背景介绍

发光材料是照明/显示、荧光成像、激光等技术发展的基础，具有巨大的市场需求。随着人们对环境和健康安全的不断重视，开发环保、无毒、可持续生产、稳定、高效的新型发光材料变得尤为重要。荧光碳点是一类新型的准零维碳纳米材料。与现有的荧光材料（有机、稀土、钙钛矿、胶体量子点）相比，碳点具有细胞毒性低、生物相容性好、成本低、独特的可调谐光致发光、荧光稳定等优点，在生物医学、光学传感、信息加密与防伪、能源、催化等领域展现出巨大的应用前景。作为发光材料，色纯度是衡量其光学性质的关键指标。近年来，关于窄发射荧光碳点的研究引起了人们的广泛关注，并取得显著进展。

近日，北京化工大学谭占鳌教授和温州大学邹超教授等人对窄发射荧光碳点的研究进展进行了全面总结。综述首先介绍了荧光碳点的发光机制，讨论了影响碳点发光色纯度的多种因素。随后，文章重点总结了目前窄发射荧光碳点的制备方法及其在荧光传感、光电器件和生物成像等领域中的应用，同时展望了窄发射碳点未来发展所面临的机遇与挑战。文章以“Narrow-bandwidth emissive carbon dots: a rising star in fluorescent material family”为题目发表在Carbon Energy上。

① 荧光碳点的发光机制

由于合成方法和原料种类的不同，碳点往往表现出不同的结构和光学性质，而关于其具体的荧光发光机制仍不明确。目前，根据研究者们大量的实验结果和理论计算，碳点的发光机制主要可分为以下四种：（1）量子限域效应；（2）表面态发射；（3）分子态发射；（4）聚集诱导增强发射。在实际制备过程中，由于碳点结构的复杂性和不确定性，其发光往往是多重机制的综合结果。

图1. 基于表面态发光机制的荧光碳点。

② 碳点发射半峰宽的影响因素

在过去较长时间里，由于碳点的结构不明确以及粒径分布不均匀，人们认为碳点很难实现窄发射。然而，自2010年以来，半峰宽小于60 nm的碳点不断被报道。特别是在近几年，一些课题组合成了半峰宽低于30 nm的高色纯度碳点。迄今为止，大量的研究表明碳点的发射半峰宽可以在一定条件下进行调节。本节讨论了影响碳点发射带宽的主要因素，包括前驱体种类、反应溶剂、温度等。

图2. 前驱体种类对碳点发射半峰宽的影响。

③ 窄发射荧光碳点的制备

窄发射碳点的制备方法主要分为两种：一步法合成和后处理改性。一步法又可以分为自上而下法和自下而上法，其中自上而下法指的是将大尺寸的碳源通过物理或化学的方法剥离出小尺寸的碳点，自下而上法主要是以一些有机分子（如苯胺、苯酚类小分子、生物质大分子、窄发射荧光分子等）作为前驱体，通过水热或热解等手段制备窄发射碳点。后处理改性通常是以具有较大半峰宽的碳点为起始原料，利用物理或化学手段改性来实现窄发射的目的。

图3. A-CD中的能量图和相关跃迁。

④ 窄发射荧光碳点的应用

与传统碳点相比，窄发射碳点因具有较高的色纯度而表现出更高的成像对比度和较低的信噪比，使得其在生物成像领域大放异彩。此外，作为新型发光材料，窄发射碳点在荧光传感（如金属离子检测、光谱分辨）和光电器件（如发光二极管、激光）领域也展示出巨大应用潜力。

图4. 窄发射碳点在生物成像中的应用。

本文综述了近年来窄发射荧光碳点的研究进展，主要讨论了碳点的发光机制、碳点发射半峰宽的影响因素、窄发射碳点的制备及应用。虽然窄发射碳点已取得显著的进展，但该领域的进一步发展仍然面临着巨大的挑战。

*本文第一作者为赵彪博士

文献链接：

https://doi.org/10.1002/cey2.175