一、综述摘要

近红外（NIR）荧光碳点（CDs）凭借其固有的生物相容性、光稳定性、可调发射特性和结构多样性，已成为先进生物成像、传感和诊疗应用的极具潜力的纳米材料。然而，由于量子限制、表面态和结构修饰之间的复杂相互作用，实现强、稳定且可预测的近红外发射仍是一项重大挑战。在合成方面，利用明确的分子前驱体、精确控制的杂原子掺杂和缺陷工程，为调节发光中心和实现可重复、高性能的近红外荧光提供了系统方法。本综述揭示了这些主导因素之间隐藏的平衡，并从统一的机理角度阐述了sp2/sp3域工程、杂原子掺杂、缺陷调制和供体 - 受体相互作用如何共同决定长波长发射。文章全面讨论了从自上而下到自下而上的合成路线，重点强调了前驱体化学、反应环境和合成后处理如何影响碳点的电子结构和光物理行为。尽管在优化碳点功能方面取得了显著进展，但诸如合成不一致、发射机理未明确以及临床转化准备不足等关键障碍仍在阻碍其临床应用。通过将基础光物理与新兴的生物医学和光电子应用相结合，本综述概述了下一代近红外发射碳点合理开发的关键设计原则和未来方向。

二、研究背景

荧光纳米材料的出现彻底改变了生物医学成像和诊断领域，催生了具有高灵敏度、增强组织穿透性和出色空间分辨率的探针。除传统成像方式外，这些荧光材料还能实时可视化生物事件，为精准疾病诊断和治疗监测提供支持。各类纳米材料已被设计为荧光探针，其中碳基纳米材料因兼具固有荧光、高光稳定性和优异生物相容性，成为极具吸引力的候选材料。

碳点作为下一代荧光材料，凭借可调发射波长、良好水稳定性和便捷的表面功能化，在生物医学领域应用广泛。然而，大多数碳点的发射主要集中在可见光区域，实现强近红外荧光（尤其是第二近红外窗口，NIR-II，1000-1700 nm）仍是重大挑战。NIR-II 区域对于光学成像至关重要，因其能实现更深的组织光穿透、减少光子散射并最大限度降低背景自发荧光，是获取清晰、高对比度和高分辨率图像的关键。因此，合理设计和合成近红外发射碳点已成为紧迫的研究前沿，其应用不仅局限于生物医学成像，还涵盖传感、光通信和能源技术等先进领域。

碳点是零维纳米材料，核心富含碳，表面修饰有羟基、羧基和羰基等官能团，核心结晶状态取决于碳化程度。其光学性质由表面化学和内部结构共同决定，可通过多种方法调控，但调节光学性质以实现稳定高效的近红外发射仍面临挑战，主要源于量子限制效应和表面态之间的复杂相互作用。尽管石墨烯量子点的近红外荧光机理已相对明确，但其他非对称碳点的近红外发射机理仍模糊不清，加之缺乏标准化合成方案和结构控制，导致颗粒分布不均、批次间发射行为不一致，这些问题严重阻碍了高性能近红外发射碳点的合理设计。

近年来，研究人员采用多种先进策略克服上述限制，如杂原子掺杂、表面功能化、扩大sp2共轭域、与金属有机框架等杂交等，已开发出可实现体内实时成像的 NIR-II 碳点。然而，可重复合成路线的缺乏和近红外荧光机理的不确定性仍限制着高性能碳点的合理设计。现有综述多聚焦红色发射或可见光区域，忽视了支配近红外发射的量子限制与结构修饰之间的微妙平衡，本综述旨在填补这一研究空白。

三、研究进展

3.1 碳点的荧光机理

碳点的荧光机理是纳米碳研究中最具争议和复杂性的课题之一。与石墨烯量子点等结构明确的体系不同，碳点的发射路径高度依赖于合成条件、表面态和内部结构，其荧光起源包括量子限制、表面缺陷发射和分子态荧光等多种机制，多数情况下是碳核心与表面官能团协同作用的结果。

