碳量子点(CQDs)是一种尺寸在10 nm以内且单分散性的准球形荧光碳纳米材料。自2004年Xu等^[1]用电弧法合成碳纳米管的过程中无意间发现CQDs的十余年以来，凭借其优异的物理、化学及生物学性能，如光致发光性、亲水性、化学及光稳定性、生物相容性、低细胞毒性、易于功能化及电子学特性等^{[2, 3]}，使其在传感学^[4~8]、生物医学^{[9, 10]}、光电子学^[11~13]及催化^{[14, 15]}等领域迅速受到广泛的关注。近年来，微流控芯片技术(microfluidic chip)由于其小体积、高通量、自动化精确控制等优势，在纳米材料的合成领域展现出优于宏观反应体系的优势^[16~19]，为CQDs的合成开辟了崭新的方向。本文将重点介绍宏观体系中CQDs的合成方法，分析不同合成方法的优势与不足之处，同时介绍目前已有的利用微反应器合成CQDs的研究，最后分析微流控芯片技术在微纳米结构材料合成领域的优势，结合其在CQDs合成中的成功应用，探讨微流控芯片在CQDs合成领域的应用前景与发展方向。

目前CQDs的合成方法已趋于成熟，宏观体系下的合成方法主要可以归纳为自上而下(top-down)与自下而上(bottom-up)两大类(如图 1)。

自上而下法利用弧光放电、激光烧蚀、电化学氧化等手段处理尺寸较大的碳基材料，如石墨烯、碳纳米管、活性炭、蜡烛燃烧灰等，从而剥离出小尺寸的CQDs；自下而上合成法则是利用化学氧化、热分解、微波加热等手段使小尺寸的碳前躯体，如有机聚合物、生物分子、农副产品等，通过聚合碳化过程直接制备出表面含有各种官能团的CQDs。初步合成的CQDs的荧光量子产率往往较低，性质单一，需要进行进一步的表面修饰、元素掺杂与钝化等处理，才能获得高荧光量子产率且具有实际应用价值的CQDs。表 1中分析总结了宏观体系合成CQDs的方法及其优势与不足。

Xu等^[1]在利用凝胶电泳法提纯由弧光放电灰制备的单壁碳纳米管时，无意中分离得到了具有荧光性质的纳米颗粒，这是关于CQDs最早的报道。通过进一步的透析提纯，可以得到3种不同尺寸的CQDs，在365 nm紫外灯激发下分别发射出明显的蓝绿色、黄色及橙色荧光。傅里叶变换红外光谱(FT IR)显示产物表面含有大量的羧酸根，这使其具有了良好的亲水性及稳定性。利用弧光放电技术可以有效地破碎碳靶，分离出小颗粒的CQDs产物，但碳源利用率极低，破碎产物粒径分布不均匀，荧光量子产率较低，含有大量杂质，提纯比较困难，且弧光放电温度很高，反应控制困难，所以目前该法应用较少^[20]。

激光烧蚀法利用高能激光束照射碳靶，使微小的碳纳米颗粒剥离下来获得CQDs^[21~24]。Sun等^[21]利用粘合剂将碳粉制成碳靶，以氩气作为载气，在900℃高温水蒸气环境中利用此法初步合成了CQDs，然后在硝酸中加热回流，并利用聚乙二醇(PEG₁₅₀₀)进行表面修饰，最终制备出尺寸约为5 nm、荧光量子产率约为4%~10%的CQDs。利用该方法可以顺利地获得CQDs，且通过PEG₁₅₀₀的改性使CQDs的荧光量子产率获得了显著提高，但整个合成过程操作比较复杂，制备过程中未被完全剥离的碳靶材料作为杂质被离心去除，因此碳源的利用率仍然较低；同时，由于难以保证在整个制备过程中激光束对碳靶材料处理的均一性，从而导致CQDs的尺寸分布不够均匀，需要进一步的分离。

