環(huán)境敏感型碳點(diǎn)響應(yīng)機(jī)制及其在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

霍澤鵬，徐蔚青，徐抒平，2，3*

（1．吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012；2．吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，超分子化學(xué)生物學(xué)研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130012；3．吉林大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 理論化學(xué)研究所，吉林 長(zhǎng)春 130012）

碳點(diǎn)是一種新穎的熒光納米材料，憑借良好的生物相容性、光穩(wěn)定性和水分散性常被用于檢測(cè)、生物成像等領(lǐng)域［1］。碳點(diǎn)主要分為石墨烯量子點(diǎn)、碳量子點(diǎn)、碳納米點(diǎn)和碳化聚合物點(diǎn)四種類型，其發(fā)光機(jī)制則可分為碳核態(tài)、表面態(tài)、分子態(tài)和交聯(lián)增強(qiáng)發(fā)射等［2］。碳核態(tài)熒光機(jī)制強(qiáng)調(diào)碳點(diǎn)的熒光是由于其所具有的共軛結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生，其熒光強(qiáng)度受到共軛大小的制約［3］。表面態(tài)發(fā)光機(jī)制主要強(qiáng)調(diào)連接在碳核或者碳點(diǎn)表面的短鏈結(jié)構(gòu)以及含有氮、氧等元素的官能團(tuán)與碳核的協(xié)同作用［4］。分子態(tài)發(fā)光理論不同于表面態(tài)，是指在自下而上合成碳點(diǎn)反應(yīng)的初期階段，前驅(qū)體通過(guò)分子內(nèi)或者分子間脫水，形成低碳化程度的產(chǎn)物，即分子殘基［5］，這些分子殘基或有機(jī)分子發(fā)光團(tuán)會(huì)發(fā)射熒光。交聯(lián)增強(qiáng)發(fā)射指在碳點(diǎn)形成過(guò)程中，這些潛在的熒光中心通過(guò)聚合物化學(xué)交聯(lián)、錨定作用以及超分子網(wǎng)絡(luò)放大其熒光特性，而其所形成的結(jié)構(gòu)也通過(guò)限制這些官能團(tuán)的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)抑制其非輻射躍遷過(guò)程，提高熒光發(fā)射的效率，進(jìn)而增強(qiáng)熒光［6］。

環(huán)境敏感碳點(diǎn)可對(duì)所處介質(zhì)的微環(huán)境（如溶劑極性、溶劑粘度、pH 等）產(chǎn)生響應(yīng)，并導(dǎo)致自身發(fā)射、吸收光譜的改變，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的傳感和測(cè)量。目前具有此類性質(zhì)的發(fā)光碳材料的發(fā)光機(jī)制仍不清晰。本文對(duì)環(huán)境敏感型碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)制及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了綜述，具體可分為pH敏感型碳點(diǎn)、極性敏感型碳點(diǎn)、粘度敏感型碳點(diǎn)和溫度敏感型碳點(diǎn)四個(gè)類型。簡(jiǎn)述了環(huán)境敏感型碳點(diǎn)的合成原料、傳感性能，并綜述了其在生物分析檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 pH敏感型碳點(diǎn)

1.1 pH敏感碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制

pH 值是非常重要的生理指標(biāo)，在多種生物過(guò)程中起著重要作用。pH 可誘導(dǎo)碳點(diǎn)的發(fā)光發(fā)生改變，主要有以下解釋：①能級(jí)改變；②表面的含氧、氮官能團(tuán)發(fā)生質(zhì)子化和脫質(zhì)子化；③分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移的調(diào)制；④聚集形態(tài)轉(zhuǎn)變。在機(jī)制的探索過(guò)程中，人們通過(guò)多種表征手段探究了不同酸堿條件下碳點(diǎn)表面官能團(tuán)的變化，并通過(guò)諸如瞬態(tài)吸收等光譜手段詳細(xì)闡述了其發(fā)光機(jī)制。

針對(duì)pH 敏感碳點(diǎn)設(shè)計(jì)，許多pH 敏感型碳點(diǎn)在選擇前驅(qū)體時(shí)會(huì)使用一些含有氨基、羧基的有機(jī)小分子，這是由于表面的含氮、氧官能團(tuán)會(huì)發(fā)生質(zhì)子化和脫質(zhì)子化從而影響能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其熒光行為。因此，在設(shè)計(jì)pH敏感型碳點(diǎn)時(shí)，通常會(huì)考慮選擇含有上述官能團(tuán)的碳點(diǎn)。

碳點(diǎn)官能團(tuán)的差異可使碳點(diǎn)對(duì)pH 有響應(yīng)。Wang 等［7］采用水熱合成方法通過(guò)1，2，4-三氨基苯和NaOH 制備了一種pH 敏感碳點(diǎn)，以630 nm 和590 nm 處的熒光發(fā)射峰位強(qiáng)度比和pH 數(shù)值進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)隨著溶液pH值的增加，熒光強(qiáng)度逐漸上升，但在接近中性之后熒光強(qiáng)度略有下降并伴隨峰位藍(lán)移，這暗示部分結(jié)構(gòu)發(fā)生了質(zhì)子化和脫質(zhì)子化，改變了激發(fā)能級(jí)。他們通過(guò)Zeta電位數(shù)據(jù)得出在pH變化的過(guò)程中—OH 和—COOH 基團(tuán)變?yōu)椤狾—和—COO—，從而導(dǎo)致熒光行為變化（圖1A~E）。Karami等［8］通過(guò)傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法詳細(xì)探究了不同pH下的碳點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)偶氮基團(tuán)（1 545 cm-1）在中性pH 時(shí)強(qiáng)度最高，在酸性pH 時(shí)強(qiáng)度最低。他們通過(guò)滴定方法對(duì)合成碳點(diǎn)的pKa 進(jìn)行測(cè)定，證明了不同酸堿環(huán)境下的發(fā)射峰位差異來(lái)源于表面基團(tuán)的質(zhì)子化和去質(zhì)子化（圖1F）。Sui等［9］通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜描述了不同pH下碳點(diǎn)的載流子動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)在堿性環(huán)境中碳點(diǎn)的衰減速率較快，而在酸性環(huán)境中卻較慢。通過(guò)全局?jǐn)M合的方式對(duì)碳點(diǎn)激發(fā)態(tài)弛豫過(guò)程進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)在不同酸堿性環(huán)境中碳點(diǎn)經(jīng)歷了不同的中間態(tài)，且不同酸堿環(huán)境下每種組分所占的比例具有很大差異。通過(guò)結(jié)合碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，作者認(rèn)為碳骨架周圍的碳原子和含氧官能團(tuán)導(dǎo)致了pH的變化，羧基的質(zhì)子化和脫質(zhì)子化影響了整個(gè)發(fā)光過(guò)程（圖1G）。

