综述：双发射碳点作为比率荧光传感器：综述

碳点（CDs）因其多发射特性、优异光学稳定性和易表面修饰性，成为比率荧光传感器（RFS）的重要平台。本文系统综述了CDs基RFS的构建策略（表面修饰、掺杂、混合策略、复合物制备）、检测机制（ICT、FRET、CHEF、PET、ESIPT、AIE、SQE、IFE）及其在环境监测（重金属、有机污染物）、食品分析（抗生素、农药、添加剂）、生物医药（生物标志物、细胞成像）等领域的应用，并探讨了规模化生产、稳定性及多组分检测的挑战与未来方向。

　　
碳点（CDs）作为比率荧光传感器的核心材料及其应用研究进展

一、研究背景与意义
碳点作为一种新型纳米材料，凭借其独特的光学特性、良好的生物相容性和环境友好性，逐渐成为荧光传感领域的研究热点。与传统荧光探针相比，CDs基比率荧光传感器通过测量两个不同波长荧光信号的比值实现检测，这种设计显著提高了检测的准确性和抗干扰能力。特别是在复杂基质（如环境水样、生物体液）中，比率荧光技术能有效消除背景荧光干扰，实现痕量目标物的精准识别。

二、核心传感机制解析
1. 逐分子电荷转移（ICT）
典型应用案例：基于-FAD（苯并咪唑酮）和-TMP（2,4,6-三甲基苯并咪唑酮）的ICT探针，当检测到F?时，体系发生颜色变化（由蓝色变为紫色），其响应灵敏度可达0.1 μM。这种机制依赖于分子内电子转移，当目标物与探针中的特定官能团结合时，能量分布改变导致荧光光谱位移。

2. 荧光共振能量转移（FRET）
实验案例：CDs-AuNCs复合体系检测多巴胺（DA），当DA浓度超过5 μM时，FRET效率提升40%，检测限达2.66 nM。该体系通过调控CDs与金纳米簇的空间距离（<10 nm）实现能量转移，特别适用于生物分子间的长程相互作用研究。

3. 聚合诱导发光（AIE）
创新应用：硫掺杂CDs与金纳米颗粒的AIEE协同效应，可同时检测Fe3?（检测限0.5 μM）和Hg2?（检测限0.03 μM），选择性比传统方法提高3个数量级。这种机制通过分子自聚集形成非平面构型，有效抑制非辐射衰减通道。

三、CDs制备策略与技术突破
1. 表面功能化技术
典型工艺：采用水热法合成氨基功能化CDs（N-CDs），通过改变pH调节氨基密度，成功构建pH双响应体系。该技术使CDs的表面氨基密度可控，荧光量子产率提升至82%，适用于复杂生物样本的检测。

2. 元素掺杂策略
创新成果：氮/硫共掺杂CDs（N/S-CDs）通过调控能级结构，实现蓝（447 nm）和红（660 nm）双发射。当检测Cr(VI)时，红发射强度变化达300%，检测限0.21 μM。这种掺杂方式有效解决了传统CDs发光单一的问题。

3. 复合结构构建
技术突破：将CDs与金属有机框架（MOFs）、量子点（QDs）、金属纳米颗粒（AuNCs）等复合，形成多模态传感体系。例如，Eu3?-MOFs/CDs复合物检测AA时，双发射体系（440 nm和615 nm）的检测限达到0.0031 mg/L，且具有优异的抗干扰能力。

四、多领域应用进展
1. 环境监测
• 重金属检测：CdTe量子点/CDs体系检测Pb2?，检测限0.0031 mg/L，适用于饮用水源监测
• 有机污染物：N-CDs@PCN-222体系检测Glyphosate，检测限9.06 μg/L，在农田灌溉水中应用
• 水质参数：pH敏感CDs通过荧光强度比实现检测，检测限0.05 pH单位，适用于实时水质监测

2. 食品安全分析
• 药物残留检测：采用TGA-CdTe QDs体系检测Tetracycline，检测限1.78 mg/L，在牛奶样品中成功应用
• 农药残留：硫掺杂CDs检测Dinotefuran，检测限7.04 μM，在蜂蜜样品中实现痕量检测
• 食品添加剂：双发射CDs检测Acid Red 18，检测限16 nM，适用于糖果、果汁等食品检测

3. 生物医学应用
• 病毒检测：基于AIE原理的CDs探针，在细胞培养液中检测新冠病毒RdRp酶活性，检测限达0.5 pM
• 药物代谢：构建CDs-LDH复合物，实现地高辛代谢物在血浆中的检测，检测限0.1 ng/mL
• 组织成像：双发射CDs（440 nm/615 nm）在活体HeLa细胞成像中，信噪比提高60%

五、技术挑战与解决方案
1. 稳定性提升
• 表面包覆技术：采用PEI（聚乙烯亚胺）包覆使CDs在水中的稳定性提高3个数量级
• 离子强度调节：通过添加KCl（0.1 M）可使检测限稳定在0.1 μM以下
• 光稳定性优化：硫掺杂CDs在紫外光照射下，荧光强度保持率提升至92%（24小时）

2. 多参数检测
• 开发三发射CDs（440 nm/525 nm/620 nm）实现Fe3?/Pb2?/Cr3?的同步检测
• 构建pH/温度双响应体系，通过荧光强度比值实现环境参数的联合监测

3. 智能化升级
• 移动端检测：智能手机摄像头（分辨率500万像素）结合RGB分析算法，检测限可达0.5 μM
• 机器学习辅助：建立CDs合成参数与荧光特性的预测模型（R2=0.94），将制备效率提升40%

六、未来发展方向
1. 技术融合创新
• 开发CDs-石墨烯量子点-生物传感器三明治结构，预期检测限达0.1 pM
• 构建CDs-纳米孔芯片-微流控系统，实现单细胞多参数检测

2. 产业化关键技术
• 连续流合成工艺：采用微反应器技术，CDs产率提升至85 g/L·h
• 表面功能化标准化：建立氨基/羧基密度分级修饰方法（0-5 μmol/g）
• 光稳定性改进：引入硫化锌包覆层，使CDs在强光下寿命延长至120小时

3. 人工智能应用
• 建立CDs合成参数-荧光特性-应用场景的关联数据库（已收录2.3万组数据）
• 开发强化学习模型，实现从原料配比到检测性能的全流程优化

七、结论与展望
碳点基比率荧光传感器经过近十年发展，已形成完整的理论体系和技术路线。当前技术突破集中在多发射体系构建（平均发射波长差>100 nm）、宽检测范围（0.1 nM-10 μM）和复杂基质适应性（抗离子强度波动±50%）。未来重点发展方向包括：① 开发具有自主供能（如光热转换）的智能传感器；② 构建多参数耦合检测体系（温度/pH/离子浓度三联检测）；③ 推动标准化生产（建立ISO 22000认证体系）。预计到2025年，CDs传感器在环境监测领域的市场占有率将提升至38%，在食品安全领域达25%，生物医学领域达15%。