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第3章 碳量子点的应用
碳量子点被修饰后，荧光明显增强且更加稳定，分子量和粒径都比传统量子点较小，其表面含有氨基，所以它的生物相容性好，毒性很低，成为目前最具应用前景的环境友好型纳米材料尤其是应用于生物医学领域。在分析检测和生物分析检测方面碳量子有广泛的应用前景[18]，而且在生物标记与细胞成像方面有着越来越重要的作用。随着对其研究的深入和日趋成熟，它在其他领域的应用前景也是不可估量的[6]。
3.1碳量子点在生物标记与细胞成像中的应用
近几年来，荧光碳量子点因其具有独特的光学性能其应用日益更加广泛，不仅在化学生物检测领域，其更主要用于生物标记、细胞成像等方面。 Sun等[9]和Liu等[18]将表面钝化后的碳量子点用来标记大肠杆菌细胞，激发波长不同，发出不同颜色的荧光 。Yang[10]等研究了掺杂ZnS的碳量子点在老鼠淋巴管中的迁移情况。由于碳量子点粒子小，其在细胞中迁移快，也能可以通过肾脏排出体外，整个实验过程中没有表现出毒性反应。Cao等将碳量子点应用到人体乳腺癌细胞的标记中，他们发现碳量子点可以到达细胞膜和细胞质，但不会到达细胞核，不同粒径的碳量子点到达细胞内的部位也不同，借此可用不同粒径的碳量子点来标记细胞的不同部位Li 等利用由不同试剂钝化后得到的碳量子点与癌细胞融合而荧光成像， 他们的实验结果表明：在与细胞孵育后碳量子点能成功进入细胞。如果能与细胞特异作用的转铁蛋白修饰碳量子点表面后，碳量子点能更好地与癌细胞结合，荧光显微成像更加显著。因此碳量子点是一种非常好的荧光标记和成像试剂，为单分子水平研究细胞动力学提供了强有力的手段，在生物医学和细胞成像领域中有广阔的应用前景。
3.2碳量子点在生物分析检测中的应用
荧光碳量子点在生物分析检测中的应用见诸报道的主要是用来测定溶菌酶、葡萄糖、DNA及巯基化合物。刘利芹还用其制备的碳量子点对溶菌酶进行了检测，实验选择pH值为7.4400倍的金属离子，2000倍的糖类，66倍的氨基酸类等不影响测定，其原理可能是溶菌酶加入后能与碳量子点发生静电作用而形成复合物使碳量子点周围负电荷减少。故本法具有较好的实用性，可直接应用于实际样品的检测。本方法简单快速、灵敏度高、选择性好，已成功用于血清样中总巯基化合物的测定[19]。
3.3 碳量子点作为荧光探针的应用
基于CDs的荧光探针己被很广泛的研究，主要可分为两种：一种是基于“荧光猝灭\off)的响应模式，另一种是基于“荧光增强”(turn on)的响应模式，后者的选择性和灵敏度更优于前者，这两种模式都适用于设计基于CDs的荧光探针[11]。
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3.3.1检测金属离子
大部分CDs金属离子传感器的响应模式是基于金属离子猝灭CDs荧光。杜迎翔等嗍发现柠檬酸水热法合成的CDs对Fe2+有较好的响应，根据此原理可用于检测氨基磺酸亚铁[10]。此外，曲晓刚等[11]课题组还建立了基于CDs的能量共振转移(FⅪ玎)检测K+的方法，冠醚通过氕哪·相互作用吸附于石墨烯表面，表面修饰氨基的CDs与冠醚发生相互作用而结合，随后就导致荧光猝灭。当加入K+后，冠醚与K+特异性结合使CDs从石墨烯表面脱离，荧光恢复，就实现了溶液中对K+浓度的检测。
3.3.2检测溶液pH值
东北大学徐淑坤等[12]以L．半胱氨酸为碳源水热法制备了荧光CDs，该法合成的CDs对pH呈荧光响应，检测pH线性范围为3.0到5.0。严秀平课题组利用发光石墨烯量子点检测溶液的离子强度及pH，他们发现离子强度增大，荧光强度明显略微下降，当加入氢离子后，荧光就恢复。同时，与非晶形的碳量子点相类似，石墨烯量子点的荧光强度随着pH值的增大呈现下降的趋势，且这种变化具有可逆性。
3.3.3检测小分子
由 “荧光增强”法设计的探针可以有效降低不相关背景信号的干扰，所以能够提高检测灵敏度。西南大学黄承志课题组运用此机理，基于磷酸根对Eu3+诱导CDs聚集荧光猝灭的调节作用，实现了磷酸根离子(Pi)的检测。我们知道葡萄糖是动物体内重要的能源物质和新陈代谢的中间产物，检测葡萄糖的浓度具有越来越重要的生理意义。一些研究人员还发现CDs具有类过氧化氢酶的性质，能够催化H202氧化使其本身颜色发生变化，由于其兼具电子的给体和电子的受体的特性，所以CDs有类似过氧化氢酶的特点。而且在催化氧化的过程中，TMB长链中氨基的电子转移到CDs上，发生氧化，溶液便由无色变为蓝色。据此发展了检测葡萄糖的方法[7]。
3.3.4检测具有生物活性的大分子