圖1 CDs的準(zhǔn)備步驟（A），吸收光譜（B）及發(fā)射強(qiáng)度（C）隨pH值的變化［7］；不同pH值下CDs溶液在可見(jiàn)光和紫外線燈照射下的照片［7］（D）；在可見(jiàn)光和紫外線燈照射下，不同pH值下CDs的pH試紙的照片［7］（E）；CDs在pH值為3.0、7.0和9.0時(shí)的ATR-FTIR光譜［8］（F）；CDs在不同pH值溶液中被400 nm激光脈沖激發(fā)后在600 nm處的歸一化瞬態(tài)衰減動(dòng)力學(xué)［9］（G）；Cu2+鈍化CDs在不同pH值下的紫外-可見(jiàn)吸收譜［11］（H）；在室內(nèi)照明下，制備的（上）和Cu2+鈍化的（下）CDs在不同pH值下的照片［11］（I）；用405 nm激光激發(fā)Cu2+鈍化的CDs的熒光pH依賴性行為［11］（J）；CDs在pH 4.0和pH 11.0的水溶液中的TEM圖像［13］（K）Fig.1 Schematic illustration of the preparation procedure for the CDs［7］（A） . The absorbance intensity ratio changes（B） and emission intensity ratio changes（C） varied with pH values［7］.Photographs of the CDs solutions at different pH values under visible light and UV lamp irradiation［7］（D） . Photographs of pH test paper loaded with CDs at different pH values under visible light and UV lamp irradiation［7］（E）. ATR–FTIR spectra of CDs at pH 3.0，7.0，9.0［8］（F） . Normalized transient decay dynamics of CDs at 600 nm at different pH solutions after being excited by 400 nm laser pulse［9］（G）. UV–Vis absorption of Cu2+ passivated CDs under different pH values［11］（H） . Photographs of as-prepared（up） and Cu2+ passivated（down） CDs aqueous colloid with the same low concentration at different pH under indoor lighting［11］（I）.The pH dependent behavior for the PL of CDs with Cu2+ passivation excited by 405 nm laser［11］（J）.TEM images of CDs in aqueous solution at pH 4.0 and pH 11.0［13］（K）

pH誘導(dǎo)碳點(diǎn)產(chǎn)生的質(zhì)子化和脫質(zhì)子化除了改變碳點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu)外，還會(huì)引起碳點(diǎn)官能團(tuán)與發(fā)射位點(diǎn)之間的電子轉(zhuǎn)移，從而引起熒光發(fā)射的變化。Lü 等［10］發(fā)展了一種pH 敏感碳點(diǎn)，隨著pH 值的減小，熒光強(qiáng)度逐漸減弱。他們將碳點(diǎn)的這種傳感機(jī)制歸因于碳點(diǎn)表面的氨基質(zhì)子化增強(qiáng)了—NH3+和碳點(diǎn)之間的分子內(nèi)電子轉(zhuǎn)移能力，從而導(dǎo)致熒光猝滅。

除上述官能團(tuán)的差異會(huì)造成碳點(diǎn)對(duì)pH 響應(yīng)之外，H+/OH-所引起的能級(jí)變化也被認(rèn)為是碳點(diǎn)對(duì)pH響應(yīng)的原因之一。Kong 等［11］報(bào)道了具有不同表面修飾的pH 敏感性碳點(diǎn)。隨著pH 值的改變?cè)撎键c(diǎn)熒光發(fā)射峰位可產(chǎn)生顯著變化，發(fā)射顏色從藍(lán)色變?yōu)榫G色。這變化是由于OH—鈍化碳點(diǎn)表面缺陷，形成了一種保護(hù)殼層，進(jìn)而使得碳點(diǎn)被周圍溶液所隔離，而輻射躍遷受到抑制，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度和發(fā)射峰的改變。當(dāng)溶液環(huán)境變?yōu)樗嵝詴r(shí)，H+可破壞OH-所形成的保護(hù)殼層，增加碳點(diǎn)尺寸，進(jìn)而導(dǎo)致熒光猝滅和發(fā)射峰紅移（圖1H~J）。

碳點(diǎn)產(chǎn)生pH 敏感特性的另一個(gè)原因是pH 導(dǎo)致的碳點(diǎn)聚集和解聚集。通常在酸性環(huán)境中碳點(diǎn)會(huì)通過(guò)聚集形成較大顆粒，從而猝滅其熒光，這種敏感機(jī)制可通過(guò)TEM 觀測(cè)不同環(huán)境下碳點(diǎn)的粒徑得以判斷。Chen 等［12］通過(guò)對(duì)苯二胺和氨水合成了一種碳點(diǎn)，通過(guò)觀察不同pH 下的顏色變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH 值從9.0變?yōu)?.0時(shí)，碳點(diǎn)的顏色從橙色變?yōu)樽厣砻魈键c(diǎn)可能產(chǎn)生了聚集。他們認(rèn)為，這種傳感機(jī)制是由于胺基在強(qiáng)酸條件下的質(zhì)子化導(dǎo)致了碳點(diǎn)發(fā)生聚集，進(jìn)而使得熒光被猝滅。在另一項(xiàng)研究中，Sun等［13］同樣通過(guò)對(duì)苯二胺制備了pH 敏感碳點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)其熒光強(qiáng)度隨pH 值從10.62 到6.2 逐漸降低，但隨pH 從6.2到4.0卻急劇降低。為了驗(yàn)證傳感機(jī)制，作者使用Zeta電位和TEM 對(duì)不同酸堿環(huán)境中的碳點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，隨著pH 值的增加，電位由正變負(fù)。相應(yīng)地，TEM 圖像顯示隨著pH 值的降低出現(xiàn)了碳點(diǎn)的聚集體。綜合上述結(jié)果，表明碳點(diǎn)表面羧基的去質(zhì)子化削弱了包括氫鍵在內(nèi)的非共價(jià)分子相互作用，誘導(dǎo)碳點(diǎn)聚集體的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致強(qiáng)烈的熒光猝滅效應(yīng)（圖1K）。

