光致发光性能，结合其广泛的吸收光谱、大吸收系数，以及在极性溶剂中良好的溶解性，使得碳量子点适合替代半导体量子点和贵重金属应用于光伏和光催化领域。大多数碳量子点在紫外光（330～420nm）下激发，依据其尺寸在400～699nm范围可产生光致发光。然而，研究发现碳量子点的发射波长依赖于其尺寸的大小，其自身无法根据目标发挥特性[李等（Lee S.et al.），2007]。

碳量子点的优越性体现在高水溶性、稳定的化学惰性、易于官能化、高耐光漂白性、低毒性、良好的生物相容性，这些特性使其可用于多种生物应用领域。

然而，即使碳量子点拥有这些神奇的特性，仍然需要对其进行非常详细的研究才能开发其在纳米技术和纳米医学领域的应用。在短期内，碳量子点已在各种应用中展示了其巨大潜力，如传感器、生物标记、光催化和光电器件等。

3.2.4.1 传感器的设计

碳量子点有较强的类过氧化物酶的活性。基于这种内在的过氧化物酶的活性，简单的且低成本的、具有较高选择性和灵敏度的比色和定量测定生物分子的检测方法得到充分发展。

基于其优良的性能，碳量子点可应用于传感器，如用于DNA亚硝酸盐检测的生物传感器，以及磷酸盐、葡萄糖、甲胎蛋白或金属离子传感器等。研究显示：使用未修饰的碳量子点作为检测汞离子（Hg²⁺）和生物巯基化合物的新型且环保的荧光探针，具有高灵敏度和高选择性。碳量子点探针应用于荧光汞离子的检测，基于汞离子引起CDs的荧光猝灭。该传感系统对汞离子具有极好的灵敏度和选择性，检测下限可达到0.23nM。该系统实际应用于检测湖水中的汞离子也已取得了成功[震林（Zhen Lin），2011]。

3.2.4.2 生物成像

应用于生物体内诊断的生物成像传感器，必须具有无毒性和生物相容性。与通常含镉的量子点相比，碳量子点由无毒性的元素组成，这使它们成为应用前景广阔的生物分析工具。对碳量子点的成像潜力初步评估是使用标记的大肠杆菌ATCC 25922细胞完成的。由共聚焦显微镜记录Caco-2细胞对碳量子点的摄取。

给小鼠注射碳量子点，其在小鼠体内仍可发出强烈的荧光，加上其生物相容性和无毒的特点，在光学成像和相关的生物医学应用领域具有极大的潜力。

用405nm和488nm的激光激发活细胞成像可在共聚焦显微镜下完成，在碳量子点帮助下人骨肉瘤细胞株MG63的荧光被收集在蓝色和绿色区域。

用碳量子点溶液或CZnS点溶液对雌性DBA/1小鼠进行皮下注射，在活体成像系统lumazone FA中成像。皮下注射的小鼠的荧光图像表现为np明亮发光，约24h后荧光消失[那伽普拉萨德·普瓦达（Nagaprasad Puwada），2012]。

研究人员为了提高碳量子点生物成像的能力，使用了以下数种方式。

1）用氮或硫掺杂[东等（Dong et al.），2013]。然而，即使没有官能化，碳量子点也显示其进入细胞的能力，雷等（Ray et al.，2009）在细胞成像方面使用了这样的碳量子点。

2）用支链聚合物表面钝化碳量子点，可用于小鼠模型的淋巴结成像[吴等（Wu et al.），2013]。

3）黄等（Huang et al.，2012）用荧光染料标记碳量子点吸收近红外光，研究其在体内的生物分布；通过与染料Ce6结合，使用光动力疗法，可以抑制肿瘤的生长。

4）将碳量子点与氧化铁结合注入大鼠，进行近红外筛选时，发现其出现在脾脏样本中[斯里瓦斯塔瓦等（Srivastava et al.），2012]。

5）制备碳量子点和介孔二氧化硅复合物。沙伦研究组（Sharon’s group）使用稻壳制备出嵌在介孔SiO₂中的高绿色荧光（紫外线下）碳量子点。这种复合物可用于标记酵母细胞，因为真菌是典型的真核生物。此外，对Vero细胞来说，介孔SiO₂/碳量子点复合物被认为具有高度的生物相容性[潘迪（Pandey et al.），2013]。

