碳點的研究進展

木合塔爾?吐爾洪+徐陽+尹學博

摘 要 碳點具有優良的光學特性＼，良好的生物相容性和低毒等優點， 被廣泛用于生物檢測、藥物傳輸和生物成像等領域， 是極具發展潛力的碳基質材料。近年來， 碳點的新型制備方法、性質探索及應用研究引起廣泛關注。本文根據碳源和制備方法的不同， 將碳點分為石墨烯納米點和碳納米點兩類， 綜述了碳點的制備方法， 剖析了碳點的發光機理， 總結了碳點在生物傳感、藥物傳輸和生物成像中的應用； 最后分析了碳點存在的問題及應對策略。

關鍵詞 碳點； 合成方法； 發光機理； 生物傳感； 生物成像； 綜述

1 引 言

碳點（Carbon dots， Cdots）是指粒徑小于10 nm的新型熒光碳納米材料， 因其主要元素為碳、氫、氧和氮， 不會發生重金屬泄漏， 有望成為重金屬半導體量子點的理想替代材料[1]。由于Cdots具有熒光活性高、種類多樣、生物相容性好、毒性低等優點， 在生物檢測[2]、基因轉運[3]、藥物傳輸[4～8]和生物成像[9，10]等領域得到了廣泛應用。碳點優良的熒光性能已在分析化學領域中展現出重要的應用潛力[2，10～16]。

2004年， Xu等[17]在分離純化碳納米管時， 發現具有熒光性質的組分并證實其主要成分為碳。通過原子力顯微鏡證明了其納米尺寸， 掀起了人們研究碳點的熱潮。圖1展示了碳點發展過程中一些重要事件： Sun等[18]使用硝酸回流氧化蠟燭灰得到了碳點， 通過PEG鈍化提高了碳點的熒光產率， 推動了碳點由新奇到實用的發展。Liu等[19]通過凝膠分離得到不同發光顏色碳點， 開啟了碳點發光機理的研究。Zheng等[20]通過電化學剝離方法制備碳點并研究了碳點的電化學發光。上述研究通過物理或化學方法剝離或切割得到碳點， 即Top.down策略。微波、水熱等合成方法快速發展豐富了碳點的制備方式。Liu等[21]通過水熱方法碳化硅球表面有機分子獲得碳點， 碳點的制備進入了Bottom.up的階段， 即由有機小分子、生物分子， 甚至Biomass制備碳點。微波合成技術的引入， 將碳點制備由幾小時縮短到幾分鐘[22]。Zhu等[23]通過水熱方法制備碳點， 討論了碳點的形成機理及傳感， 多色成像應用等。

本評述根據碳點制備方法及碳源的不同， 將碳點分為石墨烯納米點及碳納米點， 介紹了兩類碳點的制備方法， 討論了碳點發光性質， 剖析了碳點發光機理， 總結了碳點在生物傳感、藥物傳輸和生物成像中的應用。

2 碳點的合成

碳點制備方法主要有兩類： 以石墨類材料為基礎的Top.down方法和以有機分子為原料的Bottom.up方法（圖2）。碳點也因此被稱為石墨烯納米點（Graphene nanodots）和碳納米點（Carbon nanodots）等。

2.1 石墨烯納米點

石墨烯納米點是指將石墨、碳納米管、碳纖維、氧化石墨烯和有機質高溫碳化產物等進行化學或物理剪切， 得到小于10 nm的納米粒子[24，25]。石墨烯納米點由碳六元環蜂窩狀片層相互重疊形成的類石墨烯多層結構， 原子層數一般小于5， 且原子層邊緣含有羧基、羰基和羥基等官能團， 便于后續功能化。

Sun等[18]利用氧化鈍化法對蠟燭灰氧化剪切得到石墨烯納米點， 與PEG.1500N通過酰胺鍵鈍化， 證明了表面結構對于碳點熒光效率的重要性。碳點鈍化改善熒光性質， 得到了廣泛關注， 并影響了后續合成方法的設計[26～28]。Peng等[29]使用H2SO4.HNO3回流， 使碳纖維沿Zigzag軸裂解得到石墨烯納米點。Kwon等[30]采用HNO3.十八烯胺/肼兩步剪切法， 成功制備了單分散石墨烯納米點， 并用于白光LED元件的制備。Dong等[31]使用強酸氧化法制備了分子量不同， 熒光由綠到紅的石墨烯納米點， 并發現氧化型石墨烯納米點的強電化學發光能力。Dong等[32]使用HNO3氧化CX.72炭黑分別得到單層和多層石墨烯納米點。Li等[33]采用微波加熱合成了綠色熒光石墨烯納米點。Luo等[34]使用兩步微波反應制備白光碳點。

電化學方法可以通過改變電位調控碳點的性質。Bao等[35]采用電化學剝離方法制備碳點， +0.5～+2.5 V不同電位得到了不同粒徑及發光性質的碳點。Lu等[36]使用離子液體為溶劑， 通過電化學石墨剝離得到了藍色熒光的石墨烯納米點。Zhou等[37]通過電化學方法從多壁碳納米管中得到了粒徑約2.8 nm的藍色熒光碳納米晶體。Tan等[38]在K2S2O8溶液中對石墨進行電解（+5 V）制備了紅光碳點。

