114现代制造技术与装备2017第1期总第242期碳量子点的制备及其在生物领域的应用

姜杰1严一楠2李士浩2何丹农w

(1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海; 2,纳米技术及应用国家工程研究中心，上海)

摘要:碳量子点由于独特可调的光致发光属性和特殊的物理化学性质、高耐光性、生物相容性和纳米又寸，已经在生物医学领域受到了广泛关注。本文旨在介绍碳量子点在其短暂历史中迅速发展得到的成果，并提供见解, 促进碳量子点更令人兴奋的发展。此外，本文将介绍碳量子点的制备方式及它们在生物领域中(基础医学及诊断 治疗学)的应用。

关键词:纳米材料破量子点生物应用

引言

碳量子点通常定义为尺寸小于l〇n m的球形纳米颗粒。它的主要构成元素为碳，同时还含有氧、氮在内的其他元素。碳量子点中的碳主要由sp2杂化碳及无定型碳两部分组成。

碳量子点最受关注的特性是它的光学特性。它在紫外 光区及可见光区有宽且连续的光吸收，并且在很长波长范 围内的波长激发下能够发射出荧光。碳量子点的荧光具有 尺寸依赖性、发射波长及强度依赖性，因此控制碳量子点 的尺寸或选择合适的激发波长，能够改变碳量子点的发射 波长和强度，从而得到具备髙量子产率以及不同颜色的荧 光。同时，碳量子点还具有上转换特性，能够在近红外激 光(800mn)的激发下，发射出具有较短波长的荧光。由于 较长波长的激光能够穿透进入深层生物组织，因此碳量子 点的上转化特性使其有利于深层组织的造影。

在碳量子点短暂的历史中，已经出现了多种碳量子点 的合成方法及改性方式。本文着重介绍碳量子点的制备方 法及改性方法的种类，并介绍当下碳量子点在生物领域的 不同应用，简单总结氧化钨的不足之处和未来发展的趋势。1碳量子点的制备及改性方法

碳量子点被发现以来，衍生了种类繁多的碳量子点的 制备方法。这些制备方法主要可以被分成两大类:自上而 下法和自下而上法。自上而下法主要指通过物理或化学方 法将大分子(如石墨、石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管、碳纤维以及碳黑等)破坏并分散为小尺寸的碳量子点，?自 下而上法则主要指通过化学反应将一系列小分子聚合并碳 化成为碳量子点。

1.1 “自上而下法”

自上而下法主要包括电弧放电、电化学氧化、激光刻 蚀和水热法等。

1.1.1电弧放电法

电弧放电法是在2004年由X u等人在纯化电弧放电法 制备的单壁碳纳米管过程中发现的最早制备碳量子点的方 法[1]，如图1所示。此后，电弧放电法还被运用在多种碳 量子点的制备过程当中，Bottini等人利用电弧放电法从硝酸化的单壁碳纳米管中得到了荧光碳量子点，制备得到的 碳量子点粒径分布相较不均匀，但是具有良好的亲水性

通过电弧放电法制备碳量子点得到的碳量子点的量子效率 相较较为低下，同时在制备的过程中，电弧放电法同时会 生成许多的杂质，使得碳量子点很难提纯。

A.荧光照片;

B.CDs、SWNTs;

C.碎的 SWNTs;

D.TEM

图1365nm下不同联材料的相关图片

1.1.2电化学氧化法

电化学氧化法是一种常用的制备碳量子点的方法。它 是由Z hou等人利用石墨烯卷在碳纸上生长多壁碳纳米管时 意外发现的[a]。这些生成的碳纳米管在电化电池中充当电 极。在电流下通过阳极氧化反应，碳量子点从碳纳米管上 被剥离下来，并且在溶液内聚集，如图2所示。在有机电 解质电化学氧化过程中，碳纳米管发生了纠缠膨胀，并弯 曲形成了直径在2. m的碳量子点。随后通过电化学 氧化法，一系列碳材料被运用于制备碳童子点。2^〇[4]等 人利用电化学氧化石墨的方式，制备得到了具有波长依赖 性的碳童子点。制备得到的两种粒径分别为1. m以及3. m，发射波长分别为445n m及510n m。电化学 氧化法作为一种常用的碳童子点制备方法，具有操作简单、稳定性好、重复性高等优点，但制备得到的量子点量子效 率仍旧不理想a

基金项目:上海市青年科技启明星计划(

15QB1402100) 〇

文章来源：《现代制造技术与装备》 网址: http://www.xdzzjsyzb.cn/zonghexinwen/2020/0820/523.html