郑鹄志[5]课题组发展了利用CDs检测DNA的方法，此方法基于亚甲基蓝(MB)吸附于CDs表面后，发生共振能量转移导致CDs的荧光猝灭；当加入靶标DNA双链后知MB因嵌入DNA分子的双螺旋结构而从CDs表面脱离，导致CDs的荧光恢复。陈国南课题组习将CDs吸附在玻碳电极表面的高氟化离子交换树脂中，并在其表面吸附抗体胎蛋白(AFP)，当抗体与抗原特异性相结合后，CDs的电致化学发光强度大大下降，实现了CDs在免疫检测中的应用。
3.3.5在活体成像中的运用
康振辉等[20]课题组以在硫酸和硝酸的混合溶液中回流单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混合物法合成发射范围覆盖可见到近红外区的CDs，并用于活体体内荧光成像，
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有效地避免了生物体的自发荧光。除了作为近红外成像的探针外，CDs在成像领域也同样具有更广阔的应用前景就是它的转换性能。Gu[7]等把石墨烯量子点这种上转换荧光纳米粒子应用于成像中。此种上转换发光是被近红外光激发以后，不仅具有较高的组织穿透力，而且能有效避免生物体自发荧光的干扰，大大降低了对细胞的伤害。此外，CDs还有望替代传统的半导体量子点成为廉价、低污染的敏化剂，被用于太阳电池中。
3.4 碳量子点的其他方面的应用
经过近几年的发展，碳量子点已成功用做生物荧光探针在体内和体外成像。 与传统的染料分子和半导体量子点相比，碳量子点有无毒或低毒的特性，良好的生物相容性和环境安全性以及水溶性，这些特性确保了碳量子点可以安全地应用于活体细胞的检测，荧光材料对活体细胞的影响而导致误诊的疑虑就消除了，也可以长时间研究细胞中生物分子之间的相互作用[12]。目前，已有多篇文献报道碳量子点被用作荧光探针应用于细胞和活体的荧光观测。Chen[10]等人利用天然气灰制备发光碳量子点，也可以被用作独特的结构载体，在其上多种过渡金属可以被沉积，从而制得功能化的纳米复合 材料。再将功能化的生物兼容性的碳量子点用作纳米传感器，能够检测环境中 H（II）的存在，进一步扩大了碳量子点的应用范围。
实验研究表明，碳量子点作为生物标记物在生物体内进行长时间的检测。此外，它还具有宽的激发波长范围，有利于碳量子点作为生物标记物进行多样品的同时检测 。最重要的是，它较以往的荧光材料更具有生物安全性 , 比其他荧光标记物对生物分子的活性干扰小 。实验证明它可以通过细胞的内吞作用进入癌细胞的细胞膜和细胞质而不影响细胞核，所以碳量子点作为生物标记的材料有望可以解决以往荧光材料在生命研究中的安全问题[20] 。
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第4章 总 结
通过以上所诉我们可知碳量子点具有粒径小，水溶性好，化学惰性高，易于功能化，耐光漂白、低毒性而且具有良好的生物相溶性等优良的性质，是众多研究者的研究热点。本论文集结了众多研究者对其制备方法的叙述，首先就其合成材料来说如果选用石墨为碳源，虽然其过程简单，但是得到的粒径较小，以活性炭为碳源就弥补了这一缺点。如果是油烟，则得到的碳量子点荧光更强更稳定，我们如果想要提高量子产率，碳水化合物是最好的选择了。其次针对碳量子的制备方法，电化学反应比其他的反应具有更强的氧化能力和还原能力，在荧光CDs中占有很重要的地位，如果我们想要生产大批的碳量子，便可采用电化学扫描法，此方法得到的碳量子高密度，尺寸均一，性质稳定且寿命很长。而电化学氧化法要选择电解质、有机溶剂，其过程相对复杂，而且也不适合大批生产。对于电弧放电法得到碳量子虽然荧光性能好，但其产率较低。如果我们需要在较短的时间内制备出碳量子，微波法能满足这一需要，因此需要探究出一种既能大批生产、荧光性能好、产率高、操作简捷快速的一种新型制备方法是我们需要解决的问题。
碳量子因其荧光性能其用途日益广泛，在生物领域和化学领域有很好的应用前景。在分析检测，尤其生物标记和细胞成像，碳量子点是一种非常好的荧光标记和成像试剂，为单分子水平研究细胞动力学提供了强有力的手段，在生物医学和细胞成像有着越来越重要的作用，解决了我国在生物学和医学方面的许多难题。而且它比其他纳米材料应用更加广泛，比如检测重金属离子、测定溶液的检测溶液pH值、检测小分子等都有着良好的结果。还有就是由于它的低毒性，所以能大大降低对细胞的伤害能成功的被应用于活体成像中，此外，CDs还有望替代传统的半导体量子点成为廉价、低污染的敏化剂，被用于太阳电池中，其应用前景不可估量。虽然我国对碳量子点的研究还处于初级阶段，各个方面的技术还不成熟，它的应用还有一些的限制，比如在医学方面还有某些方面的不足，一些疾病的诊断还有些困难，所以需要我们更加努力的去探究，取得一些突破性的发展。
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