Pan等[39]對石墨烯進行酸化—水熱處理得到石墨烯納米點。Tetsuka等[40]改進了水熱方法， 使用氧化石墨烯/氨水混合溶液獲得熒光可控的氨基化石墨烯納米點。依據這個思路， 通過簡單水熱方法可以合成多種石墨烯納米點。 此外， Ponomarenko等[41]通過實驗證明， 利用電子束刻蝕大片石墨烯得到了細小的石墨烯納米點。因此， 石墨烯納米點可以簡便的方法制得，提高了合成效率[42～44]。

2.2 碳納米點

碳納米點是以糖、檸檬酸和氨基酸等有機小分子為碳源， 通過官能團偶聯實現分子間聚合， 即Bottom.up方法形成的碳納米材料。人們發現雞蛋清[45]、草[46]、柚子皮[47]、蠶絲[48，49]等也可作為合成碳納米點的原料。碳納米點的合成方法主要有水熱法， 超聲法， 微波加熱以及中和熱法等[23，45，49～56]。

水熱法是廣泛使用的納米材料合成手段， Shin等[57]合成70～150 nm的碳球， 通過檢測水熱過程碳球的核磁信號， 解釋了水熱反應原理。Yang等[58]以葡萄糖胺為碳源， 一步水熱合成了熒光碳納米顆粒。在此基礎上， 他們加入磷酸鹽作為催化劑， 分別得到藍、綠兩種熒光碳納米點[59]。由于水熱反應是在高溫高壓狀態下進行， 雞蛋清[45]、草[46]、柚子皮[47]、蠶絲[48，49] 等生物質也成為合成碳納米點的碳源。

本研究組設計了簡便、綠色的碳化—溶劑萃取法直接制備高熒光效率碳點， 以左旋多巴、精氨酸等含氮化合物為碳源， 實現無需二次分離制備低氧化程度、高熒光效率的氮摻雜碳點[53]。Li等[60]超聲葡萄糖合成了熒光碳納米點。Ma等[61]將這種方法進行拓展， 使葡萄糖在氨水環境下超聲制備氮摻雜碳點。Zhu等[22]利用微波加熱合成了熒光碳納米點。Chandra等[62]在微波加熱的基礎上引入磷酸， 提高糖類化合物的碳化效率。此外， 采用多種碳源如牛奶也可以通過微波的方法制備碳點[63]。

以上碳點的制備方法需要較高溫度和能量， 需要外部供能裝置。本研究組利用中和反應放熱的原理設計了無需外部熱源， 一步超快速（合成時間2 min）合成強熒光碳點的新方法[50]。該方法適用于葡萄糖， 檸檬酸以及多巴胺等多種碳源[50，52]。因對碳源碳化不完全， 碳點仍保留有碳源的官能團， 從而使碳點擁有與碳源類似的特性， 有望實現生物分子模擬碳點制備， 拓展碳點的應用范圍。

3 碳點的發光機理

碳點顯示激發依賴的熒光特性， 這種不同于其它發光材料的熒光特性引起了廣泛關注。制備單色熒光碳點， 研究碳點熒光機理是提高碳點應用性的重要研究方向； 研究碳點的電化學發光， 對于拓展碳點的分析應用具有很好的研究和實用價值。碳點發光機理較主流的觀點有量子尺寸效應、表面態、以及電子空穴和輻射重排等。

3.1 量子尺寸效應

量子尺寸效應是指當粒子的粒徑下降至納米級時， 費米能級附近的準連續電子能級變為離散能級的現象。因此， 納米材料， 特別是粒徑小于10 nm的材料， 顯示與塊狀材料明顯不同的光學性質。Li等[64]使用電化學方法制備碳點， 結合柱色譜分離得到不同碳點的組分， 發現不同組分碳點粒徑不同， 1.2 nm的碳點發紫外光， 1.5～3.0 nm發可見光， 3.8 nm發近紅外光[64]。表明粒徑增大， 碳點帶隙間距減小（圖3A）。Kim等[65]也發現碳點的吸收光譜和熒光光譜受粒徑調節（圖3B）。Bao等[66]證明了碳點的最大熒光發射波長隨分子量增大而紅移。然而并不是所有碳點都能觀察到類似現象， Ding等[67]通過對苯二胺與尿素水熱制得的碳點進行硅膠柱分離， 發現4種組分平均粒徑均為2.6 nm， 而熒光顏色卻分別為藍、綠、黃、紅。

3.2 表面態和官能團機理

碳點的表面官能團是影響表面能級和能級間距的重要因素。Sun等[18]使用PEG.1500N鈍化碳點而提高熒光產率。后續工作也證明碳點表面鈍化對于改善碳點熒光性質的重要性[68，69]， 如十八烷胺作為鈍化劑增強了碳點的熒光[68]。含氮有機物有效鈍化碳點表面而提高碳點的熒光效率（圖3C）[70]。理論計算證明了碳點表面修飾NH2基團可以引起熒光發射的紅移； 修飾NH2數目在1～6個時， 碳點的帶隙間距會隨修飾基團數目的增多而減小（圖3D）[71]。

