碳量子點的制備及其在分析檢測方面的應用

楊依依，張琪，蔣春月，劉廣涵

(河北農業大學，河北 滄州 061100)

碳量子點(CQDs)是碳納米材料的新成員，主要有碳、氮、氧等元素組成，其中碳為主要元素。2004年,XU等人第一次發現了具有尺寸并可以發光的碳量子點。相比于傳統的碳，碳量子點不僅具有低毒性、成本低等特點，而且還可以發出穩定的熒光。

1 碳量子點的合成

碳量子點制備原料普遍多樣，制備方法眾多，主要分為兩大類：自上而下法和自下而上法[1]。其中自上而下法通常分解結構較大的碳材料。但是這種合成方法得到的量子產率并不高，主要是因為大的碳結構不能被完全的分解。而自下而上法則是通過碳化處理檸檬酸等小分子來合成碳量子點。

1.1 自上而下的合成方法

1.1.1 電弧放電法。2004年，XU等人[2]在一次制備單壁碳納米管的純化過程中偶然發現了帶有熒光效果的碳量子點。但是在合成過程中，會生成許多雜質并且會有部分聚沉，因此很難提純碳量子點，最終得到的量子點產率較低。

1.1.2 電化學合成法。2007年，Zhou等人[3]利用合成的多壁碳納米管為工作電極，在循環的電壓下，通過觀察溶液的顏色變化來合成碳量子點，當看到溶液變為深棕色時，即合成了大小為2.8 nm左右的碳量子點。這種合成方法得到的產物尺寸均勻，對碳源利用率很高，但是后期處理過程復雜。

1.1.3 激光刻蝕法。2006年，Sun等人[4]在溫度900℃，壓力為75kPa的水蒸氣環境下，以氬氣作為載氣，利用激光器來轟擊石墨靶，得到碳納米顆粒混合物，隨后，將其在硝酸中回流、在有機物中鈍化，再經過透析、離心等方法分離提純。得到量子產率為4%～10%、粒徑為5nm的碳量子點。但是該方法制備步驟復雜、碳量子點粒徑大小很難控制。

1.2 自下而上的合成方法

1.2.1 微波合成法。Zhu等人[5]以葡萄糖為碳源，以聚乙二醇為分散劑，將二者混合并溶于水中形成溶液，用500W微波加熱合成碳量子點。其中溶液由無色逐漸變為深棕色。雖然這種方法操作簡單、用時少、成本低，但是得到的碳量子點粒徑大小及分布都很不均。

1.2.2 模板法。模板法首先是在模板上合成碳量子點，其次通過化學方法使模板得以除去，最后得到碳量子點的合成方法。Liu等人[6]使硅球經過表面活性劑的處理，并經過兩性聚合物F127嵌段進行修飾作為模板，經過高溫煅燒形成混合物。再經過離心、堿蝕、硝化、純化等過程合成發出熒光碳量子點。這種合成方法成本高、合成步驟較復雜。

1.2.3 燃燒法。燃燒法是通過高溫燃燒得到蠟燭灰，再經過硝化、離心、電泳對過程進行分離提純得到發光碳量子點。這種燃燒法合成碳量子點的優點是原料來源廣泛、操作簡單，缺點是反應過程中的硝酸難以完全除去、碳量子點粒徑難以控制。

1.2.4 水熱合成法。水熱法[7]是利用有機前驅體在高溫條件下分解合成碳量子點的方法。水熱法可用前驅體種類眾多，例如：抗壞血酸、豆漿、橘汁、橙汁、柚子皮等。Zhang等人[8]利用抗壞血酸在180℃下合成碳量子點。這種方法成本低、步驟簡單，是目前最為常用的合成方法。

2 在分析檢測方面的應用

碳量子點檢測原理是：與這些待測物作用，通過改變其表面缺陷，使其發生熒光猝滅或增強，從而實現對待測物的檢測。

2.1 金屬離子。Liu等人采用微波法合成碳量子點后，加入Cu2+溶液后會出現熒光猝滅現象，從而實現了對Cu2+的檢測。后用于自來水中Cu2+的檢測。除此碳量子點還可以檢測Fe3+、K+、Al3+、Hg2+、Ag+等。

2.2 陰離子。碳量子點也可以利用其特殊性質來實現陰離子的檢測，但是不同于金屬離子與碳量子點形成配合物出現熒光猝滅的現象，陰離子是與配合物中金屬離子形成更穩定的配合物從而出現熒光增強或恢復的現象。科學家利用這一原理成功檢測到I-的存在。除此之外，也有很多科學家成功檢測了CN-、NO2-、PO43-、ClO-等。

3 結語

自碳量子點被發現以來，陸續有科學家研發出新的合成方法。但是大部分方法都存在制作步驟復雜、量子點粒徑難控制等缺點，因此都不能大規模合成碳量子點。目前開發綠色環保、成本低、制作步驟簡單、可大規模生產的合成方法是我們的主要任務。