碳点在紫外区显示出强的光吸收,并逐渐衰减一直延伸到可见光区(图1),碳点通常在270~390 nm处有特征吸收峰(活性炭为碳源制备的碳点在250~300 nm范围内有吸收峰,有机硅烷作为配位剂合成的碳点在360 nm处有吸收峰)。 一般认为,这些吸收峰来源于C=O键的 n-π^*跃迁或者C=C的π-π^*跃迁^[16,17]。

图1

Fig.1

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	图1 碳点的紫外-可见吸收光谱图[23]Fig.1 UV-Vis absorption spectrum of carbon dots[23]

碳点所具备的优良性质,尤其是荧光性质使其成为一类新型的荧光标记材料而引起了研究者的广泛关注。 碳点发光性质最大的一个特色就是发射波长可“调谐”。 碳点的荧光发射波长跨度范围广,可以从可见光区一直延伸到近红外区,这弥补了传统的有机试剂在近红外区种类少的不足。 最早文献^{[18,19,20,21,22]}报道的碳点大多数具有激发波长依懒性,即碳点的荧光强度随着激发波长的增加而不断降低,而且荧光发射光谱也随之变化,逐渐红移,呈现出多元激发、多元发射的光谱特性(见图2 A)。 这一性质是由于量子尺寸效应还是其表面的能量阱的存在而产生的,至今无确定的机理解释^{[23,24,25,26,27]}。 最近我们课题组^[28]通过硝酸氧化活性炭、氧化石墨烯的方法制备出了具有蓝-绿色荧光发射的碳点,发现其发射波长独立于激发波长(图2 B),激发波长从310 nm增加到410 nm,荧光发射光谱不变,最大发射波长均位于503 nm,我们推测,这可能是由于合成的碳点具有较均一的粒径和相同的表面结构。 而且经过NaBH₄还原后,碳点的荧光量子产率能得到了很大的提高(从原来的2%增加到11%),而荧光发射波长却依赖于激发波长,并且最大发射峰向短波方向移动。 关于碳点的荧光机理主要有碳的激子、发射缺陷、量子限域效应、芳香结构/含氧基团以及边缘效应等产生的发光。 目前碳点的发光机理还存在很大的争议,需要进一步深入的研究。

图2

Fig.2

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	图2 碳点的多元激发多元发射光谱( A)[19]和多元激发一元发射光谱( B)[28]Fig.2 Excitation-dependent( A)[19] and excitation-independent( B)[28] fluorescence emission spectra of carbon dots

相比于传统的荧光染料和量子点,碳点具有上转换发光的特点^[29,30,31]。 上转化发光是指在长波长的光激发下,发射短波长的光。 上转化发光使用的激发光一般为能量较低近红外光,而近红外光有很强的组织穿透性,对细胞组织几乎无损伤,而且无背景荧光。 因此,上转化发光材料在生物医学应用中具有独特的优势。图3是典型的碳点的单、双光子荧光图^[32],碳点在可见光区被Ar离子激光(458 nm)照射下或在近红外光区被飞秒脉冲激光(800 nm)激发下,均可以在可见光区产生强荧光发射。 碳点的这一优异性能为研究碳点在双光子荧光成像中的应用奠定了良好的基础。

图3

Fig.3

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	图3 碳点的发光照片[32]Fig.3 Luminescence images of the CDs withargon ion laser excitation at 458 nm( A) and femtosecond pulsed laser excitation at 800 nm( B)[32]

电化学发光(ECL)是电化学和化学发光相结合的产物^[33,34,35],具有很多不同于荧光和化学发光分析的优点。 国内池毓务课题组^[36]报道了碳点的电化学发光行为(图4),其研究表明硝酸氧化活性炭制备的氧化型碳点可以某一特定电位下(-1.5~1.8 V)被氧化或还原,并且通过一定的湮灭反应发生相应的电化学发光过程。 所制备的碳点还能以S₂ O82-为共反应剂产生强的ECL。 庞代文课题组^[37]首次将碳点作为联吡啶钌的共反应剂引入到ECL体系。 碳点的ECL和其他量子点ECL体系类似,通常认为通过以下两种途径发生^[38,39]:一是由自由基湮灭途径,通过电化学氧化和还原反应生成阴、阳离子的碳自由基,生成的阴阳离子自由基通过发生电子转移反应而湮灭,产生ECL;另一种是共反应剂途径,碳点最常用的共反应剂是S₂ O82-,S₂ O82-在还原时可以生成一种强氧化剂S O4·-,该氧化剂可以和电化学发光体碳点发生电子转移反应产生ECL。 发光机理如下:

