 等[57]以棕榈壳为碳前驱体，采用微波辐射法合成了量子产量为17%的CDs，获得的CDs 被应用于生物成像和Fe3+的检测。KRISHNAIAH等[58]使用草地早熟禾作为碳源制备了量子产量为7%的CDs，并将该CDs 用于检测Mn2+和Fe3+。此外，以芦荟[59]、薄荷[60]、南美蟛蜞菊[61]等为原料采用微波法制备CDs的研究也陆续被报道。

表2 绿色来源CDs的微波合成前驱体及荧光性质Table 2 Representative precursors and fluorescence properties of green CDs prepared by microwave heating

图3 微波辅助法合成绿色来源CDsFigure 3 Microwave assisted synthesis of green CDs

1.3 热解法

热解法是制备绿色来源CDs的一种简单而成熟的方法。通过高温加热碳前驱体而后经分离纯化得到CDs。JAGPREET 等[62]利用芒果叶合成了水溶性绿色来源CDs，并用于金属离子检测。

1.4 超声辅助法

超声辅助法是将溶剂和碳源的混合物进行超声处理得到CDs。该方法具有成本低、操作简单等优点。仅需通过调节实验条件，如超声功率、反应时间、溶剂比例、碳源等即可调节CDs的性质。QIU等[38]以传统炮制中药党参为碳源，采用简便的一步超声溶剂法获得了量子产量为12.8%的蓝色荧光CDs。该法获得的CDs 对Cr（VI）显示出较高的灵敏度与选择性，其检测限为15 nM，检测范围为0.03-50 mM。

在上述制备绿色来源CDs 的合成方法中，水热法具有成本低、环境友好等优点，是目前应用最广泛的方法。然而，水热法的合成过程往往需要很长时间，制备效率受限。微波辅助法作为一种省时和易于操作的合成方法，在绿色来源CDs合成方面有望得到更多应用。

2 绿色来源CDs的应用

绿色合成的CDs 因自身含有丰富的元素和官能团，一般无需表面钝化处理。而这些基团的多样性使得绿色来源CDs对各种有机小分子和金属离子具有较好的传感选择性和灵敏度。同时由于其低毒性，也被广泛用于细胞和细菌的生物成像以及体内和体外药物和基因的递送介质。此外，将绿色来源CDs 与常规半导体光催化剂结合，通过光诱导电子转移机制还能有效提高CDs的催化效率。

2.1 生物成像

绿色来源CDs比化学合成物质衍生CDs表现出更好的生物相容性，因此，绿色来源CDs有望在生物医学领域得到广泛应用（图4）。而且，CDs的微小尺寸和固有光学特性使其能够作为体外和体内的生物显像剂（表3）。此外，绿色来源CDs 的其他优点如高水溶性、光稳定性和防光漂白性也使其成为生物成像应用的理想材料。JIANG 等[55]使用咖啡来源的CDs 对人肝癌肝细胞（SMMC-7721）细胞株进行体外生物成像。这些CDs 在细胞中显示蓝色、绿色和红色荧光标记效果。WANG 等[56]以QY 为12%的牛奶为原料合成氮掺杂蓝光荧光CDs，用于脑胶质瘤细胞的体外细胞成像（U87）。YU等[63]以莲藕为碳源制备了用于膀胱癌细胞（T24）生物成像的蓝色荧光CDs。SHAO等[64]通过水热法合成的桑叶来源CDs 呈现出蓝色荧光，并用于人肝癌细胞（HepG2）成像。LIANG 等[61]以南美蟛蜞菊为碳源合成了红光CDs并用于癌细胞的荧光成像。虽然有关绿色来源CDs 用于生物成像的应用被频繁报道，但大多数CDs生物成像应用仅限于哺乳动物细胞的体外研究，很少有关于细菌、真菌和植物细胞成像的研究。因此，利用绿色来源CDs 探索其他细胞类型的生物成像应用还有待探索。在细胞核、高尔基体和线粒体等细胞器的精确靶向方面，还需要利用绿色来源CDs 进行进一步的研究。此外，CDs 在活体成像中的使用也非常有限。因此，具有优异光稳定性、生物相容性及靶向特异性的绿色来源CDs 还有待进一步开发，使其在深部组织生物成像等方面得到更有价值的应用。

表3 绿色来源CDs在生物成像中作为生物显像剂Table 3 The application of green CDs in bioimaging

图4 绿色来源CDs作为生物成像剂Figure 4 Green CDs for the application of biological imaging agents