1.2 pH敏感碳點(diǎn)的應(yīng)用

pH 值的調(diào)節(jié)和穩(wěn)態(tài)對(duì)活細(xì)胞的生存至關(guān)重要。除了生理環(huán)境下pH 值的監(jiān)測(cè)，許多反應(yīng)體系和反應(yīng)過(guò)程也依賴于體系中pH的波動(dòng)。pH敏感碳點(diǎn)因其優(yōu)異的響應(yīng)性能常被用于溶液環(huán)境內(nèi)pH傳感、細(xì)胞內(nèi)pH 成像檢測(cè)、納米藥物遞送等方面的研究。Yang 等［14］通過(guò)微波輔助水熱法從1，2，4-三氨基苯和尿素中制備了橙色發(fā)射的碳點(diǎn)，該碳點(diǎn)在pH 5.0~9.0 時(shí)呈現(xiàn)比色和熒光的雙重pH 敏感性。將其與棉布復(fù)合制作新型傷口繃帶可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傷口愈合過(guò)程中pH的動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)測(cè)（圖2A、B）。

圖2 O-CDs/MCC在實(shí)際應(yīng)用中的示意圖［14］（A）；不同pH值下緩沖溶液處理的O-CDs/MCC在自然光和紫外光（在365和254 nm激發(fā)）下的熒光圖像［14］（B）；CDs的制備和溶酶體pH監(jiān)測(cè)的示意圖［15］（C）；用于可追蹤、靶向遞送抗癌藥物的多功能GQD的結(jié)構(gòu)示意圖及其與癌癥細(xì)胞的相互作用［16］（D）Fig.2 Schematic and conceptual view of the O-CDs/MCC in practical application［14］（A）. Photographs showing color appearance under natural light and fluorescence images under UV ligh（texcited at 365 and 254 nm） of the O-CDs/MCC treated by buffer solution at different pH value［14］（B）. Schematic representation of CD preparation and lysosomal pH monitoring［15］（C）.Schematic illustration of the geometry of multifunctional GQDs for the traceable，targeted delivery of anticancer drugs and their interactions with cancer cells［16］（D）

細(xì)胞內(nèi)溶酶體的酸性微環(huán)境是很多靶向載體藥物釋放的設(shè)計(jì)依據(jù)。Zhang 等［15］基于官能團(tuán)保護(hù)策略，通過(guò)加熱對(duì)苯醌和乙二胺合成了一種pH敏感碳點(diǎn)。在該碳點(diǎn)合成過(guò)程中，氨基的良好親水性及其對(duì)pH 敏感的性質(zhì)均得以保留，在生理環(huán)境下表現(xiàn)出對(duì)pH 的靈敏響應(yīng)且具備良好的光穩(wěn)定性。該碳點(diǎn)可主動(dòng)靶向溶酶體，能實(shí)時(shí)成像檢測(cè)地塞米松誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中溶酶體的pH變化。將其與藥物分子復(fù)合后作為納米藥物載體，通過(guò)控制pH可實(shí)現(xiàn)對(duì)于藥物的可控釋放（圖2C）。Qiu等［16］通過(guò)將碳點(diǎn)與阿霉素（Dox，一種抗癌藥物）復(fù)合，發(fā)展了一種同時(shí)具有載體跟蹤和藥物釋放能力的納米診療載體。該載體當(dāng)細(xì)胞內(nèi)小泡酸化時(shí)，Dox 被觸發(fā)釋放，載體則在癌癥細(xì)胞攝取后在小泡酸化處被利用，從而實(shí)現(xiàn)了靶細(xì)胞內(nèi)pH觸發(fā)的藥物遞送（圖2D）。

2 極性敏感型碳點(diǎn)

2.1 極性敏感碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制

極性是化學(xué)反應(yīng)中重要的參數(shù)，溶劑的極性會(huì)影響化學(xué)反應(yīng)的走向。極性并不是單一發(fā)揮作用，它包含一系列復(fù)雜的效應(yīng)如氫鍵、偶極性等。此外，作為一種重要的物理參數(shù)，極性也與多種生理過(guò)程密切相關(guān)，如膜融合、蛋白質(zhì)變性、酶構(gòu)象變化等，這種異常的行為會(huì)導(dǎo)致如阿爾茨海默病等多種疾病的發(fā)生。已有的極性敏感探針大部分為有機(jī)小分子熒光探針，包含電子供體和電子受體結(jié)構(gòu)，兩者為共軛結(jié)構(gòu)所連接，形成D-π-A 結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)容易發(fā)生分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT），導(dǎo)致正負(fù)電荷分離，易出現(xiàn)較大的偶極矩。基態(tài)和激發(fā)態(tài)的偶極矩會(huì)隨著溶劑極性的變化而變化，最終導(dǎo)致吸收和發(fā)射光譜隨之改變。此外，極性敏感探針的設(shè)計(jì)原理還包含分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）和扭曲分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（TICT）等機(jī)制。對(duì)于碳點(diǎn)來(lái)講，無(wú)論是合成還是最后的分散，都依賴于溶劑。因而溶劑的特性也必將引起碳點(diǎn)性質(zhì)的改變。碳點(diǎn)的極性敏感特性與碳點(diǎn)本身結(jié)構(gòu)、其特殊的發(fā)光機(jī)制以及碳點(diǎn)和周圍溶劑分子的作用等因素相關(guān)，但目前關(guān)于碳點(diǎn)具體的極性敏感和溶致變色特性的發(fā)光機(jī)制未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。

