碳点荧光探针，在生物活性分子检测中，如何检测空气中的污染物

文|万象硬核

编辑|万象硬核

?——【·前言·】——?

碳点是一种纳米级碳材料，具有优异的光学特性，如高荧光量子产率、较窄的发射光谱以及优良的化学稳定性，这些特性使碳点成为了一种理想的荧光探针，可用于生物活性分子的检测。

近年来研究人员开始将碳点荧光探针应用于环境监测领域，特别是空气中污染物的检测，取得了显著的成果。

本文综述了碳点荧光探针在检测空气中的污染物方面的研究进展，通过探讨碳点荧光探针的合成方法、碳点荧光探针表征技术、碳点荧光探针检测机制、空气中污染物的检测、碳点荧光探针的优势和不足以及未来研究方向，旨在促进碳点荧光探针在空气污染物检测中的广泛应用。

?——【·碳点荧光探针的合成方法·】——?

1.顶-下法（Top-down Approach）

顶-下法是一种常用的碳点合成方法，它从大尺寸碳材料出发，通过物理或化学手段将其分解成碳点。

其中一个典型的顶-下法是电弧放电法，它通过在高温下将碳材料（如石墨或碳纳米管）放电分解产生碳点，这种方法可以制备具有较大尺寸和高结晶度的碳点，适用于一些特殊应用，如光电子学。

2.微波辐照法（Microwave Irradiation）

微波辐照法是一种高效的碳点合成方法，它利用微波能量来加热碳源材料，碳源通常是含有碳原子的有机物，如葡萄糖、蔗糖或聚乙烯醇。

在微波辐照下碳源材料会发生碳化反应生成碳点，这种方法具有快速、简便的优势，能够制备较小尺寸的碳点，适用于大规模生产。

3.水热法（Hydrothermal Synthesis）

水热法是一种热力学驱动的合成方法，它将碳源与适当的溶剂在高温高压下反应，典型的碳源包括葡萄糖、柠檬酸和尿素，水热法制备的碳点通常具有较好的分散性和荧光性能，适用于生物分析和环境监测。

4.其他合成方法

除了上述方法还有许多其他合成碳点的方法，如激光剥离法、电化学法、溶剂热法等，这些方法各自具有特定的优势和局限性，可以根据需要选择合适的方法来制备碳点荧光探针。

5.表面修饰

为了增强碳点荧光探针的性能和选择性，研究人员常常进行表面修饰，表面修饰可以通过功能化化学反应来实现，引入不同的官能团，使碳点具有特定的亲合性，以便与目标分子相互作用，例如通过氨基化处理，可以增加碳点对金属离子的亲和性，从而用于重金属检测。

合成方法是制备碳点荧光探针的关键步骤之一，不同的合成方法可以调控碳点的大小、形状、表面性质和荧光性能，从而满足不同应用的需求。

表面修饰则可以进一步优化碳点的性能，使其具有更广泛的应用潜力，选择合适的合成方法和表面修饰策略是碳点荧光探针研究的重要考虑因素。

?——【·碳点荧光探针的表征技术·】——?

1.透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）

透射电子显微镜是一种常用于观察碳点形貌和结构的高分辨率显微镜，它通过透射电子束来成像样品的内部结构，可以提供关于碳点的粒径、形状和结晶度等信息，TEM对于评估碳点的单分散性和核心-壳结构非常有用，是表征碳点的重要工具。

2.扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）

扫描电子显微镜是另一种常用的显微镜，用于观察碳点的表面形貌，与TEM不同SEM通过扫描样品表面的电子束来获得图像，它可以显示碳点的外部形态和分布，有助于评估碳点的分散性和形貌特征。

3.X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）

XPS是一种用于分析碳点表面化学成分的表征技术，它通过照射样品表面并测量发射的光电子来确定元素的化学状态和含量，XPS可以用于确定碳点的官能团、表面杂质和氧化状态，为表面修饰提供了重要信息。

4.荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）

荧光光谱是用于测量碳点荧光性质的关键技术，通过激发碳点并测量其发射的荧光光谱，可以确定荧光发射峰的位置、强度和光谱特性，荧光光谱还可用于评估碳点的发光量子产率和光稳定性。

5.红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）

红外光谱是一种用于检测碳点的官能团和化学键的技术，它通过测量样品在红外区域的吸收光谱来确定化学结构，红外光谱可以用于检测碳点表面的官能团，例如羟基、羰基和胺基。

6.核磁共振光谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，NMR）

核磁共振光谱是一种用于分析碳点内部结构的表征技术，通过测量核磁共振信号，可以获得有关碳点内部原子排布和化学环境的信息，NMR对于研究碳点的核心-壳结构和内部构成非常有用。

表征技术在研究碳点荧光探针中起着至关重要的作用，透射电子显微镜和扫描电子显微镜用于观察碳点的形貌，XPS和红外光谱用于分析其化学成分，荧光光谱用于测量其荧光性质，而核磁共振光谱则可用于研究内部结构，这些表征技术相互补充，有助于全面理解碳点的性质和特性，为其在各种应用中的设计和优化提供了基础。

?——【·碳点荧光探针的检测机制·】——?

