综述：碳点：合成方法、形成机制、传感机制及其在有毒染料检测中的应用

《Materials Research Bulletin》：Carbon dots: synthesis method, formation mechanism, sensing mechanism, and applications for sensing toxic dyes

　　

• •
  本综述重点关注碳点的合成方法、形成机制及其应用。
• •
  本综述的独特之处在于，它全面讨论了碳点的形成机制，而这一主题在现有科学文献中受到的关注较为有限。
• •
  这是首次全面讨论基于碳点检测有毒染料的综述。
• •
  本综述还探讨了基于碳点的有毒染料检测传感器的发展前景。

引言

随着全球工业生产需求的不断增长，水资源正遭到严重超采、管理不当和污染 [1]。摄入含有有害物质的污染水可能导致各种健康问题，包括神经系统与生殖系统损伤以及胃肠道疾病，在某些情况下还可能促成癌症等慢性疾病。此外，与受污染水体的直接接触可能引起皮肤相关问题，包括过敏、脱发和银屑病 [2]。水污染可能源自多种污染物，例如重金属 [3]、[4]、兽药 [5]、农药 [6]、有机污染物 [7]、[8] 以及各种阴离子 [9]。造纸、塑料、皮革、制药、食品、化妆品、颜料生产以及染色过程等工业活动产生的废水对环境构成严重威胁 [10]。许多有毒染料一旦排入水体，会直接损害水生生态系统 [11]。染料化合物是具有复杂芳香结构的有机分子，可为材料赋予明亮且浓烈的色彩 [12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，这种高度复杂的结构也使染料极为稳定，难以被自然降解，从而增加了其生物降解的难度 [17]。

传统的有毒染料检测方法包括高效液相色谱法 (HPLC) [18]、电化学方法 [19]、毛细管电泳 [20] 和表面增强拉曼光谱 (SERS) [21]。这些方法通常耗时较长，需要精密仪器，且不适合现场分析 [22]。相比之下，荧光传感探针具有制备简便、成本低廉、易于使用、响应迅速以及高灵敏度和高选择性等优点 [23]、[24]。因此，越来越多的关注被投向基于纳米材料的光学传感器，它们提供了更快速、便携且更具成本效益的检测方案 [6]、[25]。

自2004年被发现以来 [26]、[27]，碳点（CDs）凭借其优异的生物相容性、低毒性、环境友好性、易于合成和官能化 [28]、[29]，以及其他纳米材料相比更优越的分散性和化学稳定性 [30]、[31] 而备受关注。近年来，由于碳点在检测金属 [32]、[33]、生物分子 [34]、[35]、气体 [36]、离子 [37] 和药物 [38] 方面表现卓越，其在传感领域的应用受到越来越广泛的兴趣。近年来，利用碳点进行染料传感的论文数量不断增加。因此，由于目前尚未有针对该主题的全面综述发表，本文独具特色，将对从事有毒染料监测的研究人员具有参考价值。

本综述首次全面聚焦于基于碳点的染料传感。它详细概述了碳点的各种合成方法、其形成机制以及潜在的传感机理。此外，本综述还突出了这些新型且低成本的碳基纳米材料在检测多种有毒染料方面的应用 （图 1）。最后，所讨论的染料传感策略表现出高效性和稳健性，表明在开发用于监测染料的高级碳点、服务于与人健康相关的多领域方面具有巨大潜力。

章节摘录

合成方法

碳点的制备通常采用两种主要途径：自上而下法和自下而上法。自上而下方法包括化学剥离和超声处理，它们将较大的碳材料碎片化。虽然适合大规模生产，但这些方法通常需要较长的加工时间、苛刻的条件以及昂贵的设备 [28]。相比之下，自下而上方法通过微波热解或化学气相沉积等技术，从小分子前驱体构建碳点。这些方法允许更精细的控制

碳点的形成机制

已有多种机制被提出用于解释碳点的形成。基于早期的研究和已发表的文献，碳点的形成过程通常包括几个阶段，包括聚合、成核、碳化和生长，如图 3 所示 [46]。最初，在碳点形成之前会产生具有不同分子结构的荧光物质。这些荧光物质随后发生脱水反应，从而生成交联聚合物

荧光传感机理

碳点中的荧光猝灭可通过多种机制发生。动态（碰撞）猝灭（DQ）发生在被激发的碳点分子在扩散过程中与猝灭剂相互作用时，导致激发电子通过电荷转移或能量转移失去能量并回到基态。该过程依赖于分子的运动性，通常随温度升高而增强；它同时缩短荧光寿命，而对吸收光谱的影响则微乎其微（

阳离子染料的检测

阳离子染料通常被称为碱性染料，溶解在水中时带有正电荷。它们通常具有高度溶解性，即使在相对较低的浓度下也能产生强烈的着色效果。在水溶液中，这些染料形成带正电的物种，使其能够与带负电的表面发生强烈的相互作用 [69]、[70]。

结论与挑战

碳点（CDs）是一种直径通常小于10 纳米的碳基纳米材料。它们通常具有富含官能团（如羧基）的氧化表面，包裹着以 sp²杂化碳为主的无定形或结晶内核。碳点是具有多种优势性能的纳米级碳颗粒，包括可调控的光致发光（PL）、低毒性、高化学稳定性、合成简便以及易于表面

碳点在染料检测中的前景

• •
  开发高选择性碳点：通过用 -NH₂、-COOH、-OH、杂原子及其他识别基团进行表面功能化，可改善碳点与特定染料的特异性相互作用。
• •
  比率型荧光传感：开发双发射或多发射碳点，可通过最小化来自探针浓度、激发强度和环境影响的干扰，提供更加可靠的检测。
• •
  机理控制的传感：应给予更多关注去理解

未引用参考文献

[184]、[185]、[186]、[187]、[188]、[189]、[190]

CRediT 作者贡献声明

Kawan F. Kayani：论文撰写 – 审阅与编辑，论文撰写 – 初稿。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。