什么是碳量子點(diǎn)

物質(zhì)的許多性質(zhì)取決于物質(zhì)中活潑電子的狀態(tài)，而電子狀態(tài)取決于電子所處的空間勢能，隨著物質(zhì)尺寸的降低，電子的運(yùn)動受到限制，按照電子受限的空間維數(shù)，將物質(zhì)分為如圖1所示塊體、量子阱、量子線和量子點(diǎn)。碳量子點(diǎn)（carbon quantum dots，C-dots），又稱碳點(diǎn)或者碳納米點(diǎn)，是一類尺寸在10nm以下的碳納米材料。更廣泛的定義為在水中或者其他懸浮液中的小碳納米顆粒。

碳量子點(diǎn)的制備方法

過去的十幾年，各種制備碳量子點(diǎn)的方法被提出來，這些方法大致分為“自上而下（Top-down）”和“自下而上（Bottom-up）”兩種，如圖3所示，在CQDs 的合成過程中，還可以通過功能化、摻雜和納米雜化實(shí)現(xiàn)碳量子點(diǎn)的改性。自上而下的方法一般是分解大的碳結(jié)構(gòu)，比分解金剛石、石墨、碳納米管、活性炭和石墨氧化物等，分解方法像電弧放電、激光燒蝕、電化學(xué)氧化等。而自下而上的方法則是通過像檸檬酸、糖類和不飽和聚酯等分子前驅(qū)體，方法為微波輔助法、燃燒熱處理法、支撐合成法等。

目前制備碳量子點(diǎn)的方法很少，報道的制備具有熒光性質(zhì)的碳量子點(diǎn)的方法有：

（1）高溫高壓切除法

利用激光從石墨粉表面切下碳納米粒子，將其與有機(jī)聚合物混合后，即獲得直徑小于5nm且具有光致發(fā)光特性的碳量子點(diǎn)。

（2）蠟燭燃燒法

通過收集和酸處理蠟燭灰，得到表面具有羧基和羥基的親水性碳量子點(diǎn)，直徑約1nm。

（3）電化學(xué)掃描法

在乙腈和四丁基高氯酸銨支持電解質(zhì)中，通過電化學(xué)循環(huán)伏安掃描，使四丁基高氯酸銨進(jìn)入碳納米管間隙，從碳納米管的缺陷處剝落下碳量子點(diǎn)（直徑約2.8 nm）。相對前兩種方法，電化學(xué)法更易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模快速生產(chǎn)。但是也有一定的限制。

（4）有機(jī)物熱解法

對有機(jī)物進(jìn)行高溫?zé)峤猓玫接H水性的熒光碳點(diǎn)。

碳量子點(diǎn)的制備過程中需要注意三個問題：1）可以通過電化學(xué)等方法避免在碳化時碳質(zhì)聚合。2） 注意控制尺寸和均勻性，這對碳量子點(diǎn)的性能十分重要，可以通過后處理達(dá)到這個目的，比如凝膠電泳、離心分離和透析等。3）溶解度和應(yīng)用的關(guān)鍵在于碳量子點(diǎn)表面的性質(zhì)，可以在制備和后處理時調(diào)整。

碳量子點(diǎn)的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)染料，這位碳家族中的新成員不僅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，而且還擁有發(fā)光范圍可調(diào)、雙光子吸收截面大、光穩(wěn)定性好、無光閃爍、易于功能化、價廉、易大規(guī)模合成等無可比擬的優(yōu)勢。雖然在某些性能方面，稀土熒光納米顆粒可以與之媲美，但是稀土元素昂貴的價格極大地限制了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此，對碳量子點(diǎn)這一新興領(lǐng)域的研究必將對材料科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響，它也會為碳家族贏得更多的榮耀。

Xu 等在2004年首次發(fā)現(xiàn)碳量子點(diǎn)后，其合成、性質(zhì)、應(yīng)用等方面在近十幾年來都取得了巨大的進(jìn)步。 發(fā)光CQDs 具有高水溶性、強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性、易于功能化、抗光漂白性以及優(yōu)異的生物特性，良好的生物相容性，在生物醫(yī)學(xué)（生物成像、生物傳感、藥物傳輸?shù)龋┯袧撛诘膽?yīng)用前景。同時，CQDs 具有優(yōu)良的光電性質(zhì)，既可以作為電子給體又可以作為電子受體，這使得它在光電子、光催化和納米傳感等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用價值，如圖2所示。