电化学法是利用电化学氧化作用处理碳基材料，从其上剥离出小尺寸的颗粒制备CQDs的方法^[25~27]。Li等^[25]提出通过准确切割蜂窝状的石墨，可以得到尺寸超小的石墨碎片，从这些碎片中即可以分离出CQDs。因此，他们利用石墨棒作为电极，并以氢氧化钠与乙醇的混合液作为电解液，在电流强度为10~200 mA·cm^-2的条件下，利用电化学方法切割石墨电极，成功制备出了具有荧光性质的CQDs，荧光量子产率最大可以达到12%。实验结果表明，所得的样品是一系列可以发射不同荧光的超小CQDs组成的混合物。通过色谱分离法分离出4种直径介于1.2~3.8 nm的CQDs，在紫外灯照射下可以分别发射出不同颜色的荧光。对于利用不同电流强度合成的CQDs，其荧光发射光谱会发生相应改变，体现出不同反应条件对产物性质的影响。最大发射光的强度与波长具有激发光波长依赖性，这是多数CQDs所具有的性质^[28~30]。利用电化学氧化法可以直接且温和地制备高产率CQDs，有效地提高碳源的利用率，更适用于大量制备。但由Li等的工作可以看出，产物是由多种尺寸的CQDs组成，需要进一步提纯与分离才能获得特定尺寸的CQDs，这表明初步合成产物的尺寸仍然不够均匀。

综上所述，自上而下合成方法合成的材料尺寸较大，而处理手段难以达到对所有样品处理的均匀性，反应条件多比较剧烈，这导致该类方法制备出的CQDs普遍存在产率低、尺寸分布不均匀的缺点，在实际应用上受到了一定限制；弧光放电法与激光烧蚀法由于其反应温度较高，导致对整个反应更加难以精确有效地控制，因此此类合成方法目前应用较少。

化学氧化法是通过氧化剂处理小分子碳材料使其发生聚合、碳化反应制备CQDs的方法，其中最常用的氧化剂为硝酸^[31~35]。Dong等^[31]利用4mol/L硝酸回流处理活性炭粉末24h，反应结束后利用氢氧化钠调节pH至中性，经离心分离并取上清液利用不同切割分子量的透析袋进行透析处理，成功得到了4种不同尺寸的具有明显荧光性能的CQDs，荧光量子产率均大于10%，具有很强的电化学荧光性质。在高分辨率透射电镜(HRTEM)下可以观察到，所得CQDs的直径在3~4 nm之间，具有明显的晶格条纹；X射线光电子能谱(XPS)显示所得产物含有C-C、C-O及CO三种不同类型的碳键；结合FT IR分析结果显示其表面含有丰富的羧基。Liu等^[32]利用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为碳源进行了CQDs的合成反应，并利用聚乙二醇(PEG₆₀₀)对其进行了表面处理。制备过程中，利用硫代硫酸钠和盐酸在210℃水热条件下处理CTAB36h，经洗涤过滤后用硝酸处理12h，从而得到表面含有羟基和羧基的CQDs。对制得的CQDs进行表面修饰时，加入PEG₆₀₀在室温下处理数小时，之后进行减压蒸馏、调至中性等处理得到最终产物，所得CQDs荧光量子产率约为10%，尺寸介于7~12 nm之间。该类方法碳源利用率及荧光量子产率较高，但由于反应使用了有强氧化性或强腐蚀性反应物，存在一定的安全隐患，整个反应过程耗时长，反应操作繁琐，容易产生操作误差，需要进一步简化操作步骤，提高反应的可控性。

热分解法通过高温分解有机碳源制备CQDs，主要通过水热^{[28, 36~39]}或溶剂热法^{[29, 40~43]}实现。该法无强氧化及腐蚀性反应物参与、低消耗、无毒，同时可以实现一步法制备，极大地简化了实验操作。通过选择不同的有机碳源，如葡萄糖、柠檬酸、维生素、蛋白质、果汁、蜂蜜、西瓜皮等，可以合成具有不同性质与组成的CQDs，因此目前在CQDs合成领域该法被应用最为广泛。Yang等^[39]利用柠檬酸与乙二胺在不同水热温度条件下反应5h，制备出了具有荧光性能的CQDs。初步合成的CQDs溶液为棕黑色透明溶液，经过透析提纯后测得其荧光量子产率高达58%。TEM结果显示所得的CQDs具有单分散性，未发生明显的团聚，粒径分布在2~6 nm之间。在反应过程中柠檬酸与乙二胺首先形成类似聚合物的产物，随着反应的进行发生碳化反应获得最终的CQDs。当利用不同的激发光源(紫外光、蓝光、绿光)激发时，可以发射出不同颜色的荧光，因此可以用作荧光墨水，在微尺度下进行多色绘图，或用于防伪标识领域。当向溶液中分别加入Fe²⁺及Fe³⁺时，加入Fe³⁺的样品在荧光显微镜下会出现明显的荧光猝灭现象，而加入Fe²⁺样品的荧光强度并未发生明显变化，这使得其在特异性检测Fe³⁺领域具有非常广阔的应用前景。