圖3 碳點的光學性質及發光機理。（A）熒光發射波長隨粒徑變化示意圖[64]。（B）碳點的紫外吸收與粒徑的變化關系圖[65]。（C）碳點表面官能團影響能級變化示意圖[70]。（D）帶隙間距與氨基數目的關系[71]。（E）不同氧化程度的碳點對帶隙間距 [72]。（F）藍色熒光和綠色熒光碳點通過氧化還原反應進行轉化[73]。（G）氧化程度對碳點熒光的影響[35]。（H）碳點熒光隨結構的變化[74]。（I）低氧化態碳點與（J）高氧化態碳點的TEM表征圖（標尺為5 nm） [53]。（K）N， S摻雜對碳點熒光機理示意圖[77]Zhu等[72]發現碳點氧化程度不同會導致熒光顏色的變化（圖3E）。硼氫化鈉還原調控碳點表面狀態可增強碳點熒光產率至24%（圖3F）[73]。Bao等[35]發現電化學氧化制備的碳點表面氧化程度不同， 氧化程度低的碳點發藍色熒光， 而氧化程度高的碳點發綠色熒光（圖3G）。Lingam等[74]通過對比石墨烯納米點、碳納米材料和碳納米洋蔥的結構和熒光性質， 證明了石墨烯納米點的邊界態熒光（圖3H）。Feng等[75]使用肼還原增強了碳點的熒光。Hola等[76]使用沒食子酸作為碳源合成碳點， 探討氧化程度對碳點熒光發射波長的影響。本研究組通過TEM表征發現低氧化態碳點主要由致密的碳晶核構成（圖3I）， 而高氧化態碳點由碳晶核和外部的疏松氧化層組成（圖3J）， 且結構和表面態的差異導致不同的熒光性質[53]。

3.3 電子空穴和輻射重排理論

電子空穴和輻射重排理論主要用于氮、硫等雜原子摻雜碳點的熒光機理解釋。本研究組認為氮原子在碳點中提供能級， 才可以引起輻射重排， 提高熒光效率[53]。Dong等[77]對氮、硫共摻雜碳點的發光機理研究發現， 氮摻雜產生了新的表面態能級， 電子的能級束縛產生輻射重排， 增強碳點的熒光效率； 硫原子的引入同樣會促進輻射重排（圖3K）。

與上述將3種機理分開考慮不同， 本研究組認為在光子激發下， 碳點碳核中的電子受激發從價帶（VB）遷移至導帶（CB）， 這是納米尺寸效應的結果。由導帶回到價帶的輻射經表面缺陷的非輻射重排產生熒光， 對應著表面結構對熒光性質的影響[78]。因此， 表面結構作為非輻射重排中心降低熒光效率的和發射波長的紅移[29～32，41]， 因而解釋了碳點大的斯托克位移， 氧化程度對碳點熒光發射光譜的影響及其電化學發光現象。當施加電勢超過閾值時， 在碳點表面層形成自由基[22，33]， 在共反應劑作用下， 自由基湮滅放出光子， 即電化學發光。熒光與電化學發光的過程不一樣， 所以碳點的熒光和電化學發光的發射波長也可能不同[79]。

上述單光子熒光檢測速度快， 儀器要求低， 但組織穿透能力差， 且激發光能量大對組織光損傷能力強。雙光子熒光即發光材料吸收兩個長波長光子激發電子躍遷至激發態， 在返回基態時釋放出波長小于激發波長的光子， 因此也稱為上轉換熒光， 并且克服單光子熒光的某些缺點[80]。PEG包覆碳點在880 nm激發下獲得了綠色熒光成像圖， 表明了碳點雙光子成像的應用潛力[69]。但Gan等[81]使用640 nm氙燈對石墨烯納米點照射， 沒有得到上轉換熒光。探討碳點雙光子熒光理論， 研究雙光子熒光碳點的結構， 進而提高碳點雙光子熒光效率是未來發展的一個方向。

4 碳點的應用

4.1 碳點在生物傳感方面的應用

研究者利用碳點的熒光性質及其表面功能基團構建了多種生物/化學傳感器。以檢測檢測Hg2+及生物硫醇為例（圖4A）[47]， Hg2+通過表面配位重組碳點中的電子和空穴， 導致碳點的熒光猝滅； 但巰基與Hg2+的強結合能力可以恢復Hg2+猝滅碳點的熒光， 實現“Turn.off”方式檢測Hg2+， “Turn.on”模式檢測生物硫醇。Dong等[82，83]制備了支鏈聚乙烯亞胺（BPEI）修飾碳點（圖4B）， 利用Cu2+與氨基的螯合作用實現能量共振轉移猝滅碳點熒光， 河水中Cu2+的檢測限為6 nmol/L。

鑒于Cu2+對碳點熒光的猝滅效果， 研究者將其用于細胞中Cu2+的檢測。Zhu等[84]制備了AE.TPEA.碳點.CdSe/ZnS納米點復合材料， 實現對Cu2+的熒光比率型檢測， 并用于探測細胞中Cu2+的位置（圖4C）。Vedamalai等[85]同樣制備了對Cu2+敏感的碳點實現細胞中Cu2+的檢測。

碳點.還原氧化石墨（Cdots@RGO）復合材料可用于乙酰膽堿檢測（圖4D）[86]： 乙酰膽堿酯酶可以將乙酰膽堿轉化為膽堿， 而膽堿可以在膽堿氧化酶存在條件下生成H2O2。利用H2O2猝滅碳點復合物的熒光實現乙酰膽堿的定量檢測， 檢測限為30 pmol/L。此外， 碳點.Ag， Au形成Cdots.Ag/Cdots.Au納米復合材料可用于生物活性物質的檢測[87～89]， 對H2O2及葡萄糖的比色檢測的檢出限分別為0.18和1.6 μmol/L [87]； 利用金納米粒子與谷胱甘肽結合實現谷胱甘肽的熒光.比色雙模態檢測， 檢測限達到50 nmol/L[88]。Zhang等[90]將硼酸修飾到碳點上， 利用硼酸與葡萄糖的強親和能力， 實現了碳點對葡萄糖的檢測， 檢測限為0.03 nmol/L（圖4E）。本研究組以葡萄糖為碳源通過中和熱法合成碳點 [50]， 由于葡萄糖未被完全碳化， 其表面鄰羥基與硼酸進行結合， 從而實現對糖蛋白的檢測。

