碳点：下一代纳米温度计的先驱——全面综述

摘要

高灵敏度的非接触式温度传感对于研究基础化学反应、生物过程及医学诊断应用至关重要。基于纳米尺度的温度计可作为无创探针，实现亚细胞分辨率的敏感、精确温度测量。基于荧光的温度传感器因其“非接触”工作模式，兼具细胞成像与分子级温度感测双重功能，展现出巨大潜力。纳米材料与纳米技术的进步催生了新型传感器，如纳米温度计（具有纳米级高空间分辨率的新型测温材料）。此类纳米温度计已基于荧光蛋白、有机化合物、金属纳米颗粒、稀土掺杂纳米颗粒、半导体量子点等平台开发。碳点（CDs）凭借强荧光、抗光漂白、化学稳定性好、前驱体低成本、低毒性及良好生物相容性等优异性质，引起多领域关注。近期研究显示部分碳点具备热敏特性，使其成为基于纳米材料温度计的有力替代。这类发光纳米温度计在纳米腔温度感测与热成像方面极具前景，有助于深入理解生物过程。鉴于碳点作为纳米级热敏材料仍处早期阶段，本文综述了该新型纳米温度计的全面认知、增强热灵敏度与分辨率的功能化方法，以及热敏行为机制。

引言

温度是一种基本热力学变量，对生物和化学系统有显著影响。因其在自然科学、工程、农业和医学等几乎所有领域的广泛应用，精确测温具有重大意义。在医学应用中，体温测量用于中风、癌症、炎症等疾病的早期检测，这些疾病的早期症状之一是局部温度异常。

历史上，最早的温度估计基于感觉或观察。公元前200–10年，气动实验（热空气膨胀）是定量测量热量装置的最早记录。关于热膨胀空气的最早文献归功于拜占庭的斐洛和亚历山大的希罗的气动实验著作。随后，1592至1603年间，伽利略·伽利莱通过实验制造了利用热空气膨胀的温度计，使用一个装有空气的管子，空气被困在水柱上方。伽利略之后，意大利的桑托里奥首次将这一简单装置用于医学发热检查。第一支完全密封的液体玻璃温度计（酒精填充）由斐迪南二世于1641年组装，他能在不受大气压影响下测量温度，这与伽利略和桑托里奥的开放式温度计不同。华氏的温度计实用工作始于1706年，他先用酒精，后以水银温度计闻名。百分温标归功于安德斯·摄尔修斯，他于1742年提出以水沸点为零度、冰点为一百度的温标。19世纪的电子实验中，托马斯·约翰·塞贝克提出了热电效应概念。1820至1823年间的一系列实验中，他验证了两种不同金属接点在温差存在时产生电势，即塞贝克效应，这成为热电偶的基础，被认为是最准确的温度测量方法。温度计演变的示意时间线如图1所示。

温度计演变时间线示意图

传统温度计可分为：

1. 基于材料热膨胀的液体玻璃温度计
2. 基于塞贝克效应的热电偶
3. 光学传感器

此外，可分为接触式和非接触式温度计。接触式包括经典液体玻璃、热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器（RTDs），均需电缆连接并直接接触被测基底。此模式不适用于电磁噪声强、火花危险、环境破坏性或部件快速移动的场景。此外，当空间分辨率降至亚微米级时，传统温度计无法测量，例如细胞内温度变化、微电路和微流控的温度分布。工程应用同样需要针对微型区域和恶劣环境的先进热敏策略。因此，纳米尺度领域需探索其他方法和材料。

新型非接触测温法可克服上述问题。例如，光学热传感器（分子温度计）是利用发射光测量温度的新一代分析工具。荧光温敏探针为纳米系统测温提供了有前景的领域。温度信息可通过其荧光强度、带型、斯托克斯位移或衰减寿命提取，经适当校准后与温度相关。

分子温度计在诊断患病或致癌细胞（其生理温度与正常细胞不同）方面潜力巨大。医学应用范围包括温度诱导的基因表达控制、细胞代谢、细胞选择性渗透与疾病治疗，以及改善集成热源的散热。近期，半导体、聚合物、金属纳米颗粒等纳米材料被用作热传感器（纳米温度计），展现出亚微米热分辨率。