3.1.1 量子限制与sp2域的作用

量子限制在定义碳点的光物理行为（尤其是近红外发射能力）中起着核心作用。碳点中的纳米级sp2/sp3域使电子和空穴受到空间限制，当石墨域尺寸接近或小于激子玻尔半径时，连续的电子能带结构会坍缩为离散能级，实现光学性质的可调性。域尺寸与电子结构的这种相互作用是碳点光谱灵活性的根本原因之一：较小的受限域会增大带隙，导致发射蓝移；较大的域则会减弱限制并减小带隙，促进红色或近红外荧光。

碳化程度和 π 共轭程度直接影响碳点的光学带隙，例如较高比例的 CO 和石墨氮会因增强离域化和受电子表面态而促进发射红移，水热合成温度的升高会扩大sp2域，推动发射从分子态向碳核心主导转变，实现近红外荧光。但传统量子尺寸关系难以完全解释碳点的发射行为，其异质性域、多种缺陷态和不同氧化程度会模糊经典关系，电子尺寸而非整体粒径才是发射的决定因素，建立直接的结构 - 性能关系仍需对sp2域尺寸、域间耦合和缺陷密度进行精确定量。

3.1.2 表面态与化学功能化

表面态对碳点的光物理行为（尤其是近红外发射体系）起着关键作用，其源于表面官能团、缺陷位点、杂原子掺杂和部分氧化的碳原子，在带隙内引入离散电子能级。高温脱水、碳化和聚合过程会在表面生成多种官能团，N、S、P、Se 等杂原子的掺杂会进一步改变电子密度并产生浅陷阱或深陷阱态，这些化学诱导的表面态为激子捕获和辐射复合提供了替代路径。

表面态工程是实现碳点近红外发射的有力策略，但仍存在诸多限制。发射对化学环境的强依赖性挑战了传统基于尺寸的光物理解释，且缺乏将化学功能化与能级演变相关联的标准化方法，导致相似功能化策略产生不一致的发射行为。要可靠地调控表面态，需要将先进光谱学、原子分辨率结构成像和受控合成设计相结合。

3.1.3 核壳协同效应与激发态动力学

碳点的核壳协同效应阐述了碳核心（sp2共轭域）与表面态（官能团、缺陷或掺杂剂）之间的协同相互作用，共同决定激发态行为和光致发光。光激发后，碳核心中的电子被激发至高能态，随后弛豫至低能态并可将能量转移至表面陷阱，表面态分为非发光能级和发光能级，其中发光表面态是近红外发射的主要来源。

瞬态吸收光谱研究揭示了碳点光致发光源于碳核心与表面态的协同作用，激发态动力学涉及多种弛豫通道。第一性原理计算表明，共轭结构的刚性和表面功能化会显著调节碳点的激发态电子分布和发射特性，增强刚性会导致更均匀的波函数离域化和更窄的发射谱，吸电子基团会增加波函数局域化和光谱展宽，给电子基团则有利于离域激发态和较窄的发射带。

3.2 影响红移和近红外发射的因素

碳点的光学性质（尤其是红色和近红外发射能力）对内在和外在因素的组合高度敏感，其红移和近红外发射源于量子限制、表面态和sp2域电子结构之间的相互作用。

3.2.1 碳源选择

碳源的选择是决定碳点结构和光物理性质的关键因素，直接影响sp2域的形成、表面态和最终的红移及近红外发射。酚类、芳香胺、多环芳烃等苯衍生物和聚噻吩衍生物常被用作碳源，富含氧或氮的前驱体可生成表面陷阱和供体 - 受体位点，稳定低能态激子，增强近红外荧光。

目前碳点合成多采用传统小分子、聚合物或生物质作为前驱体，易导致结构可变和近红外发射不一致。未来研究应利用具有预组织共轭框架或固有供体 - 受体基序的分子前驱体，结合计算筛选和模板化碳化技术，实现从经验性前驱体选择向结构导向碳源设计的转变。