碳點還用于構建化學發光和電化學發光的生物傳感器。Lin等[91]利用碳點在過氧亞硝酸存在條件下產生的化學發光， 實現了碳點化學發光檢測亞硝酸鹽（圖4F）。Shao等[92]使用Cdots.TPEA電化學響應實現對小鼠大腦中的Cu2+的追蹤掃描。Li等[33]通過微波法合成了石墨烯納米點， 利用羧基官能團與Cd2+螯合的特點， 建立了檢測Cd2+的電化學發光檢測器， 檢測限達到13 nmol/L（圖4G）。

4.2 碳點在藥物傳輸和基因轉運中的應用

酰胺縮合反應制備的葉酸修飾碳點可以實現對癌細胞的靶向識別[93]， 為發展基于碳點的細胞篩選和診斷提供了思路。PEI修飾碳點表面帶正電， 因而可以吸附帶負電的DNA， 用于基因轉運[3]。Liu等[3]評估了碳點的轉運能力， 發現碳點具有與帶正電的PEI.25K相似的DNA轉運能力， 但碳點的熒光可以示蹤質粒DNA在轉運過程中的分布， 為研究質粒DNA的生理作用提供依據。碳點.DNA復合物轉染3 h后可以進入細胞。通過405， 488和543 nm激光的照射分別產生藍、綠和紅光， 說明碳點在轉運過程仍然保持其多色熒光性質。

Lai等[4]制備了聚乙二醇（PEG）修飾碳點并實現了阿霉素（DOX）的裝載和遞送。熒光成像表明阿霉素在細胞內的釋放過程： 細胞液中主要顯示碳點的綠色熒光， 細胞核內可以觀察到阿霉素的紅色熒光， 說明阿霉素由碳點轉運至細胞， 然后釋放并進入到細胞核， 達到治療的效果。Chowdhuri等[6]將碳點與金屬有機骨架結構（MOFs）結合， 實現藥物傳輸。Wang等[8]將殼聚糖.聚乙二醇包覆碳點形成復合水凝膠， 實現pH/近紅外光控制藥物釋放。上述研究初步驗證了碳點的相關應用， 有助于研究碳點在體內的變化及其核膜通透性等問題， 推動碳點的臨床應用。

4.3 碳點在生物成像中的應用

4.3.1 體外成像 體外成像是以細胞作為研究對象， 評價探針成像能力和毒性， 了解探針進入細胞的方式， 研究探針分布和細胞毒性的手段。碳點已成功用于多種細胞的轉染成像， 如HeLa[5，10，11，53，62，94，95]、人神經干細胞[96]、4T1[97]、NIH.3T3[98]、A549[49，85]和HepG.2[53]等。碳點主要通過內吞進入到細胞且主要集中于細胞液中， 鮮有碳點進入細胞核的報道[53]。Zhu等[99]使用溶劑熱法制備了綠色熒光碳點， 成功應用于細胞成像， 證明了其低的細胞毒性（圖5A）。本研究組發現碳化.萃取法制備的氮摻雜碳點具有激發依賴特性， 在細胞水平上實現了多色熒光成像[53]。碳點的表面修飾有助于開發靶向性多功能生物探針。Tang等[7]在碳點表面修飾葉酸和阿霉素， 實現了對癌細胞的特異性識別、藥物運輸和熒光成像（圖5B）。Bhunia等[95]合成了一系列從藍光到紅光熒光發射碳點， 并通過碳點表面修飾葉酸達到靶向識別效果。Choi等[5]通過修飾葉酸和鋅酞菁， 使碳點不僅具有靶向能力， 而且還可以進行光熱治療（圖5C）。本研究組以多巴胺為前驅體， 利用快速中和熱方法制備了生物分子模擬碳點， 該碳點保留有多巴胺的功能基團， 因而可以巧妙“騙過”核膜進入細胞核， 實現細胞核染色（圖5D）[52]。

使用近紅外光激發（800～900 nm）實現碳點的雙光子細胞成像有助于消除細胞自體熒光的干擾[100]。Yang等[69]在880 nm激光的激發下獲得了綠色熒光成像圖。Zhang等[80]使用C3N4納米點實現了細胞核的雙光子成像。Kong等[100]制備了pH敏感碳點納米傳感器， 利用碳點的雙光子熒光實現了活細胞和組織成像。

4.3.2 體內成像 斑馬魚具有明確的生長周期， 因而廣泛應用于疾病發展、生長機理和藥物篩選等基礎醫學研究[101]。斑馬魚光通透性能強， 便于碳點熒光成像。本研究組研究了多種碳點的斑馬魚熒光成像， 發現碳點主要沉積在斑馬魚的眼部及卵黃囊[50，102，103]（圖6）。碳點熒光可以在斑馬魚體內保持60 h， 便于對斑馬魚胚胎發育過程的觀測[102]。