通过选择沸点较高的有机溶剂，可以轻松实现碳源的碳化而不需要密闭加压，从而避免了高压危险，因此利用溶剂热法对碳源进行碳化处理正在CQDs合成领域得到越来越多的应用。Bhunia等^[40]以糖类作为碳源，利用溶剂热法分别合成了具有亲水性和疏水性的CQDs，它们的直径均小于10nm。疏水性CQDs通过将不同含量的糖类与硬脂胺和十八烯混合，在70~300 ℃条件下反应10~30 min制得；而亲水性CQDs则可以通过在水溶液中加热糖类获得；或者也可以通过将糖类水溶液与浓磷酸混合后在80~90℃下反应1h制备出具有黄色和红色荧光的CQDs。Jia等^[44]利用抗坏血酸与醋酸铜水溶液在90℃油浴条件下连续反应5h，顺利制备出了直径约为3nm的亲水性CQDs，并指出其具有pH敏感性及上转换荧光性质。由于抗坏血酸具有较强的酸性与化学活性，同时凭借铜离子的催化作用，该反应可以在相对较低的温度下进行，但仍需要较长的反应时间，且产物的荧光量子产率较低，仅达到3.22%。

利用热分解法可以获得尺寸分布均匀的CQDs，碳源利用率及荧光量子产率得到显著提高，且在碳源的选择上更加多样化，可以使用日常生活中的农副产品等作为碳源，避免了毒害药品的使用，使整个合成过程更加绿色安全。

微波加热因其快速均匀、性价比高、环境友好等优势在CQDs的合成过程中受到越来越多的关注^[45~48]。利用该法直接或与其他合成方法结合制备CQDs时可以显著地缩短反应时间，一般可控制在几分钟到十几分钟内，显著地提高了合成效率及碳源的利用率，非常适用于快速大量的合成反应。Yang等^[45]分别将葡萄糖、果糖与聚乙二醇(PEG₂₀₀)混合后，利用500W的微波处理混合物2~10 min，原来无色的反应物最终会变为深棕色，这证明了CQDs的生成。所得的CQDs具有明显的光致发光及电化学发光特性。其最大发射光的强度与波长具有激发光波长依赖性；而电化学发光特性与CdSe、CdTe量子点及硅纳米团簇非常相似^[49~52]。在该合成方案中，PEG₂₀₀作为表面钝化剂强化产物的荧光性能，而对于不同的碳源，所得CQDs的荧光量子产率(葡萄糖：6.3%，果糖：3.1%)、颗粒尺寸(葡萄糖：2.75±0.45nm，果糖：3.65±0.60nm)等均会有所不同。

然而，微波加热所获得的CQDS荧光量子产率并不高，制备过程中对温度和加热时间的控制要求比较严格，难以达到精确控制。

综上所述，自下而上合成CQDs时碳源主要发生聚合与碳化的反应，该类方法合成CQDs时碳源的选择范围非常广泛，而不同碳源因为本身所含基团的差异性使得所合成的CQDs具备不同的性质。同时这类方法可以实现CQDs的一步法合成，极大地简化了反应操作。然而，由于多数有机碳源的热解温度均较高，这使得合成反应需要在高温条件下反应较长时间，不利于对整个反应过程实现精确控制。同时由于在反应器中生成的产物与未反应的反应物共存，这很容易引起CQDs的过度生长，甚至产物之间的团聚，因此对于所制备的CQDs的尺寸仍然难以实现精确有效的控制。