3.2.2 溶剂选择

合成过程中使用的溶剂对碳点的表面特性和荧光有显著影响，具有较高质子化能力和较低粘度的溶剂可减少表面非辐射电荷复合，增强近红外吸收和发射，并促进碳化和脱水，增加 N 含量和sp2共轭域尺寸。溶剂选择可通过调节碳化和脱水程度来操控碳点的尺寸和石墨化程度，进而改变发射波长。

3.2.3 杂原子掺杂

杂原子掺杂是调节碳点电子结构和光学性质的有效策略，N、P、S、B、Si 等杂原子的掺杂可通过在sp2碳晶格中引入原子，破坏晶格并产生新能级，使发射波长向红端移动。非金属原子掺杂通过扩大sp2共轭域和建立特定共价相互作用生成新能级来改变带隙，金属离子掺杂则通过与碳点上的亲电基团结合改变内部电子环境，调节光学特性。

F 掺杂凭借强电负性和受电子能力，成为调节碳点电子和光学性质的重要策略，可有效调控电荷分布、诱导表面偶极子并促进带隙变窄，氟官能团还能增强膜通透性，有利于细胞摄取和生物成像应用。但杂原子掺杂仍面临掺杂位点、浓度和与碳核心相互作用表征不佳、过度掺杂易产生非辐射缺陷等挑战，未来需聚焦精确掺杂工程，结合先进表征技术和多杂原子共掺杂体系设计。

3.3 碳点的合成方法

碳点的合成方法主要分为自上而下和自下而上两类，前者通过物理、化学或电化学方法将碳质材料破碎为纳米级碳点，后者包括有机小分子的碳化或小型芳香族化合物的逐步聚合。

3.3.1 自上而下合成方法

自上而下方法通过物理、化学或电化学手段将块状碳质材料分解为纳米级碳点，常用方法包括电弧放电法、激光烧蚀法、超声处理法和电化学 / 化学氧化法。电弧放电法利用高能等离子体使碳前驱体碎片化并重组为纳米级碳点，但技术复杂且需大量纯化步骤；激光烧蚀法通过高能激光脉冲使碳质材料蒸发并结晶为碳点，能产出高质量碳点但 scalability 和粒径控制存在挑战；超声处理法利用超声波产生的能量破碎大尺寸碳基材料，成本效益高但难以控制粒径分布和表面功能；电化学 / 化学氧化法通过氧化还原反应合成碳点，效率高、可规模化但依赖强氧化剂，存在环境和安全问题，且表面功能化的一致性难以保证。

3.3.2 自下而上合成方法

自下而上方法具有前驱体无毒价廉、反应流程简单、设备要求低、粒径、形貌和光学性质可控性好、量子产率和重现性高等优势，常用方法包括热解法、水热 / 溶剂热法、微波辅助合成法、模板法和燃烧法。热解法通过有机前驱体的直接碳化合成碳点，可扩展性强、成本低但尺寸控制和重现性面临挑战；水热 / 溶剂热法在密封高压釜中实现前驱体向碳点的转化，安全环保但难以产出理想近红外发射碳点，溶剂热法合成的碳点水分散性有限；微波辅助合成法利用微波均匀加热反应混合物，快速、节能且重现性好；模板法能实现尺寸和结构控制，可生产单分散碳点但流程复杂、模板去除易导致颗粒形貌不完善；燃烧法利用简单原料合成碳点，无需表面钝化即可产生荧光但量子产率低，粒径和形貌控制有限。

四、总体结论

近红外荧光碳点作为一类快速发展的纳米材料，在深层组织成像、多模态诊断、光疗、靶向药物递送和光电子技术等领域具有巨大潜力，其多功能性源于电子结构的丰富可调性。碳点的近红外荧光并非源于单一路径，而是量子限制、sp2域扩展、缺陷工程、杂原子掺杂和供体 - 受体相互作用之间微妙平衡的结果，理解和控制这些因素是实现强、稳定且可重复近红外发射的关键。