針對(duì)極性敏感碳點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通常選擇含有氨基并且能夠引入其他官能團(tuán)的有機(jī)小分子作為反應(yīng)前驅(qū)體，所形成的產(chǎn)物通常包含電子供體和電子受體，易形成D-π-A 結(jié)構(gòu)和發(fā)生ICT 效應(yīng)，從而導(dǎo)致正負(fù)電荷分離，并出現(xiàn)較大的偶極矩，而基態(tài)和激發(fā)態(tài)的偶極矩會(huì)隨著溶劑極性的變化而變化，最終導(dǎo)致吸收和發(fā)射光譜隨之改變。

不同極性的溶劑會(huì)影響碳點(diǎn)的激發(fā)態(tài)能級(jí)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生溶劑極性依賴的發(fā)射特性。Khan等［17］利用時(shí)間分辨發(fā)射光譜揭示了碳點(diǎn)的激發(fā)依賴特性。經(jīng)典的卡莎規(guī)則認(rèn)為分子在躍遷至高能級(jí)激發(fā)態(tài)后會(huì)弛豫至最低的能級(jí)，進(jìn)而返回基態(tài)，從而產(chǎn)生與激發(fā)無(wú)關(guān)的發(fā)射。但Khan等認(rèn)為碳點(diǎn)的這種激發(fā)依賴特性是由于碳點(diǎn)和溶劑之間的相互作用所導(dǎo)致，這從原理上違背了卡莎規(guī)則。首先，在碳點(diǎn)吸收光子后會(huì)發(fā)生兩個(gè)過(guò)程，即振動(dòng)弛緩和溶劑弛緩；其次才是熒光發(fā)射，其中的溶劑弛緩過(guò)程由溶劑性質(zhì)所決定。這種快速的溶劑化會(huì)導(dǎo)致分子在熒光衰減前完全弛豫，隨后產(chǎn)生不同能量的發(fā)射，進(jìn)而產(chǎn)生激發(fā)依賴性，具體機(jī)制如圖3A所示。Arshad等［18］發(fā)現(xiàn)隨著溶劑極性的增加，碳點(diǎn)的熒光發(fā)射峰發(fā)生明顯移動(dòng)。通過(guò)對(duì)碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)制進(jìn)行探究發(fā)現(xiàn)，邊緣帶和附著在邊緣上的表面基團(tuán)對(duì)熒光發(fā)射峰移動(dòng)有所貢獻(xiàn)，但氫鍵對(duì)激發(fā)態(tài)無(wú)穩(wěn)定作用，而主要來(lái)源于電子躍遷。進(jìn)而得出結(jié)論，碳點(diǎn)的溶致變色現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由溶劑的偶極/極化效應(yīng)引起，這種作用可以更好地穩(wěn)定激發(fā)態(tài)，而對(duì)基態(tài)幾乎無(wú)影響，從而使發(fā)射發(fā)生紅移。

圖3 CDs的各種熒光現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)方面的示意圖［17］（A）；所制備的CDs的能態(tài)和電子躍遷過(guò)程的示意圖［19］（B）；分子態(tài)和溶劑之間相互作用導(dǎo)致的氫鍵誘導(dǎo)的CDs發(fā)射機(jī)制示意圖［19］（C）；CDs在H2O和CCl4中的G帶位置（D）和D/G峰積分強(qiáng)度比的變化（E）［21］；CDs的內(nèi)部形態(tài)圖，展示了含氯溶劑分子和發(fā)光中心之間的相互作用［21］（F）；密度泛函理論（DFT）在不同模型CDs上的計(jì)算結(jié)果［22］（G）；CDs中有助于觀察到的發(fā)射和溶劑化過(guò)程的示意圖［23］（H）Fig.3 Schematics of the dynamical aspects of various fluorescence phenomena of CDs［17］（A）. Schematic of the energy states and electron transition process for the asprepared CDs［19］（B） . Schematic of the HB effect dominating the CDs emission mechanism between molecule states and solvents［19］（C）. The change of the G band position（D） and D/G peak integral intensity ratios of CDs（E）in H2O and CCl4［21］. Scheme of the inner morphology of CDs which demonstrates interactions between the Cl-containing solvent molecules and luminescent centers［21］（F）. Density functional theory（DFT） calculation results on different model CDs［22］（G）.Sketch of the processes in CDs that contribute to the observed emission and solvatochromism［23］（H）

溶劑和碳點(diǎn)之間的特殊相互作用會(huì)對(duì)碳點(diǎn)的發(fā)射產(chǎn)生進(jìn)一步的影響。碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中包含高度碳化的核和外部包覆的聚合物鏈或者官能團(tuán)，這種結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致碳點(diǎn)對(duì)周圍環(huán)境響應(yīng)時(shí)的反應(yīng)位點(diǎn)主要集中在其表面。Zhang 等［19］制備了一種氮摻雜碳點(diǎn)，通過(guò)對(duì)其在16 種溶劑中的光物理參數(shù)、光譜行為和溶劑特性的關(guān)聯(lián)性分析，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)在質(zhì)子性溶劑和非質(zhì)子性溶劑中具有不同的響應(yīng)現(xiàn)象，作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該碳點(diǎn)的氨基可與溶劑分子形成氫鍵，促進(jìn)內(nèi)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，導(dǎo)致譜峰發(fā)生移動(dòng)，從而影響碳點(diǎn)的發(fā)光壽命和效率（圖3B、C）。此外，徐抒平等［20］也通過(guò)測(cè)量氮摻雜碳點(diǎn)和未摻雜的多種光物理參數(shù)，并借助Lippert-Mataga 模型和Kamlet-Taft 參數(shù)揭示了質(zhì)子性溶劑中存在的氫鍵對(duì)碳點(diǎn)發(fā)光的影響。評(píng)估了氫鍵供體和受體對(duì)氫鍵效應(yīng)的貢獻(xiàn)比例，分析了氮元素?fù)诫s在碳點(diǎn)溶致變色效應(yīng)中的重要作用，給出了許多溶劑敏感碳點(diǎn)的光物理參數(shù)。

