综述：碳量子点的研究进展：合成策略、表征方法、结构、性质及其在不同领域的应用

《Coordination Chemistry Reviews》：Advancements in carbon quantum dots: Synthesis strategy, characterization method, structure, properties, and applications in different fields

　　

• 本文综述比较了CQDs的"自上而下"与"自下而上"合成策略；
• 本文综述提供了用于分析结构-性能关系的表征体系；
• 本文展示了CQDs应用领域的广泛性及其变革潜力；
• 本文实现了从生物医药到防伪的跨领域整合；
• 本文明确突出了CQDs作为绿色替代方案的独特优势。

引言

量子点（QDs）作为典型的半导体纳米晶体，其尺寸范围从几纳米到几十纳米不等[1]。由于显著的量子限域效应[2]、[3]，QDs展现出卓越的性能，包括可调带隙、高载流子迁移率和延长的激子寿命。传统的金属基和半导体基QDs（CdS/Se、PbS/Se和ZnS/Se）具有优异的物理和光学性能[4]、[5]、[6]、[7]。然而，这些QDs在实际应用中仍面临诸多挑战，包括制备工艺复杂、成本高昂、不可重复使用、潜在生物毒性、稳定性低以及溶解性差[8]。因此，探索具有绿色经济、生产简单、低毒性、高光化学稳定性和高荧光量子产率等特性的非金属QDs，已成为纳米科学与技术领域的一个重要前沿方向。在此背景下，碳基纳米材料提供了一种安全、环保的替代方案来解决上述问题。碳基QDs主要包括石墨烯量子点（GQDs）、碳量子点（CQDs）、碳纳米点（CNDs）和碳化聚合物点（CPDs）。目前，CQDs作为新型碳基零维纳米材料，因其制备简单、理化性能优异和应用领域广泛，在纳米材料领域受到了广泛关注[9]。

目前，CQDs的合成策略主要可分为"自上而下"和"自下而上"两种[10]。"自上而下"的合成方法利用各种物理和化学技术，将宏观碳源（石墨和碳纤维）切割分离为纳米尺度的CQDs，从而获得结晶度更高的碳核[11]。然而，"自上而下"方法合成的产品存在缺陷，如尺寸分布均匀性差和产率低。相反，"自下而上"的合成方法以有机小分子/聚合物（柠檬酸、葡萄糖和氨基酸等）为前驱体，经过脱水、碳化、成核和生长等一系列过程，自组装形成CQDs。此外，"自下而上"的合成方法可以灵活控制CQDs的尺寸和表面化学结构，并能够实现大规模绿色生产[12]。因此，合成路线的选择直接决定了CQDs的初始结构框架，从而为CQDs的性能和应用奠定了基础。在结构层面，CQDs具有由sp2/sp3杂化碳核和功能化（OH、COOH和NH?）壳层组成的核-壳结构。表面官能团赋予CQDs良好的水溶性和生物相容性，而异质原子（N、S和P）的掺杂可以调控电子结构和电荷转移性质[13]。上述结构特征需要通过系统的表征方法予以充分揭示：1）高分辨率透射电子显微镜可分析形貌和尺寸；2）X射线衍射和拉曼光谱可阐明晶体结构；3）X射线光电子能谱和傅里叶变换红外光谱可区分表面化学态。多种表征方法可以互补，为建立CQDs的"结构-性能"关联提供关键的实验依据[14]。表S1展示了CQDs的结构特征、性能及代表性应用的汇总。

近年来，CQDs凭借其独特的光电性能和可调结构，在能源、环境、食品、传感器和生物医药等多个领域展现出显著的功能应用潜力[15]：1）生物医药：CQDs可用于构建高性能生物成像探针，并促进靶向药物递送和光动力/光热肿瘤治疗，为整合诊疗平台的开发提供新材料[16]；2）生物传感：CQDs可用于构建高灵敏度传感器，精确检测金属离子、生物小分子和病原体。这归因于CQDs的荧光特性及其对周围微环境的敏感性[17]。例如，CdSe/ZnS核-壳QDs可用于构建信号增强的侧向流免疫层析试纸条。该试纸条通过双探针标记策略靶向CP4-EPSPS蛋白，从而实现转基因作物的高灵敏度现场筛查（检测灵敏度提高10-20倍）[18]；3）食品安全：CQDs的传感技术可为食品添加剂、重金属离子和食源性病原体的检测提供快速高效的解决方案[19]。与传统检测方法相比，基于CQDs的传感器凭借其良好的电子转移效率和丰富的表面官能团，可实现特异性识别和信号增强，从而提高检测的选择性和灵敏度[20]；4）能源：CQDs作为光吸收剂/电子传输介质，可增强太阳能电池的光电转换效率，并改善超级电容器和电池的电极性能[21]；5）催化：CQDs具有独特的光电性能，可促进水的光解、污染物降解和高效电化学反应[13]。例如，氮掺杂碳点可调控Ni?P-Co(OH)?异质结的内建电场，优化Co3?/OH?的吸附，削弱O?脱附，并增强电催化析氧反应活性，为电催化剂设计提供新策略[22]。此外，CQDs在防伪加密和指纹提取等新兴领域也展现出出色的应用潜力。未来研究将聚焦于CQDs的集成化和智能化设计，这将在生物医药、环境治理和能源转换等关键领域发挥重要作用。