在合成策略方面，受控碳化、溶剂热工程、模板导向生长和定制掺杂等技术的显著进步，已使碳点的波长可调性、量子产率和多功能性得到提升，能够实现多模态成像、光热 / 光动力治疗一体化和实时影像引导治疗。然而，该领域仍面临诸多挑战：合成的变异性、批次重现性差、结构异质性、机理理解不完整以及严格的转化要求，这些因素持续制约着碳点的临床进展。

未来研究应优先关注标准化制备方案的建立、定量结构 - 性能关系的构建、先进光谱学和理论建模的应用，以及在符合监管框架下的全面生物评价。此外，人工智能和机器学习辅助策略有望显著减少对传统试错合成方法的依赖，实现下一代碳基光诊疗平台的合理、高效和可预测设计。随着创新的不断推进和多学科的协同努力，碳点技术从实验室向临床和工业应用的转化日益可行。

五、图文概览

图式 1、近红外发射碳点的合成方法、荧光机理和未来展望；图式 2、碳点的不同合成方法，包括自上而下方法（电弧放电、激光烧蚀、超声处理、电化学 / 化学氧化、模板法、热法）和自下而上方法（微波辅助合成、燃烧法、水热 / 溶剂热法）；

图 1、(a) 制备近红外碳点（NIR-CPDs）的两步水热 / 克脑文盖尔方法的示意图，CPDs-CHO 的整体合成路线及其后续 NIR-CPDs 的形成过程；(b) 用于生成 CPDs-CHO 和 NIR-CPDs 的代表性前驱体选择；(c) 吲哚 - a1、R1-CHO 和 CPDs R1-a1 的 ¹H NMR 光谱；(d) CPDs-CHO 和 NIR-CPDs 的照片及近红外 - II 发射（900 nm 以上）；(e) 不同碳前驱体的 NIR-CPDs 在各种长通（LP）滤光片下的荧光强度统计；(f) a 系列 NIR-CPDs 在二甲基亚砜（DMSO）和磷酸盐缓冲液（PBS）中的吸收光谱；(g) b 系列 NIR-CPDs 的吸收光谱，由于水溶性差，在 PBS 中无明显可检测信号；(h) 在 808 nm 激发（63.2 mW・cm⁻²）下，PBS 中的 NIR-CPDs R1-a1 与同等光密度（808 nm）的吲哚菁绿（ICG）在 PBS、牛血清白蛋白（BSA，50 mg・mL⁻¹）和胎牛血清（FBS）中的光稳定性对比，数据以平均值 ± 标准差表示；

图 2、(a) 近红外 - PCNDs 的制备和应用示意图；(b) 透射电子显微镜（TEM）图像；(c) 高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；(d) 快速傅里叶变换（FFT）图谱；(e) 显示颗粒形貌的原子力显微镜（AFM）图像；(f) 傅里叶变换红外光谱（FTIR）；(g) 描述表面官能团和元素组成的 X 射线光电子能谱（XPS）；

图 3、(a) 紫外 - 可见吸收光谱、荧光激发光谱和发射光谱（插图：日光和白光下的照片）；(b) 不同激发波长下的荧光光谱（插图：阳光下的照片）；(c) 飞秒瞬态吸收光谱；(d) 不同探测波长下的瞬态吸收时间曲线（实线为拟合曲线）；(e) 800 nm 飞秒脉冲激光不同功率下的双光子光谱（插图：800 nm 激发下的照片）；(f) 双光子发射强度与激光功率平方的相关性；(g, h) 低刚性和高刚性共轭结构的计算波函数分布，展示结构刚性诱导的不同电子局域化程度；(i) 低刚性共轭结构的模拟荧光光谱（插图为相应分子构型）；(j) 高刚性共轭结构的模拟荧光光谱（插图为优化分子结构（上）和对应的 HRTEM 图像（下））；(k-m) 羧基（COOH-）、羟基（OH-）和氨基（NH₂-）功能化碳点的计算波函数和荧光光谱，突出表面官能团对激发态电子分布的影响；