能在宽温度范围内分辨亚度温度变化、且可集成于生命系统的温度计，将为生物、物理、化学研究提供有力新工具。因此，本综述聚焦于基于碳纳米材料（碳质材料）的“新一代”或“新类别”纳米温度计。据我们所知，尚无关于碳点作为纳米温度计的综述文章。近期，碳点（碳量子点、石墨烯量子点）凭借独特特性展现出敏感热学性质，成为纳米尺度测温的优秀候选材料。本文综述了碳点的定义、优势、热敏行为机制，并展望了这类热敏材料的未来前景。

纳米测温学

“纳米测温学”指利用纳米级热敏材料获取纳米或微米区域局部环境的温度信息。纳米颗粒热探针在广泛传感应用中潜力巨大，近期报道了许多先进的“纳米温度计”。多种传统纳米材料被报道具有热敏发光特性，如聚合物、纳米晶体、稀土掺杂纳米颗粒、金属纳米颗粒等。

因此，纳米热传感器是无创、非接触、高灵敏度分辨率的纳米级精确温度计。利用纳米材料进行热感测可通过调控其光学性质实现。荧光纳米测温法可根据测温参数分为多类：信号强度、带型、荧光寿命、带位移、激发波长偏振、光谱位移等。第一种情况中，荧光随温度变化，可检测到信号的绝对增强或减弱。

非接触发光纳米测温法利用温度依赖发光的纳米材料，特别适合生物应用。这些发光纳米材料包括荧光聚合物、金属纳米颗粒、稀土掺杂纳米颗粒、纳米钻石，它们在生理温度范围内具有热敏特性。这些开创性工作能够提供单个细胞的平均温度。基于有机染料（如罗丹明6G）和聚合物（如聚(N-异丙基丙烯酰胺)）的温度依赖发光探针通常表现出较差的光稳定性和明显的氧交叉灵敏度，不利于活细胞工作。此外，荧光团寿命对pH有强依赖性，若不精确控制被测环境pH则难以使用。

另一类基于纯掺杂半导体纳米晶体的纳米温度计也有报道，最著名候选材料包括CdSe、ZnS、InP、PbSe。半导体量子点（SQDs）因高量子产率、光漂白前长寿命、经表面修饰后具备良好生物相容性，成为纳米温度计候选者。此外，它们易与蛋白质和DNA结合用于传感和成像。该类发光温度计面临的特殊挑战是在T=20–40°C探测亚细胞微环境时，如何兼顾亮度、光稳定性、灵敏度和精度。SQDs在合成、理化性质、发光及潜在应用方面已被广泛综述，请参考相关文献。与有机染料相比，SQDs具有更高的检测亮度、更宽的激发谱用于多重检测、更好的光稳定性用于长期研究。此外，SQDs作为温度传感器对细胞内普遍存在的pH及其他环境变化具有抵抗力。

通常在SQDs中，因多种过程综合作用，温度升高导致荧光强度降低（淬火），伴随光谱位移。该位移在生物物理范围内可视为线性。两种效应（发光淬火和光谱位移）的幅度强烈依赖于构成QDs的材料及其尺寸。

每类发光纳米材料在优势之外均存在使用局限。如前所述，SQDs优于荧光聚合物和有机染料。SQDs在光稳定性、量子效率、可调荧光方面表现良好，但因固有闪烁无法长期追踪单分子。此外，QDs的主要缺陷是毒性，源于镉等重金属含量，限制了生物和环境应用。而且，自然界中前驱元素可用性较低，导致SQDs成本较高。

碳点作为纳米温度计

为克服非碳基纳米温度计的问题（如前节所述），制备了碳基纳米材料，展现出低毒性、制备简便、前驱体低成本、光稳定性、生物相容性等独特性质。这些碳基纳米材料显示出敏感的热感测性能。此外，开发无金属纳米颗粒迫在眉睫，因有毒材料对生物应用构成环境隐患。在碳基纳米材料家族中，荧光纳米钻石首次被报道为纳米温度计。荧光纳米钻石因化学性质稳健、表面惰性而具备内在生物相容性。其他纳米钻石近期被用于亚度精度的细胞内热感测。这些纳米钻石的热灵敏度基于氮-空位色心，即晶格碳原子被氮原子取代并伴随附近空置晶格位点形成的点缺陷。荧光纳米钻石的氮-空位色心因其光物理性质及生物应用被广泛研究。氮-空位测温原理依赖于对该色心的精确测量，可用高空间分辨率光学检测。然而，低荧光效率和差的可控性极大阻碍了荧光纳米钻石的应用。