以上研究認(rèn)為碳點(diǎn)溶劑響應(yīng)的發(fā)光特性主要來(lái)源于表面態(tài)，但最近的一項(xiàng)研究表明溶劑分子也可以進(jìn)入到碳點(diǎn)內(nèi)部，影響碳點(diǎn)中的碳核結(jié)構(gòu)。Stepanidenko等［21］通過(guò)對(duì)檸檬酸和乙二胺合成的碳點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)在吸收帶和熒光發(fā)射帶內(nèi)可以分解出一組窄峰，通過(guò)對(duì)水中（高極性）和四氯化碳（低極性）中碳點(diǎn)的拉曼光譜進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)碳點(diǎn)在不同極性溶劑中的拉曼光譜響應(yīng)行為有所差異，這與含氯溶劑與碳核的相互作用有關(guān)。因此，他們認(rèn)為含氯的溶劑會(huì)穿透碳點(diǎn)進(jìn)入內(nèi)層，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)光中心之間的距離增加，從而影響碳點(diǎn)的發(fā)光（圖3D~F）。

碳點(diǎn)自身形成的微觀分子結(jié)構(gòu)也會(huì)影響其極性敏感特性，Wang等［22］制備了兩種具有極性敏感特性的碳點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由鄰苯二胺合成的碳點(diǎn)表現(xiàn)出微弱的熒光發(fā)射（QY 約為2.8%~6.1%）和39 nm 的溶致變色位移。相反，由鄰苯二胺和4-氨基苯酚所合成的碳點(diǎn)則顯示出更高的溶致變色位移（87 nm）和發(fā)光量子產(chǎn)率（QY 約為18.4%~32.5%）。通過(guò)對(duì)合成的兩種碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、組成進(jìn)行分析，驗(yàn)證了碳點(diǎn)的極性敏感特性來(lái)源于吡咯氮和氨基氮的形成，并通過(guò)密度泛函理論計(jì)算進(jìn)行了證實(shí)（圖3G）。

上述列舉的4種發(fā)光機(jī)制或者影響因素并非單獨(dú)作用，其存在一定的協(xié)同效應(yīng)。Reckmeier 等［23］通過(guò)分析碳點(diǎn)在水和DMSO 溶劑中的吸收、發(fā)光、壽命等光譜信息研究了氮摻雜和氮硫共摻雜碳點(diǎn)中的極性敏感特性。結(jié)果表明，碳核態(tài)、邊緣帶和表面官能團(tuán)均會(huì)參與其中，共同影響碳點(diǎn)的發(fā)射（圖3H）。

2.2 極性敏感碳點(diǎn)的應(yīng)用

得益于碳點(diǎn)優(yōu)異的發(fā)光特性，極性敏感碳點(diǎn)在細(xì)胞成像和細(xì)胞內(nèi)極性傳感領(lǐng)域取得了諸多進(jìn)展。鄭州大學(xué)李朝輝教授課題組［24］發(fā)展了多種極性敏感碳點(diǎn)。如圖4A所示，2021年，該課題組通過(guò)對(duì)對(duì)苯二胺結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，利用N-苯基-苯二胺作為前驅(qū)體合成了一種新型的極性敏感碳點(diǎn)。其具有強(qiáng)烈的分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移特性，對(duì)溶劑極性表現(xiàn)出靈敏的響應(yīng)，在1，4-二氧六環(huán)和水中的熒光強(qiáng)度差異可達(dá)到509 倍。細(xì)胞成像結(jié)果顯示該碳點(diǎn)可以定位在細(xì)胞內(nèi)的溶酶體中，并能監(jiān)測(cè)饑餓條件下溶酶體的極性變化。借助于這種探針，他們首次監(jiān)測(cè)了斑馬魚傷口愈合過(guò)程中極性的動(dòng)態(tài)變化，為評(píng)價(jià)傷口愈合程度奠定了基礎(chǔ)。2022 年，該課題組繼續(xù)通過(guò)改進(jìn)苯胺結(jié)構(gòu)前驅(qū)體，以2-甲酰苯硼酸頻哪酯作為改性劑，合成了一種可對(duì)極性實(shí)現(xiàn)超敏感響應(yīng)的碳點(diǎn)。該碳點(diǎn)的特殊之處在于不僅其熒光強(qiáng)度與極性之間存在線性關(guān)系，且其最大發(fā)射波長(zhǎng)也與極性存在線性關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)的極性評(píng)估。他們使用成像設(shè)備中的原位發(fā)射光譜對(duì)脂滴和細(xì)胞質(zhì)中的極性變化進(jìn)行雙色成像定量分析，揭示了脂滴的極性異質(zhì)性和細(xì)胞質(zhì)中的極性均勻性，并對(duì)癌細(xì)胞和正常細(xì)胞進(jìn)行了區(qū)分［25］（圖4B）。該課題組2022年又通過(guò)6-氨基苯并［c］［1，2］氧雜硼雜環(huán)戊-1（3H）-醇鹽酸鹽和酒石酸合成了一種具有極性和粘度雙敏感的溶酶體靶向碳點(diǎn)，該碳點(diǎn)具有水溶性好、發(fā)射不受pH依賴、生物相容性好和光穩(wěn)定性優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)癌細(xì)胞內(nèi)溶酶體微環(huán)境極性較低、粘度較高的特征區(qū)分癌細(xì)胞與正常細(xì)胞，在癌癥診斷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［26］。徐抒平等［27］通過(guò)N，N-二乙基對(duì)苯二胺溶劑熱合成出了一種新型發(fā)光碳點(diǎn)，該碳點(diǎn)具有明顯的溶致變色特征，對(duì)溶劑的極性變化極為敏感。得益于上述特性，該團(tuán)隊(duì)將此碳點(diǎn)應(yīng)用于細(xì)胞內(nèi)脂滴的成像，并通過(guò)其極性響應(yīng)特性測(cè)量了細(xì)胞內(nèi)脂滴簇的極性（圖4C）。