1.荧光发射机制

荧光发射机制是理解碳点荧光探针检测机制的关键，碳点荧光主要来源于碳点内部的能级跃迁，当碳点受到激发光（如紫外光）时电子会被激发到高能级状态，然后从高能级退回到基态，释放出荧光光子。

荧光发射的波长通常在可见光范围内，具体波长取决于碳点的能级结构和大小，理解荧光发射机制有助于优化碳点的荧光性能。

2.表面修饰与选择性检测

表面修饰对于碳点荧光探针的选择性检测至关重要，通过在碳点表面引入不同的官能团，可以实现对特定目标分子的高选择性检测，例如通过在碳点表面引入羧基官能团，可以增强碳点对金属离子的亲和性，从而用于金属离子的检测，表面修饰还可以调控碳点的亲和性，使其对不同分子的响应特异性增强。

3.荧光信号的检测原理

荧光信号的检测原理包括荧光光谱测量和荧光强度测量，荧光光谱测量通常通过光谱仪来记录碳点荧光发射光谱，从中获得波长和荧光强度信息。

荧光强度测量则涉及荧光强度与目标分子浓度之间的关系，通常情况下随着目标分子浓度的增加，荧光强度会相应增加，可以通过构建标准曲线来定量检测目标分子浓度。

4.荧光猝灭机制

荧光猝灭机制是指某些物质或分子能够降低碳点荧光强度的现象，这些物质通常被称为猝灭剂，可以是金属离子、氧化剂、有机分子等。

荧光猝灭机制可以用于检测猝灭剂的存在和浓度，从而实现对这些物质的检测，研究荧光猝灭机制对于深入理解碳点荧光探针的检测机制至关重要。

了解碳点荧光探针的检测机制对于正确应用和优化其性能至关重要，荧光发射机制解释了荧光现象的基本原理，表面修饰和选择性检测策略可以增强探针的特异性。

荧光信号的检测原理涉及荧光光谱和荧光强度测量，而荧光猝灭机制则是一种常用的检测手段，深入研究检测机制有助于发展更高效和特异性的碳点荧光探针，并推动其在环境监测中的应用。

?——【·空气中污染物的检测·】——?

1.大气中的有机污染物检测

大气中的有机污染物是空气污染的主要成分之一，包括挥发性有机化合物和多环芳烃等。

碳点荧光探针在大气监测中的应用可以通过捕获这些有机污染物的特定荧光信号来实现，通过选择表面修饰和检测方法，可以实现对不同种类有机污染物的高灵敏度检测，有助于监测大气质量和污染源追踪。

2.重金属污染物的检测

大气中的重金属污染物如铅、汞和镉等对环境和人类健康构成威胁，碳点荧光探针可通过其表面的官能团与重金属发生配位反应，实现对重金属离子的高选择性检测，这种检测方法具有高灵敏度和实时性，可以用于监测重金属污染物的浓度变化和迁移。

3.颗粒物的检测

大气颗粒物（PM2.5和PM10）是大气污染中的重要指标，与健康问题密切相关，碳点荧光探针可以用于颗粒物的检测和监测。

通过将碳点荧光标记于颗粒物表面或与颗粒物发生相互作用，可以实现对颗粒物的实时监测和粒径分布分析，为大气质量评估提供数据支持。

4.气体污染物的检测

气体污染物如二氧化硫、氮氧化物和臭氧等对空气质量产生直接影响，碳点荧光探针可以应用于气体污染物的检测。

一种常见的方法是将具有选择性亲和性的碳点荧光标记与气体污染物的检测，此外碳点荧光探针还可用于监测气体污染物的浓度分布和排放源源。

碳点荧光探针作为一种新型的环境监测工具，在空气中污染物的检测中具有广泛的应用前景，它们可以实现对有机污染物、重金属、颗粒物和气体污染物的高灵敏度检测和实时监测，有助于评估大气质量、污染源追踪和环境保护，未来的研究将继续推动碳点荧光探针在空气污染物检测领域的发展和应用。

?——【·碳点荧光探针的优势和不足·】——?

