碳点发光机制与结构之间的构效关系

doi:10.7503/cjcu20250103

摘要/Abstract

摘要：

碳点(CDs)作为一类新型零维碳基纳米材料, 因其可调发光性、低毒性和多功能性, 在生物成像、光电器件及环境传感等领域展现出广阔应用前景. 由于制备方法不同、原料来源多样以及组成结构复杂, 碳点的发光机制一直是研究重点. 不明确的发光机制制约了高荧光性能碳点的设计与应用. 本文系统梳理了碳点的结构与发光机制之间的构效关系, 重点解析了量子限域效应、有效共轭长度、表面-边缘态、分子态及交联增强发射效应等5种核心机制的作用, 以期为高荧光性能碳点的可控合成与功能化应用提供理论指导.

关键词: 碳点, 发光机制, 碳基纳米材料, 结构组成

Abstract:

As a novel class of zero-dimensional carbon-based nanomaterials， carbon dots（CDs） have demonstrated broad application prospects in bioimaging， optoelectronic devices， and environmental sensing due to their tunable luminescence， low toxicity， and versatile functionality. However， the luminescence mechanisms of CDs remain a central research focus owing to diverse synthesis methods， varied raw material sources， and complex composition-structure characteristics. The elusive nature luminescence mechanism has hindered the rational design and application of CDs with superior fluorescence performance. This article systematically investigates the correlation between the structural characteristics and luminescence mechanisms of CDs， with focused analysis on the roles of five core mechanisms： quantum confinement effect， effective conjugate length， surface-edge states， molecular states， and cross-link enhanced emission effects. The comprehensive analysis aims to provide theoretical guidance for the controlled synthesis and functional applications of CDs with superior fluorescence performance.

Key words: Carbon dots, Luminescence mechanisms, Carbon-based nanomaterial, Structural composition

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 9

Fig.1 Schematic depicting the fabrication strategies of CDs(A)[6], confocal images of cells coincubation with M⁃CDs and schematic representation of the structure of stress granules and their labeling by M⁃CDs(B)[10], an image of a UV⁃pumped WLED using the W⁃CNQDs as phosphors and the EL spectrum and CIE color coordinates of the WLED lamp(C)[12] and possible CL mechanism for CTAB@carbon dot⁃Co(II)⁃H2O2⁃OH- system(D)[14]（A） Copyright 2021， Elsevier Ltd.；（B） Copyright 2023， John Wiley & Sons；（C） Copyright 2019， Royal Society of Chemistry；（D） Copyright 2013， Elsevier Ltd.

Fig.2 Classification of carbon dots(CDs, A)[16], hypothesized structural model of black carbon dots(B⁃CDs, B)[21], a general core⁃shell structure of carbon quantum dots(CQDs, C)[24] and structural model of carbonized polymer dots(CPDs, D)[25]（A） Copyright 2020， American Chemical Society；（B） Copyright 2020， Elsevier Ltd.；（C） Copyright 2024， John Wiley & Sons；（D） Copyright 2024， American Chemical Society.

Fig.3 Schematic diagrams of five fluorescence emission mechanisms（A） Quantum confinement effect［29］；（B） effective conjugate length［30］；（C） surface-edge states［31］；（D） molecular states［32］；（E） cross-link enhanced emission effects［33］. （A） Copyright 2018， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim；（B） Copyright 2020， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim；（C） Copyright 2018， Springer Nature；（D） Copyright 2025， Wiley-VCH GmbH；（E） Copyright 2018， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim.

Fig.4 Schematic diagram of quantum confinement effect(A) and effective conjugate length(B)The cubes in （A） and （B） represent the size of CDs， small boxes in （B） represent the effective conjugation length.

Fig.5 The effect of size on emission wavelength of GQDs(A)[37], normalized PL spectra of CQDs(B)[38], typical sized CQDs optical images(C)[39], UV⁃Vis absorption and PL emission spectra of GQD⁃1200 in water solution(D)[40], GQD composed of four pyrene domains separated by sp3 carbons(green spheres)(E)[37], the possible photoluminescence(PL) emission mechanism for N⁃GQDs⁃B, G, and Y(F)[41]（A， E） Copyright 2014， the Royal Society of Chemistry；（B） Copyright 2020， American Association for the Advancement of Science；（C） Copyright 2010， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim；（D） Copyright 2011， American Chemical Society；（F） Copyright 2015， Springer Nature.

Fig.6 Schematic of a possible growth mechanism(A)[43], model for the tunable PL of CDs with different degrees of oxidation(B)[44], optical property of the C⁃Dots in ethanol solution(C)[45], schematic illustration for the PL mechanism of six C⁃dots(D)[46]（A） Copyright 2022， American Chemical Society；（B） Copyright 2015， American Chemical Society；（C） Copyright 2017， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim；（D） Copyright 2016， the Royal Society of Chemistry.

Fig.7 A schematic of the red emission CDs building⁃up process in the solvent⁃free method sysem of oPD and CAT(A)[50], a schematic of three types of CDs reaction process in different solvent(B), the photostability of three types of CDs and corresponding molecular fluorophore(C), typical emission spectra of G⁃CDs and DAP at different pH(D)[54], the relationship between molecular fluorophores and CA⁃EDA CPDs(E)[53]（A） Copyright 2022， Springer Nature；（B—D） Copyright 2024， Wiley-VCH GmbH；（E） Copyright 2024， Wiley-VCH GmbH.

Fig.8 CEE effect in luminescent polymers containing sub⁃luminophores or luminophores(A)[62], representation for the PL mechanism(CEE effect) of bare PEI and PDs 1⁃4(B)[61], optimized molecular structures and molecular orbitals involved in the fluorescence phenomenon(C)[63], schematic model for formation of vesicle of PVDM⁃1 and its transformation to intervesicular aggregates in PVDMS via ionic interaction with enhancement of emission(D)[64], general design for studying confined⁃domain CEE in CPDs(E)[20], the PL mechanisms of CDs(F)[34], the reaction process of HTCP to prepare CPDs by the “bottom⁃up” route(G)[2] and a schematic of the CDs obtained at different hydrothermal temperatures(H)[52]（A） Copyright 2020， Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA， Weinheim；（B） Copyright 2014， Royal Society of Chemistry；（C） Copyright 2018， American Chemical Society；（D） Copyright 2019， American Chemical Society；（E） Copyright 2022， Springer Nature；（F） Copyright 2021， Science China Press；（G） Copyright 2019， American Chemical Society；（H） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry.

Fig.9 Relationship between CDs of different structures andluminescence mechanisms

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