圖4 對(duì)極性敏感的PPh-CDs的合理設(shè)計(jì)以及CDs在監(jiān)測(cè)斑馬魚截肢過(guò)程中極性變化的應(yīng)用［24］（A）；脂滴和細(xì)胞質(zhì)成像示意圖［25］（B）；CPDs的合成及其在脂滴成像中的應(yīng)用示意圖［27］（C）Fig.4 Rational design of the polarity-sensitive PPh-CDs and the use of the CDs in monitoring polarity changes during amputation of zebrafish［24］（A）. Schematic representation of the lipid droplets and cytoplasm imaging with different emission windows and high-fidelity detection of polarity by in situ emission spectrum［25］（B）. Schematic diagram of synthesis of CPDs and their applications in lipid droplet imaging［27］（C）

3 粘度敏感型碳點(diǎn)

3.1 粘度敏感碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制

粘度為擴(kuò)散過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在生物系統(tǒng)中，黏度影響著有機(jī)體和細(xì)胞水平上的各種生物活動(dòng)，如細(xì)胞內(nèi)的粘度影響著生物體代謝水平、細(xì)胞間信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)以及生物大分子之間的相互作用。在亞細(xì)胞器水平，多種細(xì)胞器也受周圍粘度微環(huán)境的影響，進(jìn)而產(chǎn)生各種各樣的生理過(guò)程變化。另外，包括脈粥樣硬化、阿爾茨海默病在內(nèi)的多種疾病也均與粘度的異常相關(guān)。

粘度敏感碳點(diǎn)的研究目前尚處于初步探索階段，在設(shè)計(jì)粘度敏感碳點(diǎn)時(shí)通常需參考小分子熒光探針中的分子轉(zhuǎn)子理論。粘度敏感碳點(diǎn)在特定波長(zhǎng)的激發(fā)下，通過(guò)分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)失去活性，通常情況下量子產(chǎn)率較低。但在高粘度環(huán)境中，分子轉(zhuǎn)子受周圍介質(zhì)粘度的影響而轉(zhuǎn)動(dòng)受限，失活過(guò)程則主要轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒獍l(fā)射，從而導(dǎo)致在高粘度介質(zhì)中熒光發(fā)射增強(qiáng)。Guo 等［28］通過(guò)前驅(qū)體設(shè)計(jì)，選擇檸檬酸和1-苯基吡咯烷作為反應(yīng)物，使其高溫高壓下發(fā)生Friedel-Crafts 反應(yīng)形成碳點(diǎn)。該探針利用檸檬酸所含的羧基和羥基，脫水碳化形成碳核；利用吡咯烷基高溫碳化后殘留在碳點(diǎn)表面作為分子轉(zhuǎn)子官能團(tuán)，兩者互為補(bǔ)充。該粘度敏感碳點(diǎn)可響應(yīng)溶劑粘度范圍為0.89~945 cP（圖5A、B）。Jing 等［29］通過(guò)飛秒瞬態(tài)吸收光譜探究了粘度對(duì)于碳點(diǎn)溶劑化弛豫過(guò)程的影響，結(jié)果表明在粘度較高的溶液中，溶劑和碳點(diǎn)之間具有更強(qiáng)的摩擦作用，影響溶劑化弛豫過(guò)程，進(jìn)而影響發(fā)光（圖5C~F）。但由于關(guān)于粘度敏感的碳點(diǎn)報(bào)道有限，其響應(yīng)機(jī)制是否可以通過(guò)小分子熒光團(tuán)的敏感機(jī)制被揭示？是否會(huì)由于自身特殊的結(jié)構(gòu)因素帶來(lái)更為復(fù)雜的粘度敏感響應(yīng)機(jī)制？這些問(wèn)題都有待于進(jìn)一步研究。

圖5 CDs的合成路線和隨著粘度增加而增加的CDs的熒光強(qiáng)度［28］（A）；使用CDs通過(guò)熒光變化和位置切換同時(shí)監(jiān)測(cè)線粒體粘度動(dòng)力學(xué)和MMP［28］（B）；CDs相對(duì)于溶劑粘度的重新定向排列時(shí)間［29］（C）；計(jì)算的結(jié)構(gòu)（D）和不同模式的能級(jí)（E）；N和O摻雜CDs的吸收、溶劑化弛豫、受激發(fā)射和激發(fā)態(tài)吸收過(guò)程的模型［29］（F）；溶酶體靶向和區(qū)分癌癥細(xì)胞和正常細(xì)胞的CDs合成途徑和傳感模型［26］（G）Fig.5 Synthetic route of CDs and turn-on fluorescence of CDs with increasing viscosity［28］（A）. Illustration of simultaneous monitoring of mitochondrial viscosity dynamics and MMP through fluorescence variation and location switching using the CDs［28］（B）.Reorientation times for CDs versus viscosity of solvents（C）.Calculated structures（D） and energy levels of different modes（E）.Model of absorption，solvation relaxation，stimulated emission，and excited state absorption processes in N and O-doped CDs［29］（F）. Synthetic route and sensing model of the CDs for lysosome targeting and distinguishing between cancer cells and normal cells［26］（G）