图4

Fig.4

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	图4 碳点与S2 O82-的电化学发光[36]Fig.4 ECL and electrochemical responses obtained for oxidized carbon dots and ECL responses of oxidized carbon dots-S2 O82- system[36]

R^+·和R^-·分别是在电极表面电生成的带正负电荷的碳点自由基。

目前关于碳点的研究工作主要集中在碳点的荧光性质及其应用方面,对于碳点在化学发光分析中的研究还处于起步阶段。 Lin等^[40,41]等首次对碳点的化学发光性能进行了详细研究。 研究发现,碳点的化学发光性能与一些半导体量子点,如CdTe^{[42,43,44,45]},很相似。 碳点的化学发光被认为是由于体系中产生的带正电荷的碳点(CD^·+)和带负电荷的碳点(CD^·-)经过复合形成了激发态的碳点(CD^*),激发态的碳点在返回基态时产生化学发光。

碳点具有良好的催化特性。 例如碳点可作为过氧化物模拟酶催化H₂O₂与四甲基联苯胺(TMB)显色反应^[46]。 其机理解释为:碳点可催化H₂O₂分解产生羟基自由基,羟基自由基进一步氧化TMB变蓝色。 最近,我们的研究结果^[28]还表明,碳点的催化性质与其表面结构有关,表面—C=O基可增强CDs的催化能力(图5)。 因此可通过改变表面基团调控碳点的催化活性。 此外,我们还发现石墨烯量子点(GQD)和纳米金形成的复合材料(GQD@AuNPs)有更高的催化活性^[47]。 因为GQD具有良好的电子转移能力,电子供体上的孤对电子转移给GQD,增加了GQD费密能级和从最低未占分子轨道(LUMO)到AuNPs的电化学势,使GQD@AuNPs表面的电子密度和流动性得到增加,进而加速了电子受体与电子供体之间电子转移,提高了电子受体的分解能力。

图5

Fig.5

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	图5 不同表面结构碳点的催化活性[28]Fig.5 Catalytic activities of different CDs a.CDs; b. r-CDs; c.oxidized r-CDs[28]

碳点能作为化学发光体直接发光。 Lin课题组^[40]率先研究了碳点的化学发光特性。 他们发现碳点能够与KMnO₄、Ce⁴⁺反应产生化学发光现象。 他们认为,在这些体系中碳点是化学发光体。 KMnO₄或Ce⁴⁺ 可以向碳点注入空穴,注入的空穴再与碳点高能量的电子复合产生化学发光(图6)。 随后,他们又报道了碳点对NaHSO₃-H₂O₂^[41]及NaNO₂-H₂O₂^[51]超微弱化学发光体系的增敏作用,机理为激发态的碳点(CD^*)作为最终的化学发光体产生增敏化学发光现象,并成功的将该体系分别用于利福平及亚硝酸盐的分析检测,检测范围分别为1.0×10^-7~1.0×10^-5 mol/L和1~600 μmol/L。 Cui等^[52]则报道了以氨基酸作为前驱体,经由酸/碱辅助的一步微波法合成的碳点可以有效增强NaIO₄-H₂O₂体系的超微弱化学发光。 其机理为在体系中产生的带正电的CD^·+与带负电的CD^·-之间发生电子转移湮灭,形成激发态的碳点(CD^*),在CD^*激发态分子弛豫回基态的过程中,能量以光辐射的形式释放出来,从而产生了增强的化学发光现象。 Tang等^[53]还以碳点作为化学发光体,选择性测定了水样中的氯离子。 最近,Lin和Zhao课题组^[54,55]还发现一新的化学发光现象,在无外界条件引发下,碳点可以与浓碱(NaOH或KOH)溶液产生强的化学发光。 他们认为碳点具有单电子占据轨道,在碱性溶液中可以作为电子供体向溶解氧转移一个电子,产生超氧阴离子自由基,这一实验结果还为碳点可以作为电子供体提供了直接证据。 生成的超氧阴离子自由基在溶液中不稳定,会引发一系列的自由基链式反应,最终生成激发态碳点(CD^*),CD^*回到基态的过程中产生化学发光辐射。 Zhao等认为^[55]发光机理是碳点通过NaOH还原注入电子和热激发产生的空穴辐射复合产生化学发光。 Lu 等^[56]制备了表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)功能化的碳点,其也能作为化学发光体应用于Co(Ⅱ)-H₂O₂体系,产生强的化学发光,同时他们研究发现,由碳点与CTAB形成的“珠链”结构还可以对Co(Ⅱ)选择性传感,并成功将其应用于人肝癌细胞中Co(Ⅱ)的测定。

