综述：新一代功能化碳量子点：合成方法、结构、光致发光机理及多功能应用

本综述系统探讨了功能化碳量子点（CQDs）的合成策略、结构特性、光致发光机制（PL）及其在生物医学、能源、传感等领域的创新应用，重点对比了半导体量子点（SQDs）与CQDs的差异，强调了CQDs的低毒性、生物相容性和可调控荧光性能优势，为跨学科研究提供重要参考。

　　

合成方法

碳量子点（CQDs）的合成主要分为自上而下（top-down）和自下而上（bottom-up）两种策略。自上而下法通过电弧放电、激光烧蚀或电化学氧化等手段将大尺寸碳源（如石墨、碳纳米管）解离成纳米尺度的CQDs；而自下而上法则利用小分子前体（如柠檬酸、葡萄糖）通过水热法、微波辅助或热解等方式聚合形成CQDs。绿色合成路线采用生物质废弃物（如果皮、植物提取物）作为碳源，兼顾环境友好性与成本效益。合成过程中需重点调控粒径分布、表面官能团（如羧基、氨基）和结晶度，以优化其光学性能。

结构与光致发光机制

CQDs的核心结构由sp²/sp³杂化碳构成，可呈现晶态石墨烯片段或非晶态碳网络。其光致发光特性源于三重机制：量子限域效应（quantum confinement effect）主导粒径依赖的发射波长调节；表面缺陷态（如含氧官能团）捕获激子产生宽谱发射；分子态荧光则与表面连接的荧光团（如聚乙二醇修饰）相关。CQDs表现出激发波长依赖性发射、高光稳定性及可调荧光寿命，量子产率（QY）可通过氮、硫等异原子掺杂显著提升。

生物医学应用

CQDs在生物成像中替代传统半导体量子点（SQDs），凭借低毒性和优异生物相容性实现细胞与活体靶向成像。表面功能化（如叶酸、抗体修饰）可增强肿瘤特异性积累，用于癌症诊断与光动力治疗（PDT）。在药物递送领域，CQDs作为载体负载化疗药物（如阿霉素），通过pH响应释放提升治疗效率。抗菌应用中，可见光激发的CQDs产生活性氧（ROS），有效杀灭耐药菌并抑制生物膜形成。

传感与能源器件

CQDs作为荧光探针用于检测金属离子（Hg²⁺）、生物分子（葡萄糖）和病原体，其表面官能团与靶标特异性结合引发荧光猝灭或增强。在能源领域，CQDs作为光催化剂驱动CO₂还原产甲烷，或作为电催化剂促进氧析出反应（OER）。此外，CQDs嵌入发光太阳能聚光器（LSCs）和LED器件，实现高效光能转换与柔性光电应用。

挑战与前景

当前CQDs研究面临量子产率偏低、规模化合成标准化不足、体内代谢机制不明确等挑战。未来需开发精准表面工程策略以调控PL机制，推进多模态成像-治疗一体化（诊疗一体化），并探索神经介入、基因递送等前沿应用。跨学科合作将推动CQDs从实验室向临床与产业化转化。