PEG碳點和ZnS摻雜C ZnS.dots.PEG碳點成功用于小鼠成像， 獲得了綠色和紅色熒光成像結果（圖6）， 且對組織和臟器沒有毒副作用[9]。通過皮下前足注射PEG碳點可以轉移至淋巴節， 實現小鼠淋巴節熒光成像， 可能是PEG修飾所致， 發現碳點的轉移速度慢于納米點[9]。靜脈注射1 h后碳點轉移至膀胱部位。經過4 h， 器官中的熒光信號變弱， 但解剖發現腎臟中碳點含量較高， 說明碳點是通過尿液排出[9]。Tao等[104]使用不同波長激光照射（455～704 nm）， 實現小鼠的體內成像。Li等[105]使用藍光碳點對昆明鼠進行成像， 發現碳點可以通過血腦屏障進入到腦部。

5 結論與挑戰

改善碳點的光學性質， 提高熒光效率， 發展紅色熒光碳點是其基礎研究的重點； 實現碳點多功能化， 發展碳點生物分子標記， 對于推動碳點由驗證到實用、由新奇到應用具有重要意義。碳點熒光主要集中在藍綠光， 僅有少量紅光及近紅外熒光碳點的報道且發光效率較低[106]。制備低背景熒光碳點可以從以下幾個方面考慮： （1）選擇合適碳源以改善碳點發光性質， 如Jiang等[107]通過調控苯二胺類化合物氨基位置得到紅光碳點。Ge等[108]通過使用聚噻吩為碳源， 將碳點熒光紅移至650～700 nm； （2）選擇合適的鈍化劑有助于增強碳點熒光； （3）雜原子的引入可以改變碳點帶隙間距， 調控碳點的產率和熒光發射范圍。

碳點表面含羧基和氨基[1]， 可以通過酰胺縮合與功能分子偶聯。但碳點與修飾物之間的能量共振轉移可能導致碳點熒光藍移和猝滅。因此從修飾方面需要考慮： （1）修飾方法的選擇。如， 選擇合適橋聯物（如硅球， 無機粘土等）增加碳點與修飾物間的距離， 降低能量共振轉移的影響； （2）多模態功能化。考慮引入多模態成像因子， 構建多模態成像碳點。如Bourlinos等[109]使用釓噴酸為釓源， 與三羥甲基氨基甲烷和甜菜堿一鍋法制備了粒徑為3～4 nm的Gd摻雜碳點。 本研究組利用金屬與有機化合物的螯合特性， 制備了碳點.Gd復合材料， 以小鼠模為模型， 驗證了其熒光/磁共振雙模態應用[110]。

References

1 Baker S N， Baker G A. Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49（38）： 6726-6744

2 Lin L， Rong M， Luo F， Chen D， Wang Y， Chen X. TrAC， Trends Anal. Chem.， 2014， 54： 83-102

3 Liu C， Zhang P， Zhai X， Tian F， Li W， Yang J， Liu Y， Wang H， Wang W， Liu W. Biomaterials， 2012， 33（13）： 3604-3613

4 Lai C W， Hsiao Y H， Peng Y K， Chou P T. J. Mater. Chem.， 2012， 22（29）： 14403-14409

5 Choi Y， Kim S， Choi M H， Ryoo S R， Park J， Min D H， Kim B S. Adv. Funct. Mater.， 2014， 24（37）： 5781-5789

6 Chowdhuri A R， Singh T， Ghosh S K， Sahu S K. ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（26）： 16573-16583

7 Tang J， Kong B， Wu H， Xu M， Wang Y， Wang Y， Zhao D， Zheng G. Adv. Mater.， 2013， 25（45）： 6569-6574

8 Wang H， Di J， Sun Y， Fu J， Wei Z， Matsui H， del C. Alonso A， Zhou S. Adv. Funct. Mater.， 2015， 25（34）： 5537-5547

9 Yang S T， Cao L， Luo P G， Lu F， Wang X， Wang H， Meziani M J， Liu Y， Qi G， Sun Y P. J. Am. Chem. Soc.， 2009， 131（32）： 11308-11309

10 Luo P G， Sahu S， Yang S T， Sonkar S K， Wang J， Wang H， LeCroy G E， Cao L， Sun Y P. J. Mater. Chem. B， 2013， 1（16）： 2116-2127

11 Ding C， Zhu A， Tian Y. Acc. Chem. Res.， 2014， 47（1）： 20-30

12 Sun H， Wu L， Wei W， Qu X. Mater. Today， 2013， 16（11）： 433-442

13 Hola K， Zhang Y， Wang Y， Giannelis E P， Zboril R， Rogach A L. Nano Today， 2014， 9（5）： 590-603

14 Wang W， Cheng L， Liu W. Sci. China： Chem.， 2014， 57（4）： 522-539

15 Du Y， Guo S. Nanoscale， 2016， 8（5）： 2532-2543

16 Zheng X T， Ananthanarayanan A， Luo K Q， Chen P. Small， 2015， 11（14）： 1620-1636

17 Xu X， Ray R， Gu Y， Ploehn H J， Gearheart L， Raker K， Scrivens W A. J. Am. Chem. Soc.， 2004， 126（40）： 12736-12737

18 Sun Y P， Zhou B， Lin Y， Wang W， Fernando K A S， Pathak P， Meziani M J， Harruff B A， Wang X， Wang H， Luo P G， Yang H， Kose M E， Chen B， Veca L M， Xie S Y. J. Am. Chem. Soc.， 2006， 128（24）： 7756-7757