图6

Fig.6

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	图6 碳点与KMnO4或Ce4+的化学发光[40]Fig.6 Schematic illustration of the CL mechanisms in the CD-KMnO4 and CD-cerium(Ⅳ) systems[40]

碳点能和化学发光试剂作用产生一些活性氧自由基如OH·和· O2-,这些活性氧自由基可以氧化化学发光试剂,加速化学发光反应的进行,增强化学发光。目前,关于碳点催化化学发光的报道比较少。 我们经过文献调研发现,碳点在化学发光中起催化作用的只有两篇文献^[28,60]报道。 2013年Huang课题组^[60]首次报道了将碳点作为催化剂应用于鲁米诺-过氧化氢化学发光体系,发现十六烷基三甲基溴化铵钝化的碳点(CTAB-碳点)对鲁米诺-过氧化氢化学发光体系的催化过程是一个典型的¹O₂诱导发光机理(图7)。 由于CTAB-碳点保留了C₆₀的部分共轭结构,能和过氧化氢之间发生有效的电子转移过程,催化过氧化氢分解成活性氧自由基(OH·和· O2-),这些自由基在CTAB-碳点表面经过重组反应形成¹O₂。 由于CTAB-碳点催化鲁米诺-过氧化氢化学发光体系的发光强度与过氧化氢的浓度有关,由此建立了碳点催化化学发光检测H₂O₂和葡萄糖的新方法。 在优化的实验条件下,检测过氧化氢的线性范围为0.04~22.2 μmol/L。 测量葡萄糖的线性范围为1.0~600.0 μmol/L,检测限低至0.3 μmol/L。

图7

Fig.7

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	图7 CTAB-碳点催化鲁米诺-H2O2化学发光反应过程[60]Fig.7 The1O2-induced CL mechanism of luminol-H2O2 CL catalyzed by CTAB-CDs[60]

最近,我们课题组^[28]研究发现,碳点在无外加氧化剂下也可以催化鲁米诺化学发光(图8)。 我们认为碳点的催化特性来源于碳点具有电子供体、受体的性质。 碳点作为电子受体能和鲁米诺发生电荷转移形成过渡态中间体[C…L],使碳点的电子密度和流动性增加,进而加速了电子从碳点到O₂的转移,导致溶解氧氧化鲁米诺的速率增加。 此外,我们还发现,改变碳点的表面基团可以调控碳点的催化性能,这一研究结果将有助于理解碳点的催化性能与其表面基团的关系,同时也为设计优良催化性能的碳点提供依据,进而拓展碳点在分析化学中的应用。

图8

Fig.8

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	图8 碳点催化鲁米诺化学发光反应过程[10]Fig.8 A schematic illustration of the catalytic procedure of CDs[10]

碳点除了具有催化能力外,Zheng等^[61]研究发现,碳点在化学发光反应中也扮演还原剂的角色,表面还原基团较多的还原型碳点能还原高锰酸钾,产生强化学发光(图9)。 其机理解释为:还原型碳点能还原高锰酸钾,生成激发态的二价锰离子,激发态二价锰离子回到基态产生化学发光,最大发光强度在610~640 nm。 此外,他们还研究了还原型碳点和碳点与高锰酸钾反应的化学发光特性,还原型碳点由于表面含有更多的羟基,因此与高锰酸钾的反应比碳点与高锰酸钾的反应更容易,所以还原型碳点-高锰酸钾体系具有更高的化学发光信号强度。

图9

Fig.9

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	图9 碳点/ r-碳点与KMnO4的化学发光[61]Fig.9 Schematic of CL mechanism of CDs-KMnO4 and r-CDs-KMnO4 systems[61]