值得注意的是，现有的大多数综述侧重于CQDs的特定类别或单一应用领域。例如，Wu等人[12]系统介绍了以生物质废弃物为原料合成CQDs的制备工艺、优势和研究进展，以及其在能源、环境和医学领域的应用。Rasal等人[2]专注于探索固态量子点（SQDs）与CQDs之间的本质差异，并提出了一套系统统一的命名框架来解决CQDs长期存在的问题（命名模糊和分类标准不一致）。因此，该综述集中于明确CQDs基本概念的定义并构建分类体系。目前，尚缺乏专门聚焦于CQDs合成方法、表征技术、结构特性和多样化应用的综合性综述。特别是，现有综述缺乏对CQDs表征方法的系统概述，这限制了对CQDs微观结构的深入理解。为填补这一空白，本文综述了CQDs的"自上而下"和"自下而上"合成路径，可以详细描述CQDs的各种表征方法。此外，本文阐述了CQDs的结构和理化特性，为CQDs在相关领域的深入研究提供了坚实的理论基础。更重要的是，本文总结了CQDs在多个领域（生物医药、生物传感、食品安全、能源转换、催化反应和防伪加密）的应用进展。最后，本文讨论了CQDs在实际应用过程中面临的挑战和前景。值得注意的是，本综述综合整合了CQDs的可控合成策略、深入的结构分析、优异的理化特性和广泛的应用领域，有利于深刻理解CQDs的"结构-性能-应用"关联模型。

章节摘要

CQDs的合成策略

CQDs的合成方法主要可分为"自上而下"和"自下而上"两类（图1）[23]。表S2展示了各合成方法在原材料成本、反应难度、颗粒均匀性、量子产率、可扩展性和设备要求方面的对比。"自上而下"方法利用物理/化学方法切割断裂大尺寸碳材料，形成均匀且高结晶度的纳米尺度CQDs[24]。然而，该方法存在局限性，如

来自生物质废弃物的绿色CQDs

传统化学合成方法依赖高纯度试剂，存在原材料成本高、环境污染严重以及产品生物相容性有限等缺陷。近年来，利用各种生物质前驱体进行生物质基CQDs绿色制备已成为纳米材料领域的核心研究方向之一。生物质基CQDs在荧光传感等领域具有广泛的应用潜力，

合成原理

CQDs合成的本质是碳前驱体从分子到纳米粒子的多阶段化学转化过程。该过程通过碳化反应将有机前驱体转化为具有sp2/sp3杂化结构的碳框架，同时通过表面化学修饰赋予CQDs特定的理化性能[91]。值得注意的是，多种策略可赋予CQDs特定的应用性能，如下：1）共价键

CQDs的表征方法

CQDs的表征是多维度揭示其结构和性能的关键过程。目前，CQDs的主流表征技术可按检测维度分为五类，即形貌和尺寸表征、晶体结构表征、表面化学表征、光学性能表征和胶体稳定性表征。其中，透射电子显微镜（TEM）、扫描

CQDs的结构与性能

CQDs作为新型碳纳米材料，在生物医药、食品检测和材料等领域具有广阔前景，这归因于其优异的光学和抗氧化性能、低细胞毒性和高生物相容性[189]。先前的报道发现，CQDs独特的理化性能（低细胞毒性、电子和光学性能等）与其独特的零维（0D）纳米结构密切相关[190]。此外，

CQDs的应用

近年来，CQDs凭借其优异的光学性能、良好的生物相容性和可调结构，逐渐从基础研究扩展到多种实际应用领域。本部分系统综述了CQDs在生物医药、传感器、食品、能源、催化、防伪设计和指纹识别等关键领域的最新研究进展，可为CQDs的进一步功能拓展提供理论支持（表3

挑战与未来前景

CQDs凭借其优异的光学性能、良好的生物相容性和多样的表面功能化，在诸多领域（如生物医药、生物传感器、食品工业、能源、催化、防伪设计和指纹识别）展现出广阔的应用前景。然而，CQDs在从实验室研究走向实际应用和临床转化的过程中，仍面临一系列严峻挑战。深入理解和解决

结论

CQDs作为新兴的零维碳基纳米材料，凭借其独特的理化性能、优异的生物相容性和高度的结构可设计性，已成为生物医药、传感检测、能源催化和信息安全等多个领域的研究前沿。CQDs作为新兴的零维碳基纳米材料，展现出独特的理化性能、优异的生物相容性和高度的结构可设计性。CQDs

CRediT作者贡献声明

Hongkun Xue、Hao Yu、Yilin Zhang和Ziye Yuan：形式分析（辅助）、调查研究（同等贡献）、撰写-原始稿件（同等贡献）。Rong Dong、Shiman Zhang、Xumeng Wang、Yuxin Bian、Ruoshi Zhang和Xiaojun Liao：形式分析（辅助）、调查研究（同等贡献）。Jiaqi Tan：资金获取（同等贡献）、项目管理（同等贡献）、撰写-审稿与编辑（同等贡献）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢河北省自然科学青年基金（C2024201007）和河北大学交叉学科研究项目（DXK202412）提供的资金支持。

Hongkun Xue | Hao Yu | Yilin Zhang | Ziye Yuan | Rong Dong | Shiman Zhang | Xumeng Wang | Yuxin Bian | Ruoshi Zhang | Xiaojun Liao | Jiaqi Tan