19 Liu H， Ye T， Mao C. Angew. Chem. Int. Ed.， 2007， 46（34）： 6473-6475

20 Zheng L， Chi Y， Dong Y， Lin J， Wang B. J. Am. Chem. Soc.， 2009， 131（13）： 4564-4565

21 Liu R， Wu D， Liu S， Koynov K， Knoll W， Li Q. Angew. Chem. Int. Ed.， 2009， 48（25）： 4598-4601

22 Zhu H， Wang X， Li Y， Wang Z， Yang F， Yang X. Chem. Commun. （Camb.）， 2009， （34）： 5118-5120

23 Zhu S， Meng Q， Wang L， Zhang J， Song Y， Jin H， Zhang K， Sun H， Wang H， Yang B. Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（14）： 3953-3957

24 Shen J， Zhu Y， Yang X， Li C. Chem. Commun. （Camb.）， 2012， 48（31）： 3686-3699

25 Zhang Z， Zhang J， Chen N， Qu L. Energy Environ. Sci.， 2012， 5（10）： 8869-8890

26 Huang P， Lin J， Wang X， Wang Z， Zhang C， He M， Wang K， Chen F， Li Z， Shen G， Cui D， Chen X. Adv. Mater.， 2012， 24（37）： 5104-5110

27 Li H， Kang Z， Liu Y， Lee S T. J. Mater. Chem.， 2012， 22（46）： 24230-24253

28 Shen J， Zhu Y， Yang X， Zong J， Zhang J， Li C. New J. Chem.， 2012， 36（1）： 97-101

29 Peng J， Gao W， Gupta B K， Liu Z， Romero.Aburto R， Ge L， Song L， Alemany L B， Zhan X， Gao G， Vithayathil S A， Kaipparettu B A， Marti A A， Hayashi T， Zhu J J， Ajayan P M. Nano Lett.， 2012， 12（2）： 844-849

30 Kwon W， Kim Y H， Lee C L， Lee M， Choi H C， Lee T W， Rhee S W. Nano Lett.， 2014， 14（3）： 1306-1311

31 Dong Y， Zhou N， Lin X， Lin J， Chi Y， Chen G. Chem. Mater.， 2010， 22（21）： 5895-5899.

32 Dong Y， Chen C， Zheng X， Gao L， Cui Z， Yang H， Guo C， Chi Y， Li C M. J. Mater. Chem.， 2012， 22（18）： 8764-8766

33 Li L L， Ji J， Fei R， Wang C Z， Lu Q， Zhang J R， Jiang L P， Zhu J J. Adv. Funct. Mater.， 2012， 22（14）： 2971-2979

34 Luo Z， Qi G， Chen K， Zou M， Yuwen L， Zhang X， Huang W， Wang L. Adv. Funct. Mater.， 2016， 26（16）： 2739-2744

35 Bao L， Zhang Z L， Tian Z Q， Zhang L， Liu C， Lin Y， Qi B， Pang D W. Adv. Mater.， 2011， 23（48）： 5801-5806

36 Lu J， Yang J X， Wang J， Lim A， Wang S， Loh K P. ACS Nano， 2009， 3（8）： 2367-2375

37 Zhou J， Booker C， Li R， Zhou X， Sham T-K， Sun X， Ding Z. J. Am. Chem. Soc.， 2007， 129（4）： 744-745

38 Tan X， Li Y， Li X， Zhou S， Fan L， Yang S. Chem. Commun. （Camb.）， 2015， 51（13）： 2544-2546

39 Pan D， Zhang J， Li Z， Wu M. Adv. Mater.， 2010， 22（6）： 734-738

40 Tetsuka H， Asahi R， Nagoya A， Okamoto K， Tajima I， Ohta R， Okamoto A. Adv. Mater.， 2012， 24（39）： 5333-5338

41 Ponomarenko L A， Schedin F， Katsnelson M I， Yang R， Hill E W， Novoselov K S， Geim A K. Science， 2008， 320（5874）： 356-358

42 Zhao Q L， Zhang Z L， Huang B-H， Peng J， Zhang M， Pang D W. Chem. Commun. （Camb.）， 2008， （41）： 5116-5118

43 Li Y， Hu Y， Zhao Y， Shi G， Deng L， Hou Y， Qu L. Adv. Mater.， 2011， 23（6）： 776-780

44 Song S H， Jang M H， Chung J， Jin S H， Kim B H， Hur S H， Yoo S， Cho Y H， Jeon S. Adv. Opt. Mater.， 2014， 2（11）： 1016-1023

45 Wang J， Wang C F， Chen S. Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（37）： 9297-9301

46 Liu S， Tian J， Wang L， Zhang Y， Qin X， Luo Y， Asiri A M， Al.Youbi A O， Sun X. Adv. Mater.， 2012， 24（15）： 2037-2041

47 Lu W， Qin X， Liu S， Chang G， Zhang Y， Luo Y， Asiri A M， Al.Youbi A O， Sun X. Anal. Chem.， 2012， 84（12）： 5351-5357

48 Li W， Zhang Z， Kong B， Feng S， Wang J， Wang L， Yang J， Zhang F， Wu P， Zhao D. Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（31）： 8151-8155