为了获得尺寸分布均匀的CQDs，多数合成方法主要依靠合成完毕后对产物进行相应的后期提纯处理，如过滤、透析、色谱分离、离心及凝胶电泳技术等，经过如上处理后可以得到尺寸分布均匀的CQDs。为了在合成过程中实现对产物尺寸的控制，目前可以通过反应物在微反应器内限制性热解法(confined pyrolysis)实现。在微观尺寸下反应物分子之间更加容易发生碰撞，从而可以有效地提高反应的效率；同时在每一个微反应器内，所含反应物的总量是可控的，微反应器的尺寸固定，这使得所制备的CQDs尺寸可以通过控制反应物加入量及微反应器大小来实现。目前反胶束法和模板法在CQDs可控合成领域得到了较好的应用。

反胶束法亦称微乳液法。微乳液通常是指由有机溶剂、表面活性剂、助表面活性剂和水所组成的透明的、各相同性的热力学稳定体系。体系中由于表面活性剂的作用，形成互相隔离的油包水液滴，每一个液滴中单独地发生化学反应而很少有相互间的干扰，从而可以有效地减弱产物的过度生长及相互间的团聚现象。反胶束中纳米微粒的形成过程一般包括化学反应阶段、成核阶段和晶核生长阶段三部分，在反应结束后通过一定手段打破微乳液的平衡，达到水油分离，从而可以分离出反应产物。Kwon等^[53]利用反胶束法可控地合成了荧光量子产率最高可达35%的CQDs。合成过程(图 2A)中以葡萄糖作为碳源，磺基琥珀酸二乙基己酯钠(AOT)为表面活性剂，在癸烷中形成油包水的反胶束，加入十六烷基胺(HAD)作为表面钝化剂用于CQDs的表面改性，在160℃氩气氛围中回流制得尺寸分布均匀的荧光CQDs。制备过程中葡萄糖溶液在油包水液滴中发生聚合反应，随着反应进行，液滴内水被蒸发，聚合产物进一步发生碳化反应，同时破坏微乳液体系，使初步合成的CQDs与液滴外的钝化剂AOT反应，最终可以得到表面包覆AOT的CQDs。通过调节水与表面活性剂的加入比例，可以可控地制备出4种不同尺寸(1.87、2.54、3.24、4.15 nm)的产物，相应的荧光量子产率分别为35%、31%、24%、19%。利用此方法实现了CQDs尺寸及性质的可控合成，体现出了微反应器在CQDs合成领域的应用前景。

模板法是指使反应物在多孔材料的微孔里发生聚合碳化等反应，利用尺寸固定的微孔限制材料的生长，最后通过合适的手段刻蚀掉所用的模板，从而可以收集到产物。所得产物的尺寸大小主要由模板微孔尺寸的大小与均匀程度决定。多孔硅材料由于其多样性、孔径可调节、容易获得等优势被广泛用作微反应器进行纳米材料可控合成。Zhu等^[55]利用介孔氧化硅微球(mesoporous silica，MS)作为模板材料，进行了CQDs的合成研究(图 2B)。制备过程中以柠檬酸作为碳源负载到介孔硅上，在300℃下高温热解2h后，利用氢氧化钠刻蚀除去介孔硅材料，并进行透析处理，最终可以获得尺寸在1.5~2.5nm、荧光量子产率23%的CQDs。它们显示出优异的化学和光稳定性，在365 nm紫外灯照射下可以发射出明亮的蓝色荧光。利用该法合成的CQDs尺寸分布均匀、荧光量子产率高。与此同时，具有核壳结构的聚合物纳米颗粒^{[56, 57]}以及热不稳定性聚合物^[58]均可以作为模板进行CQDs的合成。利用模板法可以制备出尺寸分布均匀的CQDs，但合成过程中对模板微孔大小及均匀程度要求严格，且刻蚀掉模板时会有残余，增加了后期提纯的难度。

