综述：碳基量子点在传感应用方面的最新进展

碳量子点（CQDs）因其低毒性、高溶性和优异生物相容性，成为纳米材料研究的热点。本文系统综述了CQDs的合成方法（如水热法、微波辅助、化学气相沉积等）及其在生物标志物检测（如心脏标志物、癌症标志物）、环境监测（重金属离子、硝基苯酚）、食品安全（食品添加剂、微生物污染）和药物检测（抗生素、抗癌药）中的应用。研究表明，CQDs通过表面功能化、尺寸调控和复合结构设计可显著提升传感性能，检测限低至皮克级。但规模化生产、稳定性和作用机制仍需进一步优化。

　　
碳量子点（CQDs）作为新兴的纳米材料，因其量子限域效应而展现出独特的物理化学性质。这些特性包括优异的溶解性、生物相容性、高比表面积和丰富的边缘位点，使其在太阳能电池、储能、催化、生物医学等领域备受关注。近年来，CQDs在传感器中的应用尤为突出，尤其在生物标志物检测、环境监控、食品安全和药物分析等方面取得显著进展。本文系统梳理了CQDs的合成策略、传感机制及典型应用案例，并探讨了其未来发展方向。

### 1. CQDs的合成方法与特性
CQDs的合成主要分为两类：**自上而下**和**自下而上**策略。自上而下方法通过物理或化学手段对碳基大块材料（如石墨、碳纳米管）进行切割或分解，而自下而上法则利用生物质或有机前驱体（如多糖、氨基酸）通过热解、水热等反应合成。不同方法的特点如下：

- **激光消融法**：利用高能激光将石墨等材料瞬间分解为纳米级CQDs，可精准控制尺寸，但设备成本高且能耗大。
- **电化学氧化法**：通过电解反应氧化碳材料，产物具有高纯度和可重复性，但可能引入氧功能团导致后续纯化困难。
- **水热法**：以天然生物质（如橙皮、茶叶）为碳源，在高温高压下合成，具有绿色环保、成本低的特点，但易生成大尺寸颗粒且纯度控制较难。
- **化学气相沉积（CVD）**：通过碳前驱体在高温下沉积，能调控量子点尺寸，但需要昂贵设备且难以大规模生产。

CQDs的表面富含羧基、羟基等官能团，赋予其优异的化学稳定性和功能可调性。例如，氮掺杂可增强其荧光强度和电子传输能力，而硫掺杂则能改善水溶性。这些特性使其在传感器中表现出高灵敏度、宽线性范围和选择性。

### 2. 传感应用领域的突破
#### 2.1 生物标志物检测
CQDs在心血管疾病、癌症和代谢性疾病监测中表现突出：
- **心肌损伤检测**：金纳米颗粒与CQDs复合电极通过电化学免疫分析，对心肌肌钙蛋白T（cTnT）的检测限低至0.1 pg/mL，线性范围覆盖0.001-100 ng/mL。
- **癌症早期诊断**：氮掺杂CQDs与碳纳米管复合，构建了检测 AFP（α-胎儿蛋白）的免疫传感器，检测限达0.25 pg/mL，适用于血清样本分析。
- **氧化应激指标**：基于橙皮提取的CQDs通过荧光淬灭机制检测谷胱甘肽和4-硝基喹啉氧化物（4-NQO），在血液和尿液样本中均展现出高灵敏度和特异性。

#### 2.2 环境监测
针对重金属和有机污染物的检测需求，CQDs展现出独特优势：
- **重金属离子检测**：钴掺杂CQDs@钒基纳米材料对铅、镉、汞等离子的检测限低至ppb级（如Hg2?检测限9.8 pM），且可通过光谱或电化学信号实现多组分同步检测。
- **有机污染物识别**：CQDs-聚合物复合材料对硝基苯酚、2,4-二硝基苯酚等环境污染物具有选择性响应，其中基于β-氨基丁酸的CQDs传感器对2,4-二硝基苯酚的检测限达0.15 μM，适用于工业废水分析。
- **微生物传感**：硫掺杂CQDs通过破坏革兰氏阳性菌细胞膜，实现浓度为50-500 μg/mL的细菌快速检测，为食品安全提供了新工具。

#### 2.3 食品安全与药物分析
- **食品添加剂检测**：柠檬汁来源的氮掺杂CQDs可检测硝酸盐残留，检测限低至0.23 μg/mL，适用于腌制食品的现场筛查。
- **农药残留检测**：CQDs与分子印迹聚合物结合，对敌敌畏等农药的检测灵敏度提升至46 pg/L，适用于农产品质量监控。
- **药物浓度监测**：CQDs-石墨烯氧化物复合材料在抗癌药物（如左氧氟沙星）检测中，线性范围覆盖0.01-30 μM，检测限达0.005 μM，为个性化给药提供支持。

### 3. 技术挑战与未来方向
尽管CQDs在传感领域展现潜力，仍面临以下挑战：
- **规模化生产难题**：现有合成方法难以实现万吨级产能，且产物尺寸分布不均。
- **功能团稳定性不足**：表面官能团在复杂环境（如高温、强氧化条件）下易发生降解。
- **交叉干扰问题**：多组分检测中信号重叠现象仍需通过材料设计优化解决。

未来研究可聚焦以下方向：
- **结构精准调控**：通过优化前驱体配比和反应条件，实现CQDs尺寸（1-10 nm）和晶格结构的精准控制。
- **多功能集成**：开发同时具备光学、电化学和磁响应的CQDs复合材料，提升传感器的适应性和通量。
- **现场检测技术**：结合便携式设备（如手持式光谱仪）和CQDs探针，推动即时检测（POCT）在临床和环保中的应用。

### 4. 总结
CQDs凭借其低成本、易功能化等优势，已成为下一代传感器的核心材料。在生物医学领域，其高灵敏度和生物相容性使其成为疾病早期诊断的关键工具；在环境监测中，CQDs展现出处理复杂基质样本的能力；而在食品安全和药物分析方面，其快速响应特性为工业化检测提供了新思路。未来随着合成技术的成熟和复合材料的创新，CQDs有望在精准医疗、环境治理和工业质检中发挥更大作用。