什么是碳量子點

物質的許多性質取決于物質中活潑電子的狀態，而電子狀態取決于電子所處的空間勢能，隨著物質尺寸的降低，電子的運動受到限制，按照電子受限的空間維數，將物質分為如圖1所示塊體、量子阱、量子線和量子點。碳量子點（carbon quantum dots，C-dots），又稱碳點或者碳納米點，是一類尺寸在10nm以下的碳納米材料。更廣泛的定義為在水中或者其他懸浮液中的小碳納米顆粒。

碳量子點的制備方法

過去的十幾年，各種制備碳量子點的方法被提出來，這些方法大致分為“自上而下（Top-down）”和“自下而上（Bottom-up）”兩種，如圖3所示，在CQDs 的合成過程中，還可以通過功能化、摻雜和納米雜化實現碳量子點的改性。自上而下的方法一般是分解大的碳結構，比分解金剛石、石墨、碳納米管、活性炭和石墨氧化物等，分解方法像電弧放電、激光燒蝕、電化學氧化等。而自下而上的方法則是通過像檸檬酸、糖類和不飽和聚酯等分子前驅體，方法為微波輔助法、燃燒熱處理法、支撐合成法等。

目前制備碳量子點的方法很少，報道的制備具有熒光性質的碳量子點的方法有：

（1）高溫高壓切除法

利用激光從石墨粉表面切下碳納米粒子，將其與有機聚合物混合后，即獲得直徑小于5nm且具有光致發光特性的碳量子點。

（2）蠟燭燃燒法

通過收集和酸處理蠟燭灰，得到表面具有羧基和羥基的親水性碳量子點，直徑約1nm。

（3）電化學掃描法

在乙腈和四丁基高氯酸銨支持電解質中，通過電化學循環伏安掃描，使四丁基高氯酸銨進入碳納米管間隙，從碳納米管的缺陷處剝落下碳量子點（直徑約2.8 nm）。相對前兩種方法，電化學法更易實現大規模快速生產。但是也有一定的限制。

（4）有機物熱解法

對有機物進行高溫熱解，得到親水性的熒光碳點。

碳量子點的制備過程中需要注意三個問題：1）可以通過電化學等方法避免在碳化時碳質聚合。2） 注意控制尺寸和均勻性，這對碳量子點的性能十分重要，可以通過后處理達到這個目的，比如凝膠電泳、離心分離和透析等。3）溶解度和應用的關鍵在于碳量子點表面的性質，可以在制備和后處理時調整。

碳量子點的優勢

相對于傳統的半導體量子點和有機染料，這位碳家族中的新成員不僅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等優點，而且還擁有發光范圍可調、雙光子吸收截面大、光穩定性好、無光閃爍、易于功能化、價廉、易大規模合成等無可比擬的優勢。雖然在某些性能方面，稀土熒光納米顆粒可以與之媲美，但是稀土元素昂貴的價格極大地限制了其在實際生產中的應用。因此，對碳量子點這一新興領域的研究必將對材料科學的發展產生重大影響，它也會為碳家族贏得更多的榮耀。

Xu 等在2004年首次發現碳量子點后，其合成、性質、應用等方面在近十幾年來都取得了巨大的進步。 發光CQDs 具有高水溶性、強化學穩定性、易于功能化、抗光漂白性以及優異的生物特性，良好的生物相容性，在生物醫學（生物成像、生物傳感、藥物傳輸等）有潛在的應用前景。同時，CQDs 具有優良的光電性質，既可以作為電子給體又可以作為電子受體，這使得它在光電子、光催化和納米傳感等領域有廣泛的應用價值，如圖2所示。