碳量子点作为荧光探针在生物分析化学中的应用论文

量子点，一种极其微小的荧光半导体点，虽然体积很小，但在健康、电子技术等很多领域都发挥着非常重要的作用。同时，它的缺点也很明显——它是由有毒且非常昂贵的金属制成的。

近年来，科学家们一直在努力寻找一个目标，并走到一起进行联合研究。一种经济无害的量子点替代品。利用现有技术，制造碳基点(也称为碳纳米点或碳点)非常容易。而且无毒，经济，可以说有取代量子点的潜力。然而，它也有一个缺陷——它发出的光较少。

最近，伊利诺伊大学的一个研究小组有了新的发现。他们借助飞秒纳米成像技术观察了碳纳米点群中好的和坏的发射体的形态和分布。下一步，从中筛选出高质量的发射体，可以替代现有的金属量子点。

目前，他们的这项研究成果已经发表在PNAS上。

目前，他们的研究成果已经在PNAS发表。

飞秒纳米成像技术能够发现碳纳米点。

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校和巴尔的摩县特拉华大学的研究人员通过伊利诺伊州贝克曼高级科学技术研究所的合作项目进行了联合研究。

“在这项研究之前，我们不知道所有的碳纳米点是否只是一般的发射体，或者其中是否同时存在好的发射体和坏的发射体。”领导这项研究的伊利诺伊大学化学教授马丁·格鲁伯勒说。“但我们可以肯定的是，一旦我们找到了证明排放者好坏的方法，那么我们肯定可以筛选出好的排放者。”他补充道。

这意味着，为了确定碳纳米点群中的发射器是好是坏，首先要做的是能够看到它们。

然而，有两个巨大的挑战:第一，这些碳纳米点太小，直径不到10纳米；二是受激时会在几皮秒内发光。换句话说，碳纳米点的体积太小，激发太快，以至于很难在空和时间两个维度上进行捕捉和观察。

因此，他们使用光学方法激发碳纳米点，并对单点中的电子-声子动力学以及两个碳点之间的纳米尺度热传递进行成像。使用扫描隧道显微镜的尖端作为光激发态的探测器，通过电子隧道的光学屏障记录0.1-500皮秒(ps)时间范围内的载流子动力学图像。

他们还成像了单个碳点中的光子与金中的传导电子的耦合，作为两个相邻碳点之间的超快能量转移机制。激发态的电子密度从整体迁移到分子级别（1nm）的表面缺陷，然后将单个点的非均匀弛豫到长寿命荧光态或回到基态。

他们还对单个碳点中的光子与金中的传导电子的耦合进行了成像，作为两个相邻碳点之间的超快速能量转移机制。激发态的电子密度从整体迁移到分子级(1nm)的表面缺陷，然后单点的不均匀性弛豫到长寿命荧光态或回到基态。

“如果用以前的单分子吸收扫描隧道显微镜，激发态只能成像，没有时间分辨率，显然不行。”格鲁伯勒说，“然而，至关重要的是，我们在这项研究中使用了飞秒纳米成像技术，通过结合飞秒时间分辨率和跨纳米空分辨率来记录处于激发态的量子点。”

依靠这种飞秒纳米成像技术，格鲁伯勒团队通过研究和观察发现，激发其能量有两种方式:一是直接发出荧光；二是先以热能的形式释放，然后可能产生荧光。

如下图所示(图中白色标尺长度为5nm)，左侧代表碳纳米点在普通扫描隧道显微镜成像下只是一个没有任何特征的点；右侧，在时间分辨单分子吸收扫描隧道显微镜的成像下，激光激发最初分布在整个碳纳米点上，但在几皮秒内，激发迁移到表面的高度局域化区域，这些过程都被记录下来。筛选出完美碳纳米点有望取代金属量子点。

研究人员随后进行了更深入的观察，格鲁伯勒说，“我们发现在大量的碳纳米点中，约20%的碳纳米点具有很强的发光性，是一种完美的发射体，而其余约80%的碳纳米点在发热前具有短暂的发光状态。”换句话说，碳纳米点群中既有好的发射体，也有坏的发射体，好与坏的比例约为1: 4。

他还指出，“这非常关键，因为我们看到里面有不同的种群，这意味着只要通过某种方法选择完美的发射体，碳纳米点种群就可以被提纯和纯化。”

至此，第一步完成。他们成功观察到了碳纳米点并分析出了碳纳米点群中的发射体的优劣分布。

至此，第一步完成。他们成功地观察到了碳纳米点，并分析了碳纳米点中发射器的分布。

借助飞秒纳米成像技术，研究人员在观测中还取得了其他重要发现，比如为什么有些碳纳米点永远不发光。这表明研究人员可能希望通过人工合成来制造完美的发射器。

“金属量子点经常被用来监测活细胞的健康状况，然而，这还远远不够理想。选择无毒且经济的碳纳米点将是一个重大进步。现在我们借助飞秒纳米成像技术获得了许多新发现。”格鲁伯勒说，“接下来，是通过一些方法在碳纳米点群中筛选出完美的发射体，还是通过合成制造出完美的发射体，这只是一道选择题。”

Gruebele教授团队的这项研究在用碳纳米点取代金属量子点方面迈出了成功的一步。接下来，通过筛选、分离或直接合成碳纳米点来取代昂贵且有毒的金属量子点指日可待。