图 4、(a, b) 碳纳米点（CNDs）的 HRTEM 图像，显示清晰的晶格条纹；(c) CNDs 的 AFM 图像；(d) 双层石墨烯 AA 堆积的俯视图和侧视图；(e) sp3/sp2碳比为 1:1 的 AA 堆积双层石墨烯超胞的优化原子结构；(f) sp3/sp2碳比为 3:4 的双层石墨烯超胞的优化原子结构；(g) sp3/sp2碳比为 1:2 的 AA 堆积三层石墨烯的优化原子结构；(h, i) sp3/sp2碳比为 1:2 的 AA 堆积四层石墨烯的优化原子结构；(j) 对应于 (e)、(g)、(h) 和 (i) 所示碳结构的态密度（DOS）；(k) (e) 和 (f) 所示双层石墨烯结构的态密度对比；

图 5、碳点的表征：(a) 碳点的 TEM 图像（插图为粒径分布 diagram）；(b) 碳点的 TEM 和 HRTEM（插图）图像；(c) 碳点的 AFM 图像（插图为高度剖面分析）；(d) 碳点的拉曼光谱；(e) 碳点的 FTIR 光谱；(f) 碳点和 3,4,9,10 - 苝四甲酸二酐（PTCDA）的 XPS 全谱；(g) 碳点的 C 1s 高分辨率 XPS 光谱；(h) 碳点的 O 1s 高分辨率 XPS 光谱；(i) 碳点的 N 1s 高分辨率 XPS 光谱；

图 6、碳点和聚乙烯亚胺（PEI）修饰碳点（PEI-CDs）的光学表征：(a) 稀 DMF 中 PTCDA、水溶液中碳点和 PEI-CDs 的紫外 - 可见吸收曲线；(b) 725 nm 激发下，水中碳点、PEI-CDs、PEI-CDs@BSA 和 DMF 中 PEI-CDs 的光致发光光谱；(c) 稀水溶液中 PEI-CDs 的激发 - 发射图谱；(d) 640 nm 激发下，水中碳点、PEI-CDs、PEI-CDs@BSA 和 DMF 中 PEI-CDs 的光致发光寿命曲线（监测波长 751 nm，插图为仪器响应函数（IRF））；(e) 690 nm 激发下，水、小鼠血清、水中碳点、水中 PEI-CDs、PEI-CDs@BSA、PEI-CDs@血清和 DMF 中 PEI-CDs 的近红外荧光图像（从左至右），发射采用 750 nm 长通滤光片收集；

图 7、窄带近红外碳点的示意图，展示可控合成、共轭增强的核心结构和强激子限制，实现可调近红外发射（683-704 nm），半高宽（FWHM）低至 29 nm，该碳点对 pH、溶剂和浓度表现出超高稳定性，可实现克级制备；

图 8、氮（N）和氧（O）共掺杂碳点的表征：(a) TEM 图像；(b) HRTEM 图像（插图为横向尺寸分布）；(c) AFM 图像（插图为沿白线的高度剖面和相应高度分布）；(d) 拉曼光谱；(e) FTIR 光谱；(f) XPS 全谱；(g) C 1s 高分辨率 XPS 光谱；(h) N 1s 高分辨率 XPS 光谱；(i) O 1s 高分辨率 XPS 光谱；