利用反胶束法和模板法均可顺利地合成出尺寸均匀、荧光性能良好的CQDs，同时体现出对产物尺寸及性能的有效控制。然而在利用以上两种微反应器进行合成反应时，反应物在微反应器内部并没有有效的内部湍动，只能依靠扩散传质进行相互作用，不利于提高反应效率；同时反应物需要在宏观体系下混合完成，难以进行需要分步加样的多步反应，宏观体系下的混合效果将直接影响每一个微反应器内反应进行的程度及产物的形貌尺寸；另外，最终获得产物的尺寸大小及均匀程度在很大程度上取决于所选用的微反应器的大小及均匀程度。综上所述，反胶束法和模板法可以进行CQDs的合成，这证明了微反应器体系在其合成领域的应用前景，但要达到CQDs的高效可控合成，仍需要对微反应体系进行进一步的改进。

微流控芯片技术(microfluidic chip)指的是在一块几平方厘米的芯片上构建的化学或生物实验室。微流控芯片具有液体流动可控、消耗试样和试剂极少、分析速度大幅提高、高通量筛选等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。常规反应器比表面积只有1.0×10²~1.0×10³ m²/m³，微流控芯片由于尺寸小，比表面积高达1.0×10⁴~5.0×10⁴ m²/m³，热传导率可达1.0×10⁴W·m^-2·K^-1，远高于常规反应器。微流通道小尺寸的特点使物质的扩散距离非常短，由于扩散系数与扩散距离的平方成反比，因此微流控芯片中物质的混合速度得到了极大提升，这使反应物的传质与传热更加高效均匀，而这些特性在宏观反应体系中很难实现^{[59, 60]}。同时，根据晶体生长的LaMer模型^[61]：在晶体制备的开始阶段，溶质浓度随加料而不断上升，当略高于最低成核浓度时，在短时间内将会产生大量的晶核；随后反应物开始通过扩散传质作用向着生成的晶核各向同性地移动，直至达到晶体最终的尺寸。由此可见，溶质浓度的高低是产生晶核和实现粒径增长的直接控制因素，而微流控芯片可以实现对于反应物浓度与比例的有效控制。

由于微流控芯片技术在化学合成领域所具备的独特优势，微流控芯片在微纳结构材料合成领域引起越来越广泛的兴趣。通过对所选用的微流控芯片通道内反应流体水力及热力学参数的精确调控，可以实现对产物形貌结构及尺寸的控制^[62~65]；同时，微流控芯片技术在纳米颗粒、量子点、金属团簇等超小纳米材料的合成领域也得到了成功的应用^[66~69]。

目前微流控芯片技术在CQDs合成领域的应用所见报道虽然较少，却十分成功。Lu等^[70]利用一个微混合器与聚四氟乙烯微管组成了一个简单的微反应体系，基于有机碳源的热分解法进行了CQDs的合成实验。在利用碳前躯体的热分解法合成CQDs时，一般需要较高的反应温度，因此选用热稳定性较好的聚四氟乙烯微管及沸点较高的有机溶剂实现合成反应。实验过程中他们对反应的碳源、添加物、时间、反应物浓度、混合速率、温度等诸多影响CQDs结构及性质的因素进行了筛选。利用该微反应体系顺利地实现了CQDs的合成，同时达到了对各种反应条件的快速筛选(每个反应条件约需15min)。以葡萄糖在甲酰胺里的反应为例：制备过程中葡萄糖作为有机碳源、甲酰胺作为溶剂，利用注射泵注入微流控体系中，调节油浴温度达到180℃，反应时间通过调节注射速度控制为1、2及5 min，收集到的产物通过真空干燥及透析处理后进行TEM分析，结果显示随着反应时间的增加，所得CQDs的平均尺寸分别为1.5、4.5及20 nm，2min所得样品的尺寸及形貌更加均匀，反应时间太短或太长均不利于合成产物形貌尺寸的均一性，这体现出对反应条件有效控制的重要性。相比于宏观方法利用葡萄糖合成CQDs所需的几个到十几个小时^{[71, 72]}，该研究中所需的反应时间得到了极大程度的缩减，显著提高了合成效率。该研究充分证明了微反应体系可以作为一种有效的工具用于CQDs的合成与研究。