49 Wu Z L， Zhang P， Gao M X， Liu C F， Wang W， Leng F， Huang C Z. J. Mater. Chem. B， 2013， 1（22）： 2868-2873

50 Wei X M， Xu Y， Li Y H， Yin X B， He X W. RSC Adv.， 2014， 4（84）： 44504-44508

51 Wei W， Xu C， Wu L， Wang J， Ren J， Qu X. Sci. Rep.， 2014， 4： 3564

52 Kang Y F， Fang Y W， Li Y H， Li W， Yin X B， Chem. Commun. （Camb.）， 2015， 51（95）： 16956-16959

53 Xu Y， Wu M， Liu Y， Feng X Z， Yin X B， He X W， Zhang Y K. Chem. Eur. J.， 2013， 19（7）： 2276-2283

54 Wang F， Pang S， Wang L， Li Q， Kreiter M， Liu C Y. Chem. Mater.， 2010， 22（16）： 4528-4530

55 Wang X， Qu K， Xu B， Ren J， Qu X. J. Mater. Chem.， 2011， 21（8）： 2445-2450

56 Liu L， Li Y， Zhan L， Liu Y， Huang C. Sci. China： Chem.， 2011， 54（8）： 1342-1347

57 Shin Y， Wang L Q， Bae I T， Arey B W， Exarhos G J. J. Phys. Chem. C， 2008， 112（37）： 14236-14240

58 Yang Z C， Li X， Wang J. Carbon， 2011， 49（15）： 5207-5212

59 Yang Z C， Wang M， Yong A M， Wong S Y， Zhang X H， Tan H， Chang A Y， Li X， Wang J. Chem. Commun. （Camb.）， 2011， 47（42）： 11615-11617

60 Li H， He X， Liu Y， Huang H， Lian S， Lee S T， Kang Z. Carbon， 2011， 49（2）： 605-609

61 Ma Z， Ming H， Huang H， Liu Y， Kang Z. New J. Chem.， 2012， 36（4）： 861-864

62 Chandra S， Das P， Bag S， Laha D， Pramanik P. Nanoscale， 2011， 3（4）： 1533-1540

63 Wang J， Peng F， Lu Y， Zhong Y， Wang S， Xu M， Ji X， Su Y， Liao L， He Y. Adv. Opt. Mater.， 2015， 3（1）： 103-111

64 Li H， He X， Kang Z， Huang H， Liu Y， Liu J， Lian S， Tsang C H A， Yang X， Lee S T. Angew. Chem. Int. Ed.， 2010， 49（26）： 4430-4434

65 Kim S， Hwang S W， Kim M K， Shin D Y， Shin D H， Kim C O， Yang S B， Park J H， Hwang E， Choi S H， Ko G， Sim S， Sone C， Choi H J， Bae S， Hong B H. ACS Nano， 2012， 6（9）： 8203-8208

66 Bao L， Liu C， Zhang Z L， Pang D W. Adv. Mater.， 2015， 27（10）： 1663-1667

67 Ding H， Yu S B， Wei J S， Xiong H M， ACS Nano， 2016， 10（1）： 484-491

68 Bourlinos A B， Stassinopoulos A， Anglos D， Zboril R， Karakassides M， Giannelis E P. Small， 2008， 4（4）： 455-458

69 Yang S.T， Wang X， Wang H， Lu F， Luo P G， Cao L， Meziani M J， Liu J.H， Liu Y， Chen M， Huang Y， Sun Y P. J. Phys. Chem. C， 2009， 113（42）： 18110-18114

70 Li X， Zhang S， Kulinich S A， Liu Y， Zeng H. Sci. Rep.， 2014， 4： 4976

71 Jin S H， Kim D H， Jun G H， Hong S H， Jeon S. ACS Nano， 2013， 7（2）： 1239-1245

72 Zhu S， Zhang J， Tang S， Qiao C， Wang L， Wang H， Liu X， Li B， Li Y， Yu W， Wang X， Sun H， Yang B. Adv. Funct. Mater.， 2012， 22（22）： 4732-4740

73 Zheng H， Wang Q， Long Y， Zhang H， Huang X， Zhu R. Chem. Commun. （Camb.）， 2011， 47（38）： 10650-10652

74 Lingam K， Podila R， Qian H， Serkiz S， Rao A M. Adv. Funct. Mater.， 2013， 23（40）： 5062-5065

75 Feng Y， Zhao J， Yan X， Tang F， Xue Q. Carbon， 2014， 66： 334-339

76 Hola K， Bourlinos A B， Kozak O， Berka K， Siskova K M， Havrdova M， Tucek J， Safarova K， Otyepka M， Giannelis E P. Zboril R， Carbon， 2014， 70（0）： 279-286

77 Dong Y， Pang H， Yang H B， Guo C， Shao J， Chi Y， Li C M， Yu T. Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（30）： 7800-7804

