《Bioresource Technology》：Green synthesis of biomass carbon nanodots and their multifunctional applications
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碳量子点（CQDs）因其环境友好、生物相容性和可调发光特性备受关注。本文系统综述了生物质（如农业残渣、食品废料）通过水热法、热解及微波合成等绿色工艺制备CQDs的最新进展，重点分析前驱体成分、合成条件与CQDs形貌、结构及光学性能的关联性。研究证实生物质来源CQDs在生物传感（如金属离子、维生素检测）、荧光成像、光电器件和防伪墨水等领域展现出独特优势，但存在批次不均、发光颜色受限及规模化生产挑战。
罗俊林|马月聪|陈文年|庞久胤
北华大学材料科学与工程学院，吉林132013，中国
摘要
碳量子点（CQDs）作为一种新兴的荧光纳米材料，因其制备简单、原料来源丰富、生物相容性优异以及独特的光学性能而受到了广泛关注。利用可再生生物质资源（如农业废弃物、食物垃圾或林业副产品）制备CQDs不仅符合绿色化学的原则，还为低成本、大规模生产和应用奠定了基础。本文系统回顾了从生物质合成CQDs的主要方法，包括水热处理、高温热解和微波辅助合成，并详细分析了不同制备策略对CQDs的形态、结构和光学性能的影响。此外，本文还介绍了生物质衍生CQDs在多个前沿领域的应用进展：作为检测金属离子和维生素的荧光传感器；作为生物成像中的高效探针；作为提高光电设备性能的功能层；以及作为信息加密和防伪的安全油墨。最后，本文指出了该领域当前面临的挑战（如发射颜色范围有限、对形成机制和发光机制的理解不足），并概述了未来的研究方向，强调了生物质衍生CQDs在推动可持续先进材料发展方面的潜力。
引言
碳量子点（CQDs）是一类相对较新的荧光纳米材料，其粒径通常在2–10纳米之间（Liang等人，2020年）。作为零维碳基纳米结构，它们具有独特的化学、光学和电子特性，这使它们区别于传统的半导体量子点和有机荧光染料（Wareing等人，2021年）。与传统含有镉或铅等重金属的半导体量子点相比，CQDs具有更好的环境相容性和生物安全性。与容易发生快速光漂白的有机荧光染料相比，CQDs表现出优异的光稳定性和抗闪烁性。这些优势，加上其简单的制备路线、成本效益高的原料和可调的光致发光特性，使得CQDs成为广泛应用中极具吸引力的纳米材料。此外，它们良好的水溶性、生物相容性和低细胞毒性使其特别适合生物医学和环境应用。迄今为止，CQDs已成功应用于化学传感、生物成像、光催化、荧光探针设计以及先进的防伪技术等领域（Zhu等人，2020年）。
CQD研究的一个关键方面是开发能够实现高产率和强荧光强度的合成策略。目前的CQD制备方法大致可分为两类：自上而下的方法和自下而上的方法（Beshahwored，2025年；Rosales等人，2025年；Gulati等人，2023年）。自上而下的方法是通过物理或化学手段将块状碳材料分解成纳米级颗粒。常用的自上而下的技术包括化学蚀刻（Dhandapani等人，2023年）、电弧放电（Li等人，2024年）和激光烧蚀（Agnol等人，2021年）。这些方法通常使用石墨、碳纳米管、碳纤维或活性炭等宏观碳源，然后通过电化学、化学或物理处理将其分解为纳米级的碳量子点（Clancy等人，2018年；Yadav等人，2023年；Briffa等人，2020年）。尽管这些方法可以从明确的碳结构制备CQDs，但它们往往受到一些限制，例如复杂的处理过程、较高的能量消耗、由于使用纯化碳前体导致的较高原料成本，以及与刺激性化学试剂或副产品相关的潜在毒性问题。这些缺点限制了它们的广泛应用，促使人们探索替代的合成途径。
相比之下，自下而上的方法使用分子或聚合物前体，通过热分解、水热处理或微波辅助合成等过程将其转化为CQDs（Castaneda-Serna等人，2022年）。这种方法通过可控的碳化和钝化步骤，从柠檬酸、氨基酸或各种生物质衍生物等较小有机分子开始制备CQDs。自下而上的方法通常更易于实施，更具可扩展性，并且在前体选择方面具有高度灵活性。最近的大量研究集中在使用生物质作为碳源上，因为生物质来源广泛、可再生且成本低廉。生物质材料通常来自农业副产品或自然废弃物，含有丰富的有机成分，如木质素、纤维素和半纤维素，这些成分是绿色合成碳量子点的理想前体，符合可持续材料化学的原则。
利用生物质不仅可以减少对化石基或合成化学品的依赖，还能生产出低毒性和良好表面功能的CQDs。例如，从果皮、作物残渣或藻类中合成的CQDs通常具有天然的杂原子掺杂（如氮、硫或磷），这可以在不需要额外化学改性的情况下提升其光学和电子性能。这使得生物质衍生的CQDs在生物标记、药物递送和环境监测等对安全性和可持续性要求较高的应用中特别具有吸引力。
本文系统总结了从多种生物质原料合成碳量子点的最新进展，强调了前体组成、合成条件与CQD性能之间的关联。文章还讨论了量子产率、发射波长、表面化学性质和催化活性等关键特性及其实际应用性。此外，本文全面概述了生物质衍生CQDs在生物传感、药物递送、癌症诊疗、污染物降解和能量转换等领域的应用。最后，本文展望了当前存在的挑战（如对粒径分布和荧光均匀性的更精确控制需求），以及CQDs在现实技术中可扩展和可持续整合的潜在方向。
部分摘录
水热法
水热合成是一种高效的方法，可将碳水化合物转化为高价值材料、燃料和化学品。在此过程中，生物质前体通常被置于特氟龙内衬的高压釜中，在180–260°C的温度下暴露于饱和水蒸气压力下5至12小时。溶液从透明变为棕色，表明形成了荧光碳量子点（CQDs）。
生物传感应用
利用碳量子点的优势——包括其荧光特性（Jebanisha和Devi，2025年）、优异的光漂白抗性、高比表面积、易于合成以及表面可调性——它们被灵活地应用于生物传感器中。这些传感器可用于检测金属离子（Viji等人，2025年）、临床诊断、法医鉴定，以及在食品和药物分析及检测中发挥重要作用（Ahmed等人）。
结论
生物质衍生的碳量子点（CQDs）提供了一个基于绿色化学的可持续纳米材料平台。本文将合成方法与其可调性质以及在传感、生物成像和光电学中的多种应用联系起来。然而，仍存在一些关键挑战，主要是由于生物质的异质性导致批次间的一致性较差，这给标准化带来了困难。其他障碍包括发射光谱控制有限以及可扩展且成本效益高的生产方法不足。
CRediT作者贡献声明
罗俊林：撰写初稿、方法学设计、实验研究、概念构思。马月聪：项目管理、数据分析。陈文年：软件开发。庞久胤：审稿与编辑、数据分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：本文“生物质碳纳米点的绿色合成及其多功能应用”由罗俊林、马月聪、陈文年、庞久胤共同撰写。我们声明本文报告的研究工作是独立完成的，所有数据真实可靠。我们进一步声明不存在任何直接或间接的商业利益冲突。