Gomez等^[73]利用抗坏血酸作为碳源、二甲基亚砜为溶剂，通过高温热分解法在微流控芯片体系中进行了CQDs的合成实验。他们利用低温共热陶瓷技术(low-temperature co-fired ceramics technology，LTCC)制备出具有多层结构的芯片(图 3A)，其结构可以分为两部分：一部分为加工有“Z”形结构微通道的流体系统(c层)，该种通道设计可以有效地增加流体流动距离从而增加特定流速下在通道内的保留时间，同时可以促使流体内部发生湍动，提高混合效率，避免产物发生团聚；另一部分为包埋在微通道下层的电热丝(h层)，配合温度传感器可以实现对整个反应过程中温度的快速精确监测与控制。通过上述所提到的微流控芯片体系可以实现对整个反应流体力学及热力学条件的精确自动化控制，最终产物经过离心及透析等后期处理以后，得到了直径约为3.3nm的CQDs，其表面富含羧基，荧光量子产率约为2.6%，且具有明显的上转换及下转换荧光性质(图 3B~D)。该研究中所用芯片实现了将整个CQDs的合成反应集成到一块微流控芯片上，加样、温度控制可以通过计算机自动化控制，极大地简化了操作过程。所得CQDs性质优异，在pH传感与生物成像领域具有广阔的应用前景。

综上所述，微流控芯片技术在CQDs合成领域已经显示出其所具有的独特优势，成功实现了CQDs的尺寸可控合成，可对各种反应条件快速筛选，显著缩减了反应时间；所得CQDs的荧光性质优异，具有广阔的应用前景。但目前利用该技术合成CQDs的研究尚处于起步阶段，选取的反应体系主要是基于碳源的高温热解反应，因此所需反应温度较高，对微流控芯片的要求比较苛刻；未能在微流控芯片上对所获得的CQDs进行表面修饰、钝化等处理，芯片功能的集成化不高；同时合成出的CQDs组成仍然较复杂，需要进一步的后期提纯处理，未能实现产物的原位应用；再是，CQDs的合成过程大多十分缓慢，需要长时间反应保证CQDs的生成，但微流控芯片本身小体积的特性很难保证微流体在芯片内具有足够的反应时间。

碳量子点作为碳纳米材料家族的一颗新星，对其研究工作主要集中在不同合成方法，不同性质的探究及应用开发上。目前CQDs合成方法日益高效、高产率、性质优异且环境友好，但所得CQDs结构、表面性质及尺寸的控制正逐渐成为研究的热点。反胶束及介孔材料作为微反应器被应用于CQDs合成，实现了CQDs尺寸及性质可控合成，但仍存在产物性质对微反应器大小及均匀程度的依赖性等问题。微流控芯片因其小体积、高比表面积及自动化精确控制等优势已成功应用于CQDs的合成领域，初步实现了产物尺寸的可控合成、不同反应条件的快速筛选、简化反应操作并提高反应效率。解决了宏观反应器合成中所遇到的诸多难点，因此微流控芯片技术有望为CQD的合成提供一个安全、高效、可控的平台。

微流控芯片合成CQDs的研究已展现出了独特的优势，通过分析总结前人的研究工作，以下几个方面将可能成为微流控芯片合成CQDs研究的重点：提高所用微流控芯片功能的集成化，在芯片上实现反应物的混合与反应，产物的修饰、提纯及原位应用，真正将CQDs的制备与应用集成到一块微小的芯片上；目前利用微流控芯片合成CQDs的研究主要基于碳前躯体的高温热解反应，可以尝试采用不同的样品处理手段进行制备，如在芯片内加工电极进行电化学合成，利用微波加热平台在芯片内实现微波加热合成等；解决CQDs制备耗时与微流控芯片小体积的矛盾，微流控芯片可以有效地提高反应物混合与反应的效率，通过合理的设计制作微流控芯片可以延长反应物在微通道内的保留时间，使合成反应顺利进行。笔者课题组设计制作了一款蛇形通道与螺旋形通道组合的微流控芯片用于CQDs的制备，该芯片可以实现反应物的快速混合，并保证反应物在芯片内拥有足够的保留时间，最终可以收集到具有明显荧光特性的CQDs产物。