由于具有原位，实时，无损检测目标物的优势，荧光探针已成为疾病诊断以及环境和食品安全监控领域必不可少的工具。现代科学技术的发展对传感技术提出了新的挑战和要求，例如在复杂的实际样品中提高灵敏度，更好的选择性以及高通量可视化检测。荧光碳点（CDs）是一种新型的碳纳米材料，因其出色的生物相容性，可调的荧光特性，良好的光稳定性以及易于合成和表面修饰而备受关注，并且在荧光传感和成像应用中显示出巨大潜力。

近日，中南大学蓝敏焕教授与广西大学曾林涛教授总结了基于CDs的荧光探针的最新进展，包括CDs荧光探针的设计策略，传感机制及其在公共安全物质，生物活性分子，和无机盐的高灵敏和选择性检测中的应用（图1），并总结了现有的CDs荧光探针面临的挑战，以及展望了克服当前开发的基于CDs的荧光探针在实际应用中难题可能的策略，这对将来设计有效的基于CDs的荧光探针有重要指导意义。相关工作发表在Coordination Chemistry Reviews, DOI: 10.1016/j.ccr.2020.213686。

图1. 本综述的主要内容

根据识别基团与被分析物之间的相互作用，基于CDs的荧光探针的设计策略主要可以分为两大类:超分子相互作用和化学反应。通过超分子相互作用来识别分析物包括氢键作用、静电作用、配位作用、抗原抗体相互作用以及核酸适配体与目标分子的特异性结合。此外，识别基团还可以识别被分析物是否经历了特定的化学反应，包括催化反应、氧化还原反应、加成反应、保护和脱保护反应，使荧光团的光谱性质发生变化。这两种策略的不同之处在于超分子相互作用是非共价的，是可逆的，而后者涉及共价键的形成，是不可逆的。一般来说，基于CDs的荧光探针有六种传感机理。如图2所示，它们分别是光诱导电子转移(PET)、分子内电荷转移(ICT)、荧光共振能量转移(FRET)、内过滤效应(IFE)、聚集诱导猝灭效应(ACQ)和聚集诱导发射(AIE)。文中详细讨论了每种机理的光化学过程。

图2.碳点作为荧光探针用于传感的机理的示意图

PET由信号响应单元通过短的连接基团与识别受体连接组成。在这个体系中，由于受体和荧光团之间的电子转移，导致荧光猝灭。PET按电子转移方向可分为a-PET和d-PET两类。在a-PET中，受体最高占据分子轨道(HOMO)的能级高于荧光团的能级，电子从受体转移到荧光团。相反，在d-PET中，电子从荧光团的激发态转移到受体的最低未占据分子轨道(LUMO)。然而，当受体选择性地识别分析物时，PET过程被中断，致使荧光团的荧光被恢复。

ICT由一个电子供体(D)和一个电子受体(A)，形成一个大的D- π -A共轭结构。分析物的加入会影响D或A的推或拉电子能力，从而导致荧光光谱的蓝移或红移。此外，在加入分析物后，ICT探针的荧光寿命和量子效率也会发生相应变化。

FRET包含两个荧光团，一个是能量供体，另一个是能量受体。在FRET过程中必须满足两个条件：(1)供体的发射和受体的吸收光谱重叠，(2)供体和受体之间有小于10 nm的距离要求。当供体的激发波长用于激发荧光探针时，从供体到受体发生非辐射能量转移，因此，受体发出荧光。然而，分析物的加入可能会改变供体和受体之间的距离或改变供体或受体的吸收或发射光谱，从而干扰FRET过程，导致荧光波长和强度的变化。显然，FRET过程发生在供体的激发态，导致荧光猝灭和寿命降低。

IFE也取决于荧光团和吸收体之间的光谱重叠。与FRET不同的是，IFE来源于辐射能量转移，并且供体的能量扰动主要发生在基态。因此，IFE中只影响荧光强度和波长，荧光寿命无明显变化。此外，与FRET的另一个主要区别是，在IFE中，能量供体和吸收体之间没有距离要求。

大多数荧光团在稀溶液中表现出较强的荧光，但在高浓度或固态时，荧光性能下降甚至完全消失。这种现象称为ACQ。导致荧光猝灭的原因有很多，可能的机理包括：(1)荧光团与猝灭体之间的碰撞，(2)高浓度荧光团的自猝灭。ACQ探针可能受到许多因素的影响，如堆积、氢键、疏水效应和静电吸引。

6. 聚集诱导发射(AIE)

AIE是一种与ACQ效应完全相反的发光效应。AIE材料在稀溶液中不发光，但在高浓度或固体中却显示出强的荧光。这种现象是因为稀溶液中分子的动态分子内旋转耗散了它们的激发态能量。在聚集状态下，分子内旋转被极大地阻碍，导致非辐射能量衰减和荧光增强。

尽管基于CDs的荧光探针用于分析物的检测已经取得了一些进展，但仍然存在许多问题和挑战，包括：(1) CDs的确切发光机理尚不清楚，难以有效地设计荧光探针和理解其传感机理；(2) CDs的合成、纯化和表面修饰难度大，可控制、可扩展合成困难，导致基于CDs的探针重现性差；(3) 基于CDs的探针检测复杂样品的灵敏度和选择性有待进一步提高。

为解决上述问题，本文提出需要在以下几个方面继续研究和改进：(1)设计合成简单有机分子作为碳源制备CDs，这有助于更好地理解CDs的发光特性，实现CDs的可控和可扩展合成。(2)优化碳源的化学结构、合成工艺、杂原子掺杂、表面修饰以制备具有高荧光量子产率的CDs。(3)设计基于CDs的传感阵列，实现复杂样本中目标的高通量快速视觉检测。(4)与其他传感技术相结合，如电化学传感器、分子印迹聚合物(MIP)，以提高选择性和准确性。