碳点在鲁米诺和过氧草酸酯基化学发光中的研究进展

发光碳点具有优异的物理化学性质和丰富的形貌结构，以及低制备成本、高发光效率、可调发光波长等特点，在化学发光相关的诸多领域得到了广泛的应用。由于具有优异的化学惰性、良好的生物相容性以及易于功能化的优点，碳点在不同的化学发光体系中展现出极大的应用潜力。

近日，郑州大学金刚石光电材料与器件团队在《发光学报》发表了题为“碳点在鲁米诺和过氧草酸酯基化学发光中的研究进展”的综述文章，第一作者是博士研究生沈成龙，通讯作者是娄庆副教授和单崇新教授。

本文围绕鲁米诺和过氧草酸酯化学发光体系，主要总结了碳点在以鲁米诺或过氧草酸酯为底物的化学反应中的发光现象和相关应用，探讨了碳点在鲁米诺和过氧草酸酯化学发光体系中的发光规律，为合成具有特定化学发光性能的纳米材料提供了思路，有望推动化学发光纳米材料的进一步发展。

1. 引言

作为一种无需光、热、声、电、磁激发的自发光现象，化学发光已经在化学分析检测、冷光源、生物成像等领域取得了广泛应用。碳点是一种新型的零维碳纳米材料。自2004年被首次报道以来，碳点由于优异的物理化学性质和丰富的形貌结构，以及低制备成本、高发光效率和可调的发光波长，使其在光致发光、电致发光、磷光、延迟荧光、电化学发光和化学发光等诸多领域得到了应用。因其独特的表面结构和优异的发光性质，碳点十分适合作为化学发光中的发光体，尤其是在鲁米诺和过氧草酸酯化学发光体系中展现了诸多优势（图1）。

图1 碳点在鲁米诺和过氧草酸酯体系中化学发光示意图

2. 碳点在鲁米诺和过氧草酸酯基化学发光中的研究进展

化学发光是一种无需光、热、声、电、磁等能量触发的发光现象，由于其发光过程不会引入背景光干扰以及不会在发光过程中产生表观电流而被广泛地应用于照明、成像等诸多领域。发光碳点作为一种新型的0维碳纳米材料，由于其具有的优异的物理化学性质和丰富的形貌结构，以及低制备成本、高发光效率、可调发光波长，已经在不同的化学发光体系中展现了应用潜力。因此，探索碳点在各种化学发光系统中的化学发光现象，调查碳点在不同化学发光体系中的发光规律，从而调控碳点在不同化学发光体系中的化学发光性能，进而开发碳点在不同化学发光体系中的应用，具有极其重要的研究意义和实际应用价值。

随着化学合成技术的发展，各种新型化学发光底物被不断开发并广泛应用，而在这些不同的化学发光体系中，目前研究和使用最为成熟的化学发光反应底物是鲁米诺和过氧草酸酯。其中，鲁米诺分子本身不具有高效化学发光性质，在实际的化学发光过程中，需要一定的氧化剂使其氧化才能实现化学发光，而关于碳点在鲁米诺体系中化学发光的报道，主要集中于碳点的催化性能，即在鲁米诺化学发光反应中引入碳点以增强鲁米诺化学发光的亮度、增加发光时长或者减少该化学发光反应所需的苛刻条件，进而在此基础上，通过碳点对鲁米诺反应的增强和减弱，开发了基于不同化学发光反应的分析检测体系。此外，通过合理设计调节碳点性能，制备出具有类似辣根过氧化物酶性能的碳点，以及以化学发光作为光源的光动力治疗系统以实现对肿瘤的生长抑制是碳点在鲁米诺体系中的进一步应用。

过氧草酸酯体系的化学发光机制可归结于化学反应推动的电子交换发光过程，其化学发光的激发态产物被认为是一类具有单重态或三重态的二氧乙烷分子的高能中间体。通过高能中间体与发光体之间的电子交换转移，使发光体激发，进而产生化学发光。研究者通过碳点与高能中间体之间能级匹配机制，实现了高效、多色的化学发光。在此基础上，利用荧光碳点作发光墨水，通过喷墨打印的方式将碳点打印，实现了荧光/化学发光双重模式的信息读取；进一步地，研究者合成了在双草酸酯与过氧化氢化学反应中具有深红色化学发光的碳点，利用实验室搭建的化学发光检测分析装置，实现了该化学发光体系在过氧化氢和葡萄糖检测方面的应用；此外，通过调控反应溶剂，研究者合成了具有深红-近红外化学发光的碳点，使用十八胺和mPEG-NH₂作为表面活性剂对该碳点进行表面改性，制备了一种表面具有长链的疏水碳点，再将修饰后的碳点、双草酸酯和嵌段聚合物进行共聚制备成一体化纳米粒子，该纳米粒子的化学发光展现了对过氧化氢的灵敏响应和对生物体内活性氧的成像能力。

随着纳米技术的发展，化学发光被不断开发并广泛应用于化学冷光源、生物成像、疾病检测等诸多领域，合理设计化学发光材料以满足各种实验需求具有重要的意义。本文主要从鲁米诺和过氧草酸酯化学发光体系出发，探讨了碳点在这两种体系化学发光中可能存在的作用机制，聚焦了这两种体系下碳点的化学发光性质及其相关应用的研究进展。

3. 总结与展望

碳点作为一种优异的发光材料，在鲁米诺和过氧化草酸酯体系中的化学发光已经取得了一定的研究结果。然而，对于碳点在鲁米诺化学发光反应体系中，利用鲁米诺的化学能通过能量传递机制实现碳点的多色化学发光未见报道。同时，碳点在鲁米诺反应体系中的应用仍有待进一步开发。而对于过氧草酸酯体系中碳点的化学发光，其化学发光效率和发光亮度仍然较低，发光时间仍然较短，同时相关的应用仍需深入拓展。因此，合理选择材料体系、优化合成策略、深入研究碳点化学发光机理、设计优化化学发光体系选择、提升发光性能以及拓展应用领域等方面仍需不断探索，以推动碳点材料在化学发光领域的基础研究及应用。

论文信息：

沈成龙, 娄庆, 单崇新. 碳点在鲁米诺和草酸酯化学发光体系中的研究进展[J]. 发光学报, 2021, 42(8):1215-1232. 

论文地址：

DOI：10.37188/CJL.20210171

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

作者简介:

沈成龙，博士研究生，2017年于郑州大学获得硕士学位，主要从事化学碳纳米材料的合成与应用的研究。

娄庆，博士，副教授，2015年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事碳基纳米发光材料与光电器件的研究。

单崇新，博士，教授，博士研究生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，郑州大学金刚石光电材料与器件团队负责人。2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事金刚石光电材料与器件的研究。

监制 | 郝振东、赵阳

编辑 | 赵唯

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