基于苯二胺异构体的多色荧光碳量子点的可控合成及其在亚硝酸盐智能传感和指纹微量检测系统中的应用

《Dyes and Pigments》：Controlled Synthesis of Multicolor Fluorescent Carbon Quantum Dots Based on Phenylenediamine Isomers and Their Application in Nitrite Smart Sensing and Fingerprint Trace Detection Systems

碳量子点多色可控合成及其在硝酸盐检测与潜指纹显影中的应用。采用微波辅助热解法通过苯二胺异构体与抗坏血酸共热合成橙黄绿三色CQDs，建立双模式检测平台（荧光比色/光谱分析）实现硝酸盐高灵敏度检测（检测限0.081 μM），并开发基于GPR的机器学习模型辅助定量分析。

　　碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为一种新型的荧光纳米材料，近年来在多个领域展现出广阔的应用前景。它们不仅具有可调控的光学特性，还表现出优异的生物相容性和易得性，使其成为荧光传感、生物成像、环境监测等研究的热点。本文围绕如何实现碳量子点的可控合成与荧光调控，以及其在实际应用中的潜力展开探讨，重点介绍了通过合理选择异构前驱体来合成多色荧光碳量子点的方法，并将其应用于隐性指纹显现和硝酸盐离子检测两个关键领域。

在合成方法方面，碳量子点的制备主要分为两种：自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）。自上而下的方法通常涉及将大块碳材料通过物理或化学手段分解为纳米尺度的颗粒，如电弧放电、激光烧蚀或电化学氧化等。这种方法虽然能有效制备出碳量子点，但往往伴随着复杂的操作流程和较高的能耗。相比之下，自下而上的方法通过有机小分子或聚合物的热解或化学反应来构建碳核结构，如水热法、微波辅助法或热解法等。这种方法不仅能够更好地控制碳量子点的尺寸和形貌，还为调控其荧光特性提供了更大的灵活性。本文中，研究者采用微波辅助热解法，利用异构的苯二胺化合物（如邻苯二胺、间苯二胺和对苯二胺）作为前驱体，成功合成了具有不同荧光颜色的碳量子点。这一过程通过优化反应条件，如加热温度、时间以及酸性环境的引入，使得碳量子点的荧光发射波长可以被有效调控。

研究发现，不同的苯二胺异构体在碳量子点的合成过程中表现出显著的差异。例如，邻苯二胺（o-PDA）在反应中被用作前驱体时，可以生成具有红光发射的碳量子点；而间苯二胺（m-PDA）则更倾向于生成蓝光发射的碳量子点；对苯二胺（p-PDA）则主要用于合成绿光发射的碳量子点。这种差异源于苯二胺异构体在分子结构上的不同，以及它们在热解过程中与氧化剂（如抗坏血酸）的相互作用。通过引入抗坏血酸，研究者观察到碳量子点的荧光发射波长发生了红移现象，其平均粒径也有所增加。这表明，抗坏血酸在碳量子点的合成过程中起到了重要的作用，可能通过改变碳核的电子结构或促进表面化学状态的重组，从而影响其光学性质。

为了进一步提升碳量子点的性能，研究者还开发了一种双发射碳量子点-染料复合材料（G-/O-/B-CQDs）。这种复合材料不仅能够实现对硝酸盐离子（NO??）的高选择性检测，还具备良好的抗干扰能力。通过构建一个基于比率荧光的传感平台，该材料能够在复杂的样品环境中准确地识别硝酸盐离子。实验数据显示，该传感平台的检测限为0.081 μM，线性范围为0-60 μM，且在反应过程中溶液颜色从红色变为绿色，这一显著的变化被用于开发一种比率比色传感策略，从而实现了硝酸盐离子在0-250 μM范围内的定量检测。这种比率荧光和比色信号的协同作用，不仅提高了检测的灵敏度，还增强了数据的可靠性。

