尺寸小于10纳米的碳点（CDs）在替代半导体量子点和有机染料方面具有巨大潜力，广泛应用于药物输送[1]、光催化[2]、分析用途[3]甚至生物成像[4],[5]等领域。这些碳点具有低毒性[6]、低成本和高稳定性[7]等优点。近年来，由于它们具备光诱导电子转移和激发依赖型光致发光（PL）等特性，得到了广泛应用[8]。为了解释碳点的发光特性，需要一个包含三个组分的综合模型：碳核态、分子荧光和表面态[8]。
碳点的PL机制可归因于两个因素。首先，由于碳点的纳米尺度特性，产生了量子限制效应（QCE），导致基态和发射态之间的有效能量分离发生变化。当碳点尺寸与激子的玻尔半径相当或更小时，这种效应尤为显著，从而形成离散的能级而非连续的能带。随着碳点直径的减小，离散能级之间的距离增加，有效拓宽了HOMO/LUMO能隙。此外，电子-空穴对在有限体积内的强限制增强了它们的库仑相互作用能量，影响了吸收和发射能量，进而改变光致发光效率。其次，表面捕获态（STS）的存在也会影响发光。Liu等人[9]表明，QCE和STS都对PL机制有显著影响：QCE改变了HOMO/LUMO能隙宽度，而表面缺陷在该能隙内引入了虚拟态，从而改变了发射能量。通过不同的合成方法和前体可以控制表面官能团的变化，从而调节碳点的尺寸、物理性质和表面钝化程度。这些参数也参与了发光能量陷阱的形成。共价修饰通过共价键引入新的表面官能团并增加电子云密度，从而调整碳点的尺寸和物理性质；非共价修饰则依赖于π相互作用、静电相互作用或范德华力，这种修饰不会引起显著的结构变化，主要影响界面性质，如量子产率和光稳定性[5]。
碳点可以通过两种主要方法合成：自上而下和自下而上。自上而下的方法包括通过化学氧化、激光烧蚀或电化学剥离等方式氧化或物理分解较大的碳结构（如石墨、氧化石墨烯或碳纳米管）。自下而上的策略则利用水热、溶胶热、微波辅助或热解反应将小分子有机前体（如柠檬酸、氨基酸或芳香分子）碳化[10]。反应温度、压力和前体类型对石墨化程度、畴尺寸和表面化学性质起着关键作用。高温合成通常产生sp2杂化的石墨畴和窄的发射光谱，而温和的条件则形成含有丰富氧和氮基团的非晶结构，从而提高表面溶解性和反应性[11]。最近的进展还包括混合合成方法（如水热与微波结合）和杂原子掺杂（N、S、P），这些方法能够精细调节发射行为和电荷转移效率[12]。
表面官能团在决定纳米粒子的形态和光谱特性方面起着关键作用。羟基和羧基通过氢键作用提高水分散性和稳定性，而羰基和胺基则有助于形成发射陷阱态并改变纳米粒子的基态和发射态之间的有效能量分离[13],[14]。这些化学基团还影响晶粒生长和表面粗糙度，进而影响整体形态和光致发光量子产率。表面化学的变化可以解释纳米粒子常观察到的激发依赖型发射行为，因为官能团组成或质子化状态的变化会引入多个发光中心[15],[16],[17]。
由于碳点具有多样化的表面化学性质，它们可以轻松与金属、氧化物、半导体或聚合物形成杂化结构。通过胺化（–COOH/–NH?）或酯化实现共价耦合，可形成坚固且导电的界面；而非共价相互作用（如π-π堆叠、氢键或静电吸引）则可实现与芳香染料、共轭聚合物或生物分子的可逆结合。此外，羧基和胺基可以配位金属离子，使碳点在催化和传感应用中充当螯合剂或电子介质[15]。将碳点封装在聚合物或氧化物基质中可提高光稳定性，并便于与半导体器件的集成。这些杂化结构不仅稳定了发光性能，还扩展了碳点的功能，例如在光催化或光捕获系统中[18]。
调节碳点的光学和电子性质的能力为多种技术应用打开了大门。功能化的碳点已被用于荧光传感器、环境催化、生物成像、发光器件和能量存储系统[19],[20],[21],[22]。它们通过表面官能团与其他材料形成化学键的能力进一步增强了其在纳米复合材料、杂化光催化剂和多功能生物医学平台开发中的潜力。因此，了解合成参数和表面化学如何影响其形态和发光特性对于优化这些先进应用的性能至关重要。
在本研究中，我们系统地探讨了多种酸性和碱性修饰剂对通过水热法合成的碳点的结构、形态和光学性质的影响，主要使用3,4,9,10-苝四羧酸二氢物（PTDA）作为前体。合成过程中使用了多种有机和无机化合物作为表面修饰剂，包括羧酸、磷酸和硫酸，以及含有胺和酰胺的化合物（如尿素、乙醇胺和乙二胺）。选择这些试剂是为了系统评估酸性和碱性表面修饰的效果。它们的加入导致碳点表面形成了羟基和胺基，引入了额外的质子，并出现了含有杂原子的官能团。本研究的新颖之处在于揭示了化学修饰剂类型与特定表面官能团形成之间的关联，以及这些官能团对碳点性质的影响。虽然之前的研究通常只探讨单一掺杂剂或孤立的pH效应，但本研究直接比较了水热合成过程中使用的多种酸性和碱性修饰剂。通过结合XRD、FTIR、拉曼、UV–Vis、稳态PL测量、量子产率和寿命等手段，我们将修饰剂的化学组成与特定表面官能团的形成以及发射颜色、量子产率和激发态动态的变化直接关联起来。这种方法不仅有助于更深入地理解碳纳米材料的结构-性质关系，还为将其目标集成到光电和光子器件、生物成像及传感应用中提供了可能性。由此获得的信息有助于合理设计表面修饰碳点作为高效发光组件或电子转移介质的杂化材料。