78 Xu Y， Wu M， Feng X Z， Yin X B， He X W， Zhang Y K. Chem. Eur. J.， 2013， 19（20）： 6282-6288

79 Dong Y， Dai R， Dong T， Chi Y， Chen G. Nanoscale， 2014， 6（19）： 11240-11245

80 Zhang X， Wang H， Wang H， Zhang Q， Xie J， Tian Y， Wang J， Xie Y. Adv. Mater.， 2014， 26（26）： 4438-4443

81 Gan Z， Wu X， Zhou G， Shen J， Chu P K. Adv. Opt. Mater.， 2013， 1（8）： 554-558

82 Dong Y， Wang R， Li G， Chen C， Chi Y， Chen G. Anal. Chem.， 2012， 84（14）： 6220-6224

83 Dong Y， Wang R， Li H， Shao J， Chi Y， Lin X， Chen G. Carbon， 2012， 50（8）： 2810-2815

84 Zhu A， Qu Q， Shao X， Kong B， Tian Y. Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（29）： 7185-7189

85 Vedamalai M， Periasamy A P， Wang C W， Tseng Y T， Ho L C， Shih C C， Chang H T. Nanoscale， 2014， 6（21）： 13119-13125

86 Wang C I， Periasamy A P， Chang H T. Anal. Chem.， 2013， 85（6）： 3263-3270

87 XIA Chang， HAI Xin， CHEN Shuai， CHEN Xu.Wei， WANG Jian.Hua. Chinese J. Anal. Chem.， 2016， 44（1）： 41-48

夏 暢， 海 欣， 陳 帥， 陳旭偉， 王建華. 分析化學， 2016， 44（1）： 41-48

88 Shi Y， Pan Y， Zhang H， Zhang Z， Li M J， Yi C， Yang M. Biosens. Bioelectron.， 2014， 56（0）： 39-45

89 Wu L， Wang J， Ren J， Li W， Qu X. Chem. Commun. （Camb.）， 2013， 49： 5675-5677

90 Zhang L， Zhang Z Y， Liang R P， Li Y H， Qiu J D. Anal. Chem.， 2014， 86（9）： 4423-4430

91 Lin Z， Xue W， Chen H， Lin J M. Anal. Chem.， 2011， 83（21）： 8245-8251

92 Shao X， Gu H， Wang Z， Chai X， Tian Y， Shi G. Anal. Chem.， 2013， 85（1）： 418-425

93 Song Y， Shi W， Chen W， Li X， Ma H. J. Mater. Chem.， 2012， 22（25）： 12568-12573

94 Chong Y， Ma Y， Shen H， Tu X， Zhou X， Xu J， Dai J， Fan S， Zhang Z. Biomaterials， 2014， 35（19）： 5041-5048

95 Bhunia S K， Saha A， Maity A R， Ray S C， Jana N R. Sci. Rep.， 2013， 3： 1473

96 Shang W， Zhang X， Zhang M， Fan Z， Sun Y， Han M， Fan L. Nanoscale， 2014， 6（11）： 5799-5806

97 Wang L， Wang Y， Xu T， Liao H， Yao C， Liu Y， Li Z， Chen Z， Pan D， Sun L， Wu M. Nat. Commun.， 2014， 5： 5357

98 Zhang X， Wang S， Xu L， Feng L， Ji Y， Tao L， Li S， Wei Y. Nanoscale， 2012， 4（18）： 5581-5584

99 Zhu S， Zhang J， Qiao C， Tang S， Li Y， Yuan W， Li B， Tian L， Liu F， Hu R， Gao H， Wei H， Zhang H， Sun H， Yang B. Chem. Commun. （Camb.）， 2011， 47（24）： 6858-6860

100 Kong B， Zhu A， Ding C， Zhao X， Li B， Tian Y. Adv. Mater.， 2012， 24（43）： 5844-5848

101 Lieschke G J， Currie P D. Nat. Rev. Genet.， 2007， 8（5）： 353-367

102 Kang Y F， Li Y H， Fang Y W， Xu Y， Wei X M， Yin X B. Sci. Rep.， 2015， 5： 11835

103 Xu Y， Li Y H， Wang Y， Cui J L， Yin X B， He X W， Zhang Y K. Analyst， 2014， 139（20）： 5134-5139

104 Tao H， Yang K， Ma Z， Wan J， Zhang Y， Kang Z， Liu Z. Small， 2012， 8（2）： 281-290

105 Li N， Liang X， Wang L， Li Z， Li P， Zhu Y， Song J. J. Nanopart. Res.， 2012， 14（10）： 1177

106 Lim S Y， Shen W， Gao Z. Chem. Soc. Rev.， 2015， 44： 362-381

107 Jiang K， Sun S， Zhang L， Lu Y， Wu A G， Cai C Z， Lin H W. Angew. Chem. Int. Ed.， 2015， 54（18）： 5360-5363

108 Ge J， Lan M， Zhou B， Liu W， Guo L， Wang H， Jia Q， Niu G， Huang X， Zhou H， Meng X， Wang P， Lee C S， Zhang W， Han X. Nat. Commun.， 2014， 5： 4596

109 Bourlinos A B， Bakandritsos A， Kouloumpis A， Gournis D， Krysmann M， Giannelis E P， Polakova K， Safarova K， Hola K， Zboril R. J. Mater. Chem.， 2012， 22（44）： 23327-23330

110 Xu Y， Jia X H， Yin X B， He X W， Zhang Y K. Anal. Chem.， 2014， 86（24）： 12122-12129

Abstract Carbon dots （Cdots） become potential material for biosensing， drug delivery， and bioimaging because of their excellent optical properties， high biocompatibility， and low toxicity. The preparation， properties， and applications of Cdots have drawn great attention. In this review， we classify Cdots into two groups： graphene nanodots and carbon nanodots based on the difference in precursors and preparation methods. The synthetic methods of Cdots are summarized and their luminescence mechanism is analyzed. The applications of Cdots in biosensing， drug delivery， and bioimaging are also discussed. The issues and challenges of Cdots are analyzed for their further development.

Keywords Carbon dots； Synthesis method； Luminescence mechanism； Biosensing； Bioimaging， Review