3.2 粘度敏感碳點(diǎn)的應(yīng)用

粘度敏感碳點(diǎn)的應(yīng)用相對(duì)少，僅限于細(xì)胞內(nèi)的粘度傳感。Xiao等［26］制備了一種新型粘度/極性雙響應(yīng)溶酶體靶向碳點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞免洗熒光成像，用于癌細(xì)胞和正常細(xì)胞的區(qū)分（圖5G）。Guo 等［28］設(shè)計(jì)了線粒體靶向粘度碳點(diǎn)，建立了線粒體膜電位與粘度的關(guān)系，闡明了兩者之間的相互作用。該研究發(fā)現(xiàn)在線粒體膜電位正常的活細(xì)胞中，碳點(diǎn)聚集在線粒體中，而當(dāng)線粒體膜電位消失時(shí)細(xì)胞死亡，此時(shí)的碳點(diǎn)則聚集在核仁中，通過(guò)熒光信號(hào)的變化以及碳點(diǎn)的空間位置實(shí)現(xiàn)線粒體粘度和線粒體膜電位波動(dòng)的檢測(cè)。研究中還觀察到在藥物刺激的細(xì)胞中線粒體表現(xiàn)出粘度增加并伴隨膜電位減少的現(xiàn)象，這為線粒體相關(guān)生物學(xué)效應(yīng)的研究提供了有價(jià)值的信息（圖5A、B）。

4 溫度敏感型碳點(diǎn)

4.1 溫度敏感碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制

溫度是一個(gè)基本的熱力學(xué)參量。細(xì)胞內(nèi)中眾多生物過(guò)程均受到溫度的影響，癌癥、炎癥等疾病均和細(xì)胞內(nèi)溫度的異常相關(guān)。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種新型發(fā)光材料用于溫度的傳感，包括量子點(diǎn)、稀土摻雜發(fā)光材料、MOFs等。碳點(diǎn)的溫度敏感機(jī)制還不具備完備的溫敏解釋理論。部分學(xué)者結(jié)合碳點(diǎn)的發(fā)光機(jī)制將其溫敏特性歸因于表面態(tài)的非輻射通道的熱激活效應(yīng)。在低溫情況下，非輻射通道未被激活，因此可以通過(guò)輻射光子發(fā)射熒光。相反，隨著溫度的升高，更多的非輻射通道被激活，激發(fā)的電子通過(guò)非輻射過(guò)程回到基態(tài)，導(dǎo)致熒光強(qiáng)度降低。

Yu等［30］在2012年首次報(bào)道了碳點(diǎn)溫度依賴熒光發(fā)射的特性，并將其與半導(dǎo)體納米顆粒的溫敏性質(zhì)進(jìn)行比較。通過(guò)時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)（TCSPC）測(cè)量了碳點(diǎn)在不同溫度下的熒光壽命，發(fā)現(xiàn)在溫度較高時(shí)，其非輻射衰變速率較快，從而導(dǎo)致更快的發(fā)光弛豫過(guò)程。此外，通過(guò)對(duì)于光譜峰的指認(rèn)發(fā)現(xiàn)其中兩類特殊的熒光峰（高能帶和低能帶峰）與溫度并不相關(guān)，推論電子-電子散射效應(yīng)是碳點(diǎn)產(chǎn)生溫敏效應(yīng)的來(lái)源（圖6A~C）。Kalytchuk 等［31］通過(guò)將樣品的輻射躍遷和非輻射躍遷常數(shù)與碳點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率相關(guān)聯(lián)，通過(guò)探究碳點(diǎn)的溫度依賴吸收特性繪制了輻射躍遷和非輻射躍遷常數(shù)與溫度的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非輻射躍遷常數(shù)隨著溫度的增加持續(xù)上升，而輻射躍遷常數(shù)卻在此溫度范圍內(nèi)變化不大，該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了溫度對(duì)于非輻射躍遷的影響大于輻射躍遷。Guo 等［32］發(fā)現(xiàn)溫度除了影響碳點(diǎn)的非輻射躍遷過(guò)程外，還顯著影響其輻射捕獲效率。為了證實(shí)這一點(diǎn)，作者將熒光強(qiáng)度和阿倫尼烏斯公式相關(guān)聯(lián)，描繪了熱活化能和熒光強(qiáng)度的關(guān)系，并闡述了輻射和非輻射重組率與溫度的關(guān)系，進(jìn)一步證實(shí)了在溫度上升時(shí)，碳點(diǎn)非輻射速率提高的現(xiàn)象，表明了碳點(diǎn)的溫敏特性是非輻射弛豫通道的激活和輻射捕獲效率變化雙重作用的結(jié)果（圖6D）。

圖6 CDs的兩個(gè)發(fā)光位點(diǎn)：核心（帶Ⅰ）和表面（帶Ⅱ）［30］（A）；CDs的熒光強(qiáng)度與兩個(gè)波段溫度的擬合關(guān)系［30］（B）；作為溫度函數(shù)的550 nm下的時(shí)間分辨熒光光譜測(cè)量［30］（C）；ln［（I0/IT）-1］對(duì)1/kT Cys-CDs溶液的依賴性［32］（D）；CDs在20°C和80°C水溶液中的紫外-可見(jiàn)吸收光譜［34］（E）；CDs在80°C水溶液中的TEM圖像，尺寸增加到（4.4±0.2）nm［34］（F）；dCD孵育的HeLa細(xì)胞在不同溫度下的熒光顯微圖像［37］（G）Fig.6 Two luminous sites of CDs：core（bandⅠ） and surface（bandⅡ）［ 30］（A）. Fitting relationship between CDs PL intensity and temperature of two bands［30］（B） . Time-resolved PL measurements at 550 nm as a function of temperature［30］（C）. The dependence of ln［（I0/IT）-1］ on 1/kT Cys-CDs solution［32］（D）. UV-Vis absorption spectra of CDs in aqueous solution under 20 and 80 ℃［34］（E）. TEM image of CDs in aqueous solution at 80 °C and the size increased up to（4.4 ± 0.2） nm［34］（F）.Fluorescence microscopy images of dCD incubated HeLa cells at the different temperatures［37］（G）