图 9、近红外碳点的结构和光学特征：(a) 近红外碳点的 TEM 图像（插图为粒径分布直方图和高斯拟合）；(b) HRTEM 图像；(c) X 射线衍射（XRD）图谱；(d) FTIR 光谱；(e) XPS 分析；(f) 水中近红外碳点（100 μg/mL）的紫外 - 可见吸收光谱（插图为溶液的日光照片）；(g) 不同激发波长下近红外碳点（10 μg/mL）的荧光激发光谱（黑色）和发射光谱（插图为 405 nm 激光激发下的照片）；

图 10、近红外 - II 铁（Fe）掺杂碳点作为 pH 传感和胃食物消化实时监测纳米探针的示意图：(a) TEM 图像；(b) HRTEM 图像；(c) XPS 全谱；(d) 拉曼光谱；(e) FTIR 分析；(f) C 1s 高分辨率 XPS 光谱；(g) N 1s 高分辨率 XPS 光谱；(h) O 1s 高分辨率 XPS 光谱；(i) Fe 2p 高分辨率 XPS 光谱；(j) 不同 pH（2.0-10.0）溶液中 Fe-CDs 的荧光发射光谱；(k) Fe-CDs 荧光强度与溶液 pH 的关系（插图为 pH 2.0-6.0 范围内荧光强度与 pH 值的线性关系，发射波长 1000 nm）；(l) pH 2.0、4.0 和 6.0 溶液中 Fe-CDs 在 2 小时内的荧光强度变化；

图 11、水热法合成红色发射碳点（r-CDs）：(a) 合成示意图；(b) 前驱体量、溶剂和温度对荧光强度的影响；(c) 不同浓度下 r-CDs 的丁达尔效应；

图 12、NECDs-A 的合成与性能：(a) NECDs-A 合成的示意图；(b, c) NECDs-A 的 TEM 图像；(d) 紫外 - 可见吸收光谱；(e) 荧光发射光谱；(f) 1,3 - 二苯基异苯并呋喃（DPBF）吸收降解曲线；(g) 2',7'- 二氯二氢荧光素二乙酸酯（DCFH-DA）的荧光增强曲线；(h) 二氢乙锭（DHE）的荧光增强曲线（均在 808 nm 激光持续照射下，NECDs-A 存在）；(i) 808 nm 激光下，以 5,5 - 二甲基 - 1 - 吡咯啉 - N - 氧化物（DMPO）为超氧阴离子（∘O2−）捕获剂的 NECDs-A 电子自旋共振（ESR）光谱；(j) 静脉注射 NECDs-A 后的体内全身近红外 - II 血管造影图像，展示不同长通滤光片下的成像结果及相应定量分析；

图 13、镍（Ni）掺杂碳点的合成及近红外 - II 介导的光热治疗过程：(a) 示意图；(b) 不同处理组荷瘤小鼠的肿瘤生长曲线；(c) 第 14 天肿瘤体积及组间统计分析；(d) 治疗期间小鼠平均体重变化；(e) PBS 组、近红外 - II 组、Ni-CDs 组和 Ni-CDs + 近红外 - II 组小鼠的代表性照片；(f) 治疗后剥离的肿瘤图像；(g) 肿瘤组织切片的苏木精 - 伊红（H&E）染色和末端脱氧核苷酸转移酶介导的 dUTP 缺口末端标记（TUNEL）染色，展示治疗诱导的肿瘤损伤和凋亡；

图 14、溶酶体靶向碳点的合成、治疗应用及光动力治疗（PDT）和声动力治疗（SDT）联合作用机制示意图：碳点以左氧氟沙星（LVFX）和亚甲基蓝为前驱体，通过水热法合成，具有吗啉官能团，可靶向溶酶体；红光照射下，碳点高效生成单线态氧（1O2）实现 PDT；低强度超声刺激诱导1O2和羟基自由基（・OH）生成，支持 SDT；PDT 和 SDT 的协同激活导致活性氧（ROS）生成增加、溶酶体膜通透性增加和肿瘤细胞凋亡；体内研究中，PDT/SDT 联合治疗有效抑制 4T1 荷瘤小鼠的肿瘤生长；