發光碳點具有優異的物理化學性質和豐富的形貌結構，以及低制備成本、高發光效率、可調發光波長等特點，在化學發光相關的諸多領域得到了廣泛的應用。由于具有優異的化學惰性、良好的生物相容性以及易于功能化的優點，碳點在不同的化學發光體系中展現出極大的應用潛力。

近日，鄭州大學金剛石光電材料與器件團隊在《發光學報》發表了題為“碳點在魯米諾和過氧草酸酯基化學發光中的研究進展”的綜述文章，第一作者是博士研究生沈成龍，通訊作者是婁慶副教授和單崇新教授。

本文圍繞魯米諾和過氧草酸酯化學發光體系，主要總結了碳點在以魯米諾或過氧草酸酯為底物的化學反應中的發光現象和相關應用，探討了碳點在魯米諾和過氧草酸酯化學發光體系中的發光規律，為合成具有特定化學發光性能的納米材料提供了思路，有望推動化學發光納米材料的進一步發展。

1. 引言

作為一種無需光、熱、聲、電、磁激發的自發光現象，化學發光已經在化學分析檢測、冷光源、生物成像等領域取得了廣泛應用。碳點是一種新型的零維碳納米材料。自2004年被首次報道以來，碳點由于優異的物理化學性質和豐富的形貌結構，以及低制備成本、高發光效率和可調的發光波長，使其在光致發光、電致發光、磷光、延遲熒光、電化學發光和化學發光等諸多領域得到了應用。因其獨特的表面結構和優異的發光性質，碳點十分適合作為化學發光中的發光體，尤其是在魯米諾和過氧草酸酯化學發光體系中展現了諸多優勢（圖1）。

圖1 碳點在魯米諾和過氧草酸酯體系中化學發光示意圖

2. 碳點在魯米諾和過氧草酸酯基化學發光中的研究進展

化學發光是一種無需光、熱、聲、電、磁等能量觸發的發光現象，由于其發光過程不會引入背景光干擾以及不會在發光過程中產生表觀電流而被廣泛地應用于照明、成像等諸多領域。發光碳點作為一種新型的0維碳納米材料，由于其具有的優異的物理化學性質和豐富的形貌結構，以及低制備成本、高發光效率、可調發光波長，已經在不同的化學發光體系中展現了應用潛力。因此，探索碳點在各種化學發光系統中的化學發光現象，調查碳點在不同化學發光體系中的發光規律，從而調控碳點在不同化學發光體系中的化學發光性能，進而開發碳點在不同化學發光體系中的應用，具有極其重要的研究意義和實際應用價值。

隨著化學合成技術的發展，各種新型化學發光底物被不斷開發并廣泛應用，而在這些不同的化學發光體系中，目前研究和使用最為成熟的化學發光反應底物是魯米諾和過氧草酸酯。其中，魯米諾分子本身不具有高效化學發光性質，在實際的化學發光過程中，需要一定的氧化劑使其氧化才能實現化學發光，而關于碳點在魯米諾體系中化學發光的報道，主要集中于碳點的催化性能，即在魯米諾化學發光反應中引入碳點以增強魯米諾化學發光的亮度、增加發光時長或者減少該化學發光反應所需的苛刻條件，進而在此基礎上，通過碳點對魯米諾反應的增強和減弱，開發了基于不同化學發光反應的分析檢測體系。此外，通過合理設計調節碳點性能，制備出具有類似辣根過氧化物酶性能的碳點，以及以化學發光作為光源的光動力治療系統以實現對腫瘤的生長抑制是碳點在魯米諾體系中的進一步應用。

過氧草酸酯體系的化學發光機制可歸結于化學反應推動的電子交換發光過程，其化學發光的激發態產物被認為是一類具有單重態或三重態的二氧乙烷分子的高能中間體。通過高能中間體與發光體之間的電子交換轉移，使發光體激發，進而產生化學發光。研究者通過碳點與高能中間體之間能級匹配機制，實現了高效、多色的化學發光。在此基礎上，利用熒光碳點作發光墨水，通過噴墨打印的方式將碳點打印，實現了熒光/化學發光雙重模式的信息讀取；進一步地，研究者合成了在雙草酸酯與過氧化氫化學反應中具有深紅色化學發光的碳點，利用實驗室搭建的化學發光檢測分析裝置，實現了該化學發光體系在過氧化氫和葡萄糖檢測方面的應用；此外，通過調控反應溶劑，研究者合成了具有深紅-近紅外化學發光的碳點，使用十八胺和mPEG-NH?作為表面活性劑對該碳點進行表面改性，制備了一種表面具有長鏈的疏水碳點，再將修飾后的碳點、雙草酸酯和嵌段聚合物進行共聚制備成一體化納米粒子，該納米粒子的化學發光展現了對過氧化氫的靈敏響應和對生物體內活性氧的成像能力。

隨著納米技術的發展，化學發光被不斷開發并廣泛應用于化學冷光源、生物成像、疾病檢測等諸多領域，合理設計化學發光材料以滿足各種實驗需求具有重要的意義。本文主要從魯米諾和過氧草酸酯化學發光體系出發，探討了碳點在這兩種體系化學發光中可能存在的作用機制，聚焦了這兩種體系下碳點的化學發光性質及其相關應用的研究進展。

3. 總結與展望

碳點作為一種優異的發光材料，在魯米諾和過氧化草酸酯體系中的化學發光已經取得了一定的研究結果。然而，對于碳點在魯米諾化學發光反應體系中，利用魯米諾的化學能通過能量傳遞機制實現碳點的多色化學發光未見報道。同時，碳點在魯米諾反應體系中的應用仍有待進一步開發。而對于過氧草酸酯體系中碳點的化學發光，其化學發光效率和發光亮度仍然較低，發光時間仍然較短，同時相關的應用仍需深入拓展。因此，合理選擇材料體系、優化合成策略、深入研究碳點化學發光機理、設計優化化學發光體系選擇、提升發光性能以及拓展應用領域等方面仍需不斷探索，以推動碳點材料在化學發光領域的基礎研究及應用。

論文信息：

沈成龍, 婁慶, 單崇新. 碳點在魯米諾和草酸酯化學發光體系中的研究進展[J]. 發光學報, 2021, 42(8):1215-1232. 

論文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210171

http://cjl.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20210171

作者簡介:

沈成龍，博士研究生，2017年于鄭州大學獲得碩士學位，主要從事化學碳納米材料的合成與應用的研究。

婁慶，博士，副教授，2015年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事碳基納米發光材料與光電器件的研究。

單崇新，博士，教授，博士研究生導師，國家杰出青年基金獲得者，教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授，鄭州大學金剛石光電材料與器件團隊負責人。2004年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事金剛石光電材料與器件的研究。

監制 | 郝振東、趙陽

編輯 | 趙唯

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