1.优势

高灵敏度：碳点荧光探针具有高灵敏度，能够检测到低浓度的污染物，其高表面积和丰富的官能团使其对目标分子具有较强的亲和性，从而能够实现低浓度污染物的快速检测。

高选择性：通过合适的表面修饰和功能化，碳点荧光探针可以实现高度选择性的检测，这使其能够区分不同种类的污染物，从而用于多污染物的混合体系分析。

实时监测：碳点荧光探针的快速响应和实时监测能力使其在环境监测中具有独特的优势，它们可以用于连续监测污染物浓度的变化，有助于及时采取控制措施。

低成本：碳点的制备成本相对较低，尤其适用于大规模生产，这使得碳点荧光探针在环境监测领域具有经济性和可行性。

2.不足

光稳定性：一些碳点荧光探针可能存在光稳定性不足的问题，长时间照射下可能导致荧光信号的衰减，这限制了其在长期监测中的应用。

荧光信号干扰：环境样品中的复杂成分和杂质可能对碳点荧光信号产生干扰，影响准确性和选择性，这需要在分析中考虑到可能的干扰因素。

应用范围：碳点荧光探针的应用范围受到其特定化学性质的限制，因此需要根据具体的检测需求选择合适的碳点探针或进行相关表面修饰。

环境适应性：在复杂的环境条件下，如高温、高湿度等，碳点荧光探针的性能可能受到影响，因此在不同的环境中使用时需要考虑其适应性。

碳点荧光探针在环境监测中具有许多优势，如高灵敏度、高选择性、实时监测和低成本等，使其成为一种有潜力的污染物检测工具，但是也存在一些不足之处，如光稳定性、信号干扰、应用范围受限等，未来的研究将致力于解决这些问题，以进一步推动碳点荧光探针在环境监测中的广泛应用。

?——【·未来研究方向·】——?

1.提高碳点荧光探针的性能

未来的研究方向之一是进一步提高碳点荧光探针的性能，这包括改进合成方法，以实现更高荧光量子产率和更稳定的荧光信号。

需要设计具有更广泛亲和性的表面修饰策略，以实现对多种污染物的高度选择性检测，通过调控碳点的结构和化学性质，可以优化其在不同环境中的性能。

2.拓展应用领域

未来的研究还应致力于拓展碳点荧光探针的应用领域，除了大气污染物检测还可以将其应用于水污染物、土壤污染物等环境监测中，此外碳点荧光探针还有望用于食品安全监测、工业废水处理等领域，扩大其应用范围。

3.多功能探针的开发

未来的研究方向之一是开发多功能碳点荧光探针，这些探针可以同时实现对多种污染物的检测，提高分析效率，例如可以设计一种同时检测大气中有机污染物和重金属的多功能探针，以满足复杂环境监测需求。

4.与其他传感技术的集成

未来的研究还应考虑将碳点荧光探针与其他传感技术集成，以提高监测的准确性和可靠性，可以将碳点荧光探针与微电子传感器、质谱仪等技术结合，实现多层次的监测和分析。

5.环境适应性研究

环境监测通常涉及各种环境条件，因此需要进行更深入的环境适应性研究，未来的研究可以关注碳点荧光探针在不同温度、湿度、PH值等条件下的性能表现，以确保其在复杂环境中的可靠性。

6.可持续性与环保

未来的研究应注重碳点荧光探针的可持续性和环保性，这包括开发绿色合成方法、降低生产成本、减少毒性物质使用等方面的工作，以确保碳点荧光探针的环境友好性。

通过在这些研究方向上的努力，碳点荧光探针有望成为环境监测领域的重要工具，为保护环境和人类健康提供有力支持。

?——【·笔者观点·】——?

本文系统性地探讨了碳点荧光探针在环境监测中的应用，涵盖了合成方法、表征技术、检测机制、优势和不足以及未来研究方向等多个方面。

碳点荧光探针作为一种新兴的环境监测工具，在检测空气中的污染物方面显示出巨大的潜力和优势。

碳点荧光探针作为一种前景广阔的环境监测工具，将在未来发挥重要作用，为保护环境、维护人类健康和可持续发展提供有力支持，不断拓展碳点荧光探针的应用领域，并提高其性能和可靠性，为构建更清洁、更健康的环境贡献力量。

?——【·参考文献·】——?

[1] 朱家瑶;董玥;张苏;范壮军.炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用. 物理化学学报,2020

[2] 胡若欣;宋希元;晋卫军.碳点和掺杂碳点的发光机理.化学传感器,2018

[3] 颜范勇;邹宇;王猛;代林枫;周旭光;陈莉.荧光碳点的制备及应用. 化学进展,2014

[4] 王珊珊;米渭清;朱红;王芳辉.一步微波法合成碳点及其荧光性质研究. 光谱学与光谱分析,2012

[5] 新型荧光材料的应用及其发展趋势. 王艳忠,黄素萍.化工新型材料,2000