2.2 药物递送与疾病诊疗

绿色来源CDs 尺寸很小，容易被细胞吸收。而且大的比表面积和高的生物相容性使其成为有效的药物传递载体。绿色来源CDs已被用于各种癌细胞和细菌的药物传递剂。同时，基于传统中草药已有的药理活性，越来越多研究者以中草药为碳源合成绿色来源CDs并用于药物治疗研究。ZHANG等[65]以盐酸阿霉素（DOX）为模型药物，壳聚糖源碳点为药物载体，肝素为辅助药物，设计并制备了一种pH触发释药的多功能给药系统。WU 等[66]利用一步热解法合成了金银花源CDs，该CDs 可以降低脂多糖诱导的发热和低温，并通过降低血清中TNF-α、IL-1β 和IL-6 的浓度来缓解炎症。WANG等[66]以枳实为碳源合成了可用于治疗高尿酸血症以及痛风性关节炎的绿色来源CDs。

2.3 化学传感

CDs的光学性质，特别是荧光性质，在与化学物质或离子相互作用时可能发生变化，是一类便于测量的响应信号。待测化学物质与CDs表面官能团产生相互作用，通过能量转移等机制来影响CDs的荧光强度、发射波长等。通过监测荧光信号的变化，可用于很多目标分析物的定性与定量检测（图5，表4）[29，38，54，58，67]。CDs 的荧光猝灭传感机理可分为以下类型:（a）CDs 可将光激发电子提供给金属离子的导带（电子转移，ET机制）;（b）能量从CDs 的激发态转移到金属离子（Förster 共振能量转移，FRET）;（c）CDs 发射的能量可被金属离子重新吸收（内滤效应，IFE）;（d）CDs 能向金属离子的空d 轨道提供光激发电子;（e）在CDs 聚集过程中，激发态CDs 的能量转移到基态CDs，抑制辐射发射（聚集诱导发射猝灭，AIEQ）;（f）CDs在基态下可与金属离子猝灭剂形成配合物，在光激发下可发生非辐射发射（静态猝灭效应，SQE）。除SQE 和IFE 之外，其他途径属于动态猝灭机制。尽管基于绿色来源CDs的化学和生物传感技术已用于很多分析物的实际检测，但截至目前，绿色来源CDs传感对象的种类还较为有限，靶向检测的选择性也有待提升。此外，光谱位移、荧光寿命变化等其他光学信号以及比率荧光、基于固体基质的可视化传感等新型检测模式在CDs化学传感中的应用还不多见。

表4 绿色来源CDs在化学传感中的作用Table 4 The application of green CDs in chemical sensing

图5 绿色来源CDs用于化学传感Figure 5 The application of green CDs for catalysis

2.4 催化

与氧化锌、CdS、TiO2等常见光催化剂相比，低毒、高稳定性的绿色来源CDs 表现出良好的光催化活性。某些CDs 在近红外（NIR）区域的光吸收使其成为一种有效的催化剂，可避免高能辐射对有机化合物的破坏[1，68]。表5列出了绿色来源CDs作为催化剂的典型用途[69-71]。CDs的光催化作用主要基于以下原理:（a）π共轭CDs 可作为感光剂，金属/金属氧化物的导带在可见光照射下接收电子;（b）CDs可以作为电子库，通过接受来自金属/金属氧化物的光激发电子来抑制e-/h+复合;（c）上转换光致发光CDs吸收可见光并发出紫外光，被金属/金属氧化物吸收形成光激发电子;（d）CDs也可通过π-π相互作用与有机染料结合，从而增加降解概率。此外，CDs本身具有光催化反应的能力，这是因为芳香结构的CDs 存在显著的π-π 共轭效应，减少了价带和导带之间的能隙。此外，加入其他合适的掺杂剂如N，通过向CDs 中注入电子，提高了其可见光敏感光催化活性[42]。与化学衍生CDs 相比，绿色来源CDs 在光催化领域的应用相对有限。因此，在绿色来源CDs 光催化领域有必要进行进一步的研究。预计通过对前体分子的精细选择可影响CDs 的局部电子结构，从而提高CDs的光催化活性。

表5 绿色来源CDs在催化领域中的应用Table 5 The application of Green CDs for catalysis

3 小结与启示

本文从不同方面系统综述了由天然和可再生资源合成的CDs在生物成像、传感、药物/基因传递和催化领域的应用潜力。尽管绿色来源CDs的合成方法已得到一定程度的发展，但相关挑战仍然存在：①大部分绿色来源碳点呈短波长发射，缺乏有效合成长波长荧光碳点的简便策略；②已报道绿色碳点的纯化方法不够严格，其荧光性能和产率被高估；③高效、高收率、大规模的绿色来源CDs 制备方法还有待发展。针对这些不足，在后续研究中应进一步探索前驱体种类、合成路径与绿色来源CDs 功能特性之间的内在关系，明确CDs的发光机制，发展理性合成长波长发光绿色来源CDs的新方法。此外，还需保证绿色来源CDs 提纯方法的可靠性，开发高纯度荧光CDs的高效合成方法，拓展其在各个领域中的应用价值。