在实际应用方面，碳量子点被成功应用于隐性指纹的显现。通过将碳量子点与植物淀粉结合，研究者制备出一种荧光粉末，能够在多种基质上实现高对比度的指纹成像。实验结果表明，该方法的匹配准确率达到92.7%，并能通过胶带转移技术将证据稳定保存长达三个月。这一成果突破了传统指纹显现方法在灵敏度和毒性方面的限制，为法医学领域的实际应用提供了新的思路。此外，研究者还引入了一种基于高斯过程回归（Gaussian Process Regression, GPR）的机器学习预测模型，该模型能够根据光谱和图像数据对硝酸盐离子的浓度进行精确预测。这一创新不仅提高了检测的智能化水平，还为快速、高通量的检测提供了技术支持。

从材料科学的角度来看，碳量子点的合成和性能调控涉及多个关键因素，包括前驱体的选择、反应条件的优化以及表面化学状态的控制。其中，氮掺杂被认为是一种有效的方法，因为它能够显著改变碳量子点的电子结构，进而影响其荧光特性。氮原子的引入不仅能够调节碳量子点的能带结构，还能增强其发光效率。例如，通过氮掺杂，碳量子点的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能量差可以被调整，从而改变其发光波长。此外，氮掺杂还能促进表面化学状态的重组，使得碳量子点的表面富含更多的官能团，如羧基、羟基和氨基等，这些官能团在荧光发射过程中起到重要作用。

除了氮掺杂，其他元素的掺杂，如硫、硼等，也被认为是调控碳量子点光学性能的有效手段。这些元素的引入能够改变碳量子点的电子结构，从而影响其发光特性。例如，硫掺杂可以增强碳量子点的光致发光效率，而硼掺杂则可能通过改变碳核的结构来实现更宽的发光范围。此外，碳量子点的表面功能化也是调控其光学性能的重要途径。通过引入不同的官能团，研究者可以进一步优化碳量子点的发光特性，使其更适用于特定的应用场景。例如，在荧光传感中，表面官能团的种类和数量可以影响碳量子点与目标分子之间的相互作用，从而提高检测的灵敏度和选择性。

在实际应用中，碳量子点的性能不仅取决于其合成方法，还受到其形貌、尺寸和表面状态的影响。例如，碳量子点的粒径分布越均匀，其荧光发射的稳定性越高；而表面官能团的种类和数量则直接影响其与外界物质的相互作用能力。因此，研究者在合成过程中特别关注了碳量子点的形貌和尺寸控制，以确保其在不同应用场景下的适用性。通过微波辅助热解法，研究者能够实现对碳量子点尺寸的精确调控，使其在食品检测和指纹识别等应用中表现出优异的性能。

从技术角度来看，碳量子点的合成和应用涉及多个学科的交叉，包括材料科学、化学、生物学以及人工智能等。在荧光传感领域，碳量子点的高灵敏度和良好的抗干扰能力使其成为一种理想的检测工具。特别是在食品检测中，传统的检测方法如色谱法和比色法往往存在操作复杂、成本高和依赖仪器等缺点，而基于碳量子点的检测方法则能够克服这些限制，实现快速、低成本的检测。此外，结合机器学习算法，如高斯过程回归，可以进一步提升检测的智能化水平，使得碳量子点在复杂样品中的应用更加广泛。

在法医学领域，碳量子点的应用同样具有重要意义。隐性指纹的显现一直是法医学中的一个难题，传统方法如银盐法和荧光染料法虽然能够有效显现指纹，但往往存在毒性高、灵敏度低等问题。而基于碳量子点的指纹显现方法不仅能够提供更高的灵敏度，还能减少对环境和人体的潜在危害。此外，通过开发高效的图像处理算法，研究者能够实现对指纹图像的高精度匹配，从而提高指纹识别的准确性和可靠性。

总体而言，碳量子点作为一种新型的荧光纳米材料，其可控合成和性能调控为多个领域的研究和应用提供了新的可能性。通过合理选择前驱体和优化反应条件，研究者能够实现对碳量子点光学特性的精确调控，使其在食品检测、指纹识别、生物成像等应用中展现出巨大的潜力。此外，结合先进的传感技术和人工智能算法，碳量子点的应用前景将进一步扩大，为相关领域的技术革新提供强有力的支持。未来，随着研究的深入和技术的进步，碳量子点有望在更多实际场景中得到应用，推动其在科学和技术领域的进一步发展。