研究人员使用碳量子点从不同的角度对各种细胞的生物成像进行了研究。张等（Zhang et al.，2010）证明了多巴胺和纤维素衍生的碳量子点可用于细胞成像。同样，魏等（Wei et al.，2010）用纸灰合成碳量子点并用于L02肝细胞的细胞定位。陈等（Chen et al.）用油修饰蔗糖衍生的碳量子点，用于16HBE细胞的成像，而张等用BSA和十三烷二胺（TTDDA）来观察结肠癌细胞。

3.2.4.3 药物传输

由于其优异的光学特性和较小的尺寸，半导体量子点碲化镉（CdTe）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）广泛应用于生物成像和生物传感器中。然而，作为重金属，它们具有细胞毒性，因此重金属量子点的实际应用在生物细胞领域受到了限制。随着碳量子点的出现，因其具有许多有利于细胞的特性，科学家正在探索开发碳量子点作为药物和营养输送的特性。碳量子点的以下特性注定它们可成为合适的药物传输载体。(www.daowen.com)

1）生物相容性。碳作为惰性物质，不会对细胞产生任何毒性作用，可用于体内生物学分析。目前为止，没有出现碳量子点对细胞或小鼠产生毒性的报道。

2）可调谐光学性质。由于其优良的可调谐光学性质，碳量子点备受关注。与块状材料相比，它有着量子点和纳米粒子的特性，依据需求，可依赖尺寸调节光物理性质。

3）水溶性。在药物传输和生物成像的应用方面，与传统的量子点相比，水溶性的碳量子点具有特殊的一项优势，使得碳量子点与药物及其他重要分子的采集和官能化变得容易，并减小了由其他无机溶剂引发的毒性。此外，其合成、纯化和存储也变得简单。

4）耐光漂白性。有关碳量子点荧光发射的论述已有很多，说明了其具有比较耐光漂白的特性。这也是一个普遍观察到的量子点的特性，从而导致其闪烁的性质，由于信号较弱也妨碍了传感器检测的精确性。另一方面，碳量子点的荧光发射可保持长时间的稳定性，且其光致发光光谱没有改变。

不仅在细胞质方面[么瓦达等（Mewada et al.），2013]，在细胞膜方面也可观测到碳量子点[张等（Zhang et al.），2012]。

沙伦研究组（Sharon’s group）展现了碳量子点特定靶向的潜力，在治疗神经系统退行性疾病中使用抗体和/或肿瘤靶向配体，来传输抗生素和碳量子点官能化的金纳米棒作为三官能纳米虫，即运用于肿瘤药物传输、光热治疗和生物成像[么瓦达等（Mewada et al.），2014；潘迪等（Pandey et al.），2013；塔库尔等（Thakur et al.），2014；潘迪等（Pandey et al.），2013]。

用山梨醇制备的碳量子点可用于阿霉素[一种使用叶酸（FA）为导航分子的抗癌药物]的靶向传递。叶酸在大多数肿瘤细胞中呈高表达，因此它适合靶向传递抗癌药物。然而，在阿霉素附着前，碳量子点的表面需要用牛血清白蛋白进行保护，使其更具有生物相容性，使它们能够附着并持有大量药物。么瓦达等在2013年的研究显示了在人宫颈癌（HeLa）细胞中碳量子点和叶酸特定靶向的内化现象。

最近，制备出了一种独特的碳量子点和金纳米棒的混合物。这一混合物通过共价或非共价pH敏感化学键可用于锚定阿霉素，因其具有典型的依赖尺寸和形状的特性，尝试将其用于光热治疗以及治剂的传输。这些碳量子点和金纳米棒适用于在理想的生理条件下有控制地释放阿霉素。该化合物另一个有益的属性是在近红外（NIR）辐射（808nm）的影响下，在高载药量和药物快速释放时具有协同作用，从而证明了具有高度生物相容性的热化疗可用于实体瘤的治疗（么瓦达等，2013）。

