文献综述（或调研报告）：
碳元素在这个世界上的含量非常多，它拥有非常多的存在形式，所有生命都离不开碳元素。碳元素因为其自身的特有性质，它拥有非常多的同素异形体。随着纳米科学的不断进步，越来越多的碳基纳米材料被发现、研究和应用于各行各业，比如：碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、富勒烯和碳点等等。碳点（CDs）是近年来被发现的一种新兴的零维碳基纳米材料，它的粒径一般是小于10nm的离散球形或准球形。碳点是由内部中心的碳核以及表面功能化基团组合而成。一般来说，碳核是由单层或多层石墨构成的sp2杂化结晶形态或者sp3杂化无定形碳结构，其可以表现成类似聚合物的聚集颗粒。表面功能化基团与合成碳点选用的前驱体、钝化剂、掺杂剂以及合成方式有关，通常情况下，包括羟基、羧基、羰基、氨基、巯基、聚合物链等，且位点不均一。碳点主要包含碳、氢、氧，而由于合成碳点时选用的前驱体、钝化剂、掺杂剂以及合成方式不同，碳点可能还会掺杂氮、磷、硫和硼等元素。Xu等人在2004年提纯单壁碳纳米管的时候，首次发现碳点这种具有荧光性质的新型碳纳米材料[1]。2006年，Sun等人使用激光消融法，成功地制备了荧光性能大幅度提高的荧光碳纳米材料，因为这种荧光碳纳米材料和半导体量子点（QDs）的尺寸和荧光性能相似，因此正式地将这种新型荧光材料命名为碳点[2]。
碳点的发展时间非常的短暂，但是制备碳点的方法却是五花八门。根据制备碳点的前驱体的种类不同，可以分为两大类：自上而下法和自下而上法。自上而下法一般是指电弧放电法、激光消融法、化学刻蚀法和电化学氧化法等方法，从大尺寸的碳材料如碳纳米管、石墨、碳纤维等等来剥离碳点。自下而上法一般是指水热法/溶剂热法、微波法、超声法、热解法和模板法等方法，一般是使用小尺寸的碳材料如柠檬酸、半胱酰胺和尿素等等来制备碳点。使用自上而下法时，要先破坏大尺寸材料内部的碳结构，实验条件比较苛刻且实验步骤复杂。而且之后的提纯也涉及到复杂的分离步骤和修饰过程，不利于大规模生产。而自下而上法对于制备条件没有太大的要求，人们更加倾向自下而上法，因此自下而上法的使用频率要远远高于自上而下法的使用频率。
水热法，又之称为溶剂热法。水热法是将反应时所需要的前驱体、掺杂剂和钝化剂等等药剂，同时放入反应釜，然后密封反应釜，将反应釜在高温状态下加热数小时，前驱体在高温下逐渐碳化成碳点。水热法的前驱体来源种类繁多，比如：化学试剂、植物的花叶果实、碳水化合物、废弃物以及猪肉牛奶等等，这些前驱体的成本都比较低廉。由此可见，水热法是对环境友好、成本较低且操作简单的合成方法。此外，水热法因为可以一步就将前驱体碳化成荧光量子产率很好的碳点，而且这种碳点富有表面官能团，适用于工业生产。Jiang等人使用柠檬酸，尿素，氟化铵通过水热法，合成氮氟共掺杂的碳点，其荧光发射峰往近红外区移动，这个碳点在近红外区的应用有了很大的提升[3]。Liu等人使用草作唯一前驱体，合成氮掺杂的碳点。经过研究发现，提高水热法的反应温度，可以使得制备的碳点的粒径变得更小以及使得荧光量子产率变得更高[4]。Dong等人使用柠檬酸和半胱氨酸为原料，使用了水热法，合成了荧光量子产率为73%的碳点，提升了水热法合成碳点的荧光量子产率[5]。
微波法是利用微波提供的既均匀又强烈的能量，断开前驱体的化学键，并且将碳源在微波下快速碳化成碳点的方法。采用的前驱体一般是糖类、醇类以及羧酸类。微波法和水热法都是使用外部能量将前驱体脱水，缩聚，碳化的流程。微波法是一种简单操作、合成效率、绿色环保以及方便快捷的合成手段。微波法在所有制备碳点中最显著的特点是制备时间最短，一般在几分钟之内就可以完成。Zhu等人使用糖类和聚乙二醇为前驱体，通过微波法加热几分钟，合成了荧光量子产率为6.3%的碳点[6]。Wang等人以柠檬酸为前驱体，尿素为掺杂剂，使用去离子水作为钝化剂，再用微波加热几分钟，成功制备了氮掺杂的碳点[7]。氮掺杂碳点的荧光量子产率明显提高，达到了14%。然而，因为反应太过迅速，这也会导致反应不充分，生成的碳点粒径分布不均匀，不利于钝化。Zhang等人使用柠檬酸为前驱体，把含有羟基的氨基化合物作为掺杂剂，通过微波法，合成了荧光量子产率为99%的碳点[8]。