除了利用熱力學(xué)相關(guān)理論和光物理參數(shù)外，研究者也嘗試其他手段探究碳點(diǎn)的溫度敏感行為。He等［33］通過(guò)測(cè)量不同溫度下碳點(diǎn)的水合半徑，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的提高，碳點(diǎn)的粒徑不斷增加，表明溫度會(huì)導(dǎo)致碳點(diǎn)的聚集，從而影響發(fā)光。Wang等［34］也通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）觀測(cè)到溫度發(fā)生變化時(shí)，碳點(diǎn)粒徑增加的現(xiàn)象（圖6E、F）。Yang 等［35］通過(guò)利用強(qiáng)還原劑硼氫化鈉對(duì)碳點(diǎn)表面進(jìn)行處理，由氧化態(tài)變?yōu)檫€原態(tài)。還原后消除了碳點(diǎn)表面較多的羰基官能團(tuán)，碳點(diǎn)表現(xiàn)出熒光減弱、溫敏程度降低的趨勢(shì)，他們將這一現(xiàn)象歸因于碳點(diǎn)表面官能團(tuán)對(duì)溫敏特性有所貢獻(xiàn)。通過(guò)將固態(tài)碳點(diǎn)分散在不同介質(zhì)中的碳點(diǎn)的熒光行為進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)固態(tài)碳點(diǎn)仍能保持熒光性質(zhì)，但溫敏特性幾乎消失。而分散在乙醇中的碳點(diǎn)相較于分散于水中的碳點(diǎn)也表現(xiàn)出不靈敏的溫度響應(yīng)，這一現(xiàn)象歸因于氫鍵的作用。

4.2 溫度敏感碳點(diǎn)的應(yīng)用

溫敏碳點(diǎn)常被應(yīng)用于細(xì)胞及活體溫度傳感領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)了多種模式的傳感探針，包括強(qiáng)度依賴型、熒光壽命依賴型、熒光比率型等。

Wang等［36］通過(guò)溶劑熱處理合成了8種新型碳點(diǎn)，并選取了溫度敏感性能最好的Y-CDs實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶液溫度的精確識(shí)別。這種碳點(diǎn)具有良好的溫敏循環(huán)性和再現(xiàn)性，可分布在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核中，輔助熒光共聚焦顯微鏡觀察細(xì)胞溫度改變。Kalytchuk 等［31］建立了碳點(diǎn)的熒光壽命和溫度之間的關(guān)系，通過(guò)矯正曲線對(duì)細(xì)胞內(nèi)每次測(cè)量的溫度進(jìn)行確定。基于該碳點(diǎn)的溫度敏感探針檢測(cè)結(jié)果與參考探針的測(cè)試結(jié)果吻合度良好，可通過(guò)熒光壽命的變化指示細(xì)胞內(nèi)的溫度差異。Macairan 等［37］通過(guò)碳點(diǎn)發(fā)展了一種比率型納米溫度傳感探針，通過(guò)藍(lán)色和紅色通道成像HeLa細(xì)胞在不同溫度下的熒光強(qiáng)度建立比率型溫度探針。該熒光探針不受測(cè)試條件、碳點(diǎn)濃度變化的影響，展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景（圖6G）。

5 結(jié)論與展望

環(huán)境敏感性碳點(diǎn)作為一種智能型碳納米材料，表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。本文匯總了近年四類環(huán)境敏感型碳點(diǎn)的響應(yīng)機(jī)制及其在生物傳感研究中的最新進(jìn)展，以期為設(shè)計(jì)和合成更易調(diào)控、高敏感的環(huán)境敏感型碳點(diǎn)提供參考。在環(huán)境敏感型碳點(diǎn)發(fā)光機(jī)制探究方面仍需要大量的研究投入和探索。目前大多數(shù)報(bào)道是通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)或者通過(guò)響應(yīng)前后產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)分析推演出的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，大多僅適用當(dāng)下實(shí)驗(yàn)，較難成為普適性的碳點(diǎn)設(shè)計(jì)原則。建立更貼合實(shí)際的理論模擬模型和方法，對(duì)其形成過(guò)程、響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行探究，將有助于進(jìn)一步理解碳點(diǎn)的形成機(jī)制和響應(yīng)機(jī)制。此外，建立多種碳點(diǎn)原位的結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，以及對(duì)環(huán)境響應(yīng)過(guò)程的原位跟蹤和解析，將有助于我們理解其發(fā)光機(jī)制和調(diào)控機(jī)制。

目前，領(lǐng)域內(nèi)關(guān)于碳化聚合物點(diǎn)的具體發(fā)光機(jī)制問(wèn)題尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，相信隨著研究的不斷深入，碳化聚合物的理論體系會(huì)逐漸完備，最終形成具有普適性的發(fā)光理論體系，完善的發(fā)光機(jī)制也將極大地促進(jìn)環(huán)境敏感碳點(diǎn)在膠體界面、藥物分析、生物治療和生物代謝物示蹤等方面的應(yīng)用。環(huán)境敏感型碳點(diǎn)可以應(yīng)用于膠體界面領(lǐng)域。表面活性劑在超過(guò)臨界膠束濃度（CMC）后可以形成微膠束，而CMC 前后膠束的親水親油性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著改變。環(huán)境敏感型碳點(diǎn)可以感知周圍環(huán)境的油/水環(huán)境改變，從而影響其發(fā)光行為，使得其可以實(shí)現(xiàn)CMC 的傳感和測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微膠束形成過(guò)程的動(dòng)態(tài)表征。在生物應(yīng)用方面，環(huán)境敏感型碳點(diǎn)可以響應(yīng)細(xì)胞/體內(nèi)不同酸堿性及極性的微環(huán)境，從而影響碳點(diǎn)的發(fā)光和響應(yīng)行為，實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)微環(huán)境的成像和光譜模式的傳感及測(cè)量。更進(jìn)一步，細(xì)胞/體內(nèi)的微環(huán)境也可以影響碳點(diǎn)以及碳點(diǎn)和藥物復(fù)合物的行為，而實(shí)現(xiàn)生物局部敏感及特異性的靶向給藥，有望在生物診療領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。