半胱氨酸盐酸盐（CysHCl）保护的碳量子点具有用于药物传输（氟哌啶醇）的潜力，可用来治疗神经退行性疾病，如精神分裂症。在移植氟哌啶醇至表面以便于在生理条件下控制药物的释放之前，半胱氨酸盐酸盐被用作无毒的链接器来官能化碳量子点。到目前为止，研究发现氟哌啶醇的持续释放时间已超过40h。与孤零零的氟哌啶醇相比，碳量子点-半胱氨酸盐酸盐-氟哌啶醇共轭显示出在pH值为7.2时，其与马丁达比狗肾（MDCK）细胞具有更高的相容性[潘迪等（Pandey et al.），2013]。

用牛血清白蛋白制备的空心发光碳点也被尝试用于pH-控制的阿霉素的传输[王等（Wang et al.），2013]。

3.2.4.4 光电子学及体内生物传感应用

高耐光漂白性使碳量子点成为在光电子学及体内生物传感应用领域极具吸引力的材料[阿比拉斯（Abhilash），2010]。碳量子点也用作荧光传感器，用于金属离子与DNA的检测，也可用作发光器件（LED）的发光材料。碳量子点具有有趣的光诱导电子转移的特性，在光能量的转换、光伏设备及相关的应用方面有着令人兴奋的机会。

3.2.4.5 光催化

碳量子点的光催化特性可用于染料分子的降解。在降解甲基橙方面，碳量子点具有过氧化物模拟酶的功能以及可见光敏感光催化活性[李（Li），2010]。此外，通过简单的水热法将碳量子点与二氧化钛结合，可得到一种新型光催化剂二氧化钛/碳量子点（TiO₂/C-dots）。值得注意的是，这种材料具有优异的可见光催化活性。

3.2.4.6 表面增强拉曼散射

金（Au）纳米粒子已广泛用于增强拉曼散射的效果，这种现象称为表面增强拉曼散射（SERS）效应。其增强的效果被认为是由于在金属表面上，其表面等离子体共振（SPR）的激发，极大地增强了表面附近的局部电场。作为能够识别痕量分子的超灵敏检测技术，表面增强拉曼散射的重要应用体现在化学、生物学和材料科学等领域。传统的SERS基底是在平坦表面放置金属纳米粒子，从而得到有限的表面积。纳米孔表面具有更大的表面积，用其代替这些平面，可吸收更多分子输出SERS信号，从而进一步提高拉曼检测的灵敏度[彭和特拉瓦斯（Peng and Travas-Sejdic），2009]。通过预装二维或三维二氧化硅胶体模板，碳量子点作为基本构件可用于控制宏观蜂窝结构的构建。生成的碳量子点蜂窝结构不仅可作为牺牲模板，用以制备由其他官能材料制成的新纳米结构，也可以提供一个新的平台，用以制备比广泛使用的金纳米薄膜更高效的SERS基底（通过用交叉堆叠的独特的超顺排纳米孔碳纳米管薄膜来代替平面，拉曼增强效应可获得极大的提高）。

3.2.4.7 与健康和生物相关的应用

随着一种新的多元化材料的概念在医疗过程、医学和医疗植入中的引入，在诊断学、医疗植入、生物传感器、生物芯片和组织工程支架、传感和成像等领域对新材料如纳米材料、量子点等的研发工作一直在进行。这些应用需要的功能材料，可用于形成生物响应，实现预期功能，如未引发该疗法的受者或受益者任何局部或全身性的不良反应的药物治疗，在特定情况下能生成最适当的有益的细胞或组织反应。优化某一疗法的相关临床表现可称为生物相容性，这是碳量子点最为吸引人的特性。

由于碳是几乎所有有机物的主要成分，它具有生物相容性，并且由于具有物理化学和光化学的稳定性，使其成为广为首选的材料。由于具有无毒性和替代传统的重金属量子点的潜力，碳量子点在健康和生物相关的应用方面已产生了巨大的影响。荧光碳量子点在生物标记和生物医学领域引起了广泛的关注。此外，在污染物检测方面，由于其低毒性、化学惰性和生物相容性，碳量子点也优于传统的无机量子点。