超声法是在反应时加上超声波，加入酸、碱或氧化剂等辅助剂，利用超声波提供的能量来提高前驱体的反应速度，加快前驱体脱水、聚合和碳化的过程，从而形成碳点。Li等人以葡萄糖为前驱体，加入碱辅助剂，通过超声法，合成了可以发射明亮荧光的碳点，波长范围涉及了可见光到近红外光整个区域[9]。Park等人以废弃物为前驱体，加入辅助剂，合成了荧光碳点，该碳点具有强稳定性，低毒性和较好的水溶性[10]。超声法虽然过程简单，但是制备的碳点荧光量子产率较低。一般通过超声法合成的碳点的荧光量子产率都比较低。
电弧放电法是在大分子前驱体上加上高压电弧，通过放电剥离出碳点。因为合成的碳点混在碳灰中，不容易被提纯，因此导致碳点的产率很低。然而，通过强酸或强碱处理以后，碳点就可以正常发射荧光。首次被报道的合成碳点的方法就是电弧放电法。Xu等人在使用电弧放电法提纯碳纳米管的过程中，第一次发现了一种可以发射荧光的碳纳米颗粒[11]。经过测量，荧光量子产率为1.6%。通过电弧放电法制备的碳点虽然发射荧光性能比较好，但是不能控制生成的产物成分，杂质也比较多，而且通常产出的碳点粒径较小，荧光量子产率也较低，所以这个方法很少有人用。
随着人们对碳点的研究越来越深入，发现了碳点拥有非常多的性质，比如荧光性质、磷光性质、低毒性和生物相容性等。
荧光性质是碳点最重要的性质，碳点在许多方面的应用都是因为碳点的荧光性质。碳点的荧光性质主要有四个方面：（1）碳点与传统的有机荧光染料分子不一样，碳点的激发光谱从紫外波长一直连续到近红外波长。碳点宽而连续的激发光谱使碳点的应用范围变得很广。（2）碳点的荧光发射稳定和有强抗光漂白性的特性。有机荧光染料在外界持续有激发光地照射下时，其荧光发射会变得衰弱和被漂白。而碳点在激发光持续照射下时，会一直稳定发射荧光并且也没有被漂白。（3）碳点的荧光性质受外界环境影响较大。pH值的大小，温度的高低以及离子浓度的高低都会对碳点的荧光性质进行一定程度的影响。根据碳点这个易受外界干扰的特性，可以进行一系列检测外界环境的应用。（4）大部分碳点具有激发波长依赖性。碳点的荧光发射峰会随着激发波长的增大而向近红外区移动。碳点的荧光发射强度也会随着激发波长的改变而改变。激发波长依赖性主要是因为碳点的粒径和表面态不一致，由此导致量子尺寸效应，因而荧光发射峰的位置和强度受激发波长影响。换句话说，碳点如果具有相同的尺寸粒径和相同的表面态，那么这个碳点就有激发波长不依赖性。Chen等人使用柠檬酸和乙醇胺为原料，通过水热法合成氮掺杂碳点[12]。经过测试，该碳点以二甲基甲酰胺为溶剂的溶液具有激发波长不依赖性，而以水溶液为溶剂的溶液则表现出激发波长依赖性。这表现出碳点是否为激发波长依赖性会受溶剂种类的影响。（5）碳点不仅有下转换荧光性质，有的碳点还有上转换荧光性质。上转换荧光是吸收较长波长的光，发射出较短波长的光。上转换荧光发射是一种反斯托克斯发光现象。碳点可以吸收近红外区域的光子，然后发射出可见区域的光子。Sun等人利用800ms的飞秒红外脉冲激光，观察到了碳点上转换荧光现象[13]。该碳点的双光子吸收截面与半导体量子点相当，比有机荧光染料高很多。
碳点除了可以发出普通荧光外，还有一些碳点在合适的基质中可以发出磷光。磷光是拥有较长寿命的光致发光现象，其发光的有效寿命通常在毫秒级，甚至有些碳点在基质的磷光发光寿命可以达到秒级，人们通过肉眼就可以观察到其磷光发光。磷光一般是三重态的发光现象，电子基本上是无法从基态单重态跃迁至三重态的，因为三重态是跃迁禁阻的，因此磷光很容易被淬灭。碳点的磷光发光一般是两个过程：（1）将碳点固定在基质中，这基质通常是聚合物，比如聚乙烯醇、聚丙烯酸和聚氨脂等等，通过基质和碳点相互影响，相互作用，产生发光中心，也限制了碳点在基质中的振动，为系间窜越过程中电子由基态单重态激发至三重态提供条件；（2）电子进入稳定的激发三重态，进而阻止非辐射跃迁，以致于产生磷光发射。碳点的磷光现象首次被发现是在2013年，Deng等人将发射蓝光的碳点放入聚乙烯醇基质中，观察到在紫外线的照射下，碳点发出很明显的磷光发光现象[14]。磷光发射峰在500nm处左右，而且磷光的寿命延长达到了380ms左右。
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