碳基纳米材料家族中较新的一类是高发光碳点（CDs），具有极亮的光致发光、光化学稳定性、水溶性、优异生物相容性和无毒性。CDs是零维球形纳米颗粒，直径小于10 nm。制备CDs的方法多样，如激光烧蚀、溶剂热法、水热合成、微波辅助、电弧放电、酸氧化等化学物理方法。此外，CDs在生物成像、化学与生物传感、靶向药物递送、药物分析、催化等领域展现广阔前景。碳点在合成、理化性质及潜在应用方面已被广泛综述，请参考相关文献。

近年，荧光CDs作为温度传感器引起研究者广泛关注。原则上，有效温度测量要求碳纳米点在相关温度范围内表现出显著的光致发光变化。光稳定性、pH稳定性和保质期也是实际应用需考虑的要求。

CDs是传统半导体量子点（SQDs）的有前景替代品。与QDs相比，CDs具有低成本、低毒性、独特的稳健光学/化学性质等显著优势。此外，CDs光漂白极少。与其他荧光原料相比，CDs由自然界丰富、廉价的碳源制备。而且，有多种简单方法修饰和功能化CDs表面状态，可根据实验需求调节溶解性、稳定性、理化性质和量子产率。

文献中报道的具有温度依赖荧光的碳点文章较少，汇总于表1。

Yu等人[51]于2012年首次研究碳纳米点的温度依赖荧光，并与半导体和金属基纳米颗粒对比。他们采用时间相关单光子计数技术（TCSPC）测量温度依赖的光致发光寿命。高温下光致发光弛豫动力学加快（图2a），归因于非辐射衰减过程。测量了从低温到室温CD薄膜的荧光光谱随温度变化（图2b）。随温度升高，荧光强度呈现重复性下降。

a 随温度变化的时间分辨光致发光测量。 b CD薄膜荧光光谱随温度变化。 c 300 K时荧光光谱经双高斯函数拟合。 d 荧光带宽随温度变化。（经参考文献[51]许可复制）

PL光谱呈现不对称峰，因此各温度下的PL光谱可用双高斯函数良好拟合（图2c）。高能带（带I）、低能带（带II）（图2d）。

进一步检查了荧光能隙（带宽）随温度变化（图2d）。总带宽由温度无关（电子-电子散射）和温度相关（电子-声子及表面/缺陷散射）部分组成。带I和带II的带宽温度无关，表明电子-电子散射在CDs中占主导。因此，CDs中微弱的温度效应与主要相互作用机制为电子-电子相互作用而非电子-声子耦合一致。此外，即使在极低温度（77 K）下仍观测到宽PL带（>100 nm），归因于强电子-电子相互作用（图2c）。此结果类似金属纳米簇，不同于半导体QDs。因此，Yu等人推测CDs中的π电子可类似金属纳米簇中的自由电子。

Kalytchuk等人[89]通过柠檬酸和L-半胱氨酸一步水热法合成了高发光水溶性N,S-CDs。他们收集了宽温度范围的稳态吸收光谱以表征CDs的温度依赖PL性质。N,S-CDs水分散液在10至70°C（每步5°C）的吸收光谱如图3a所示。与半导体纳米晶体不同，吸收带位置和强度随温度不变。类似结果曾在谷胱甘肽存在下水热处理葡萄糖合成的CDs中报道[1]。

a 10至70°C温度范围的温度依赖吸收。 b 2至80°C、步长2°C、激发355 nm时的温度依赖PL发射归一化颜色图。对应的PL峰值最大值λmax（c）、PL半峰全宽（d）、积分PL强度（e)随温度的变化。（经参考文献[89]复制）

他们展示了2至80°C、步长2°C下N,S-CDs的PL光谱颜色图（图3b）。温度升高使PL发射强度约降低2倍，无任何可检测的PL发射位移[89]。PL发射峰值位置、PL半峰全宽（fwhm）和积分PL强度在研究温度下定量确定，结果浓缩于图3c–e。

N,S-CDs的PL峰位置显示微弱温度依赖性，这与大多数半导体纳米晶体带隙随温度变化导致PL发射位移形成对比。此外，其PL fwhm在同一温度范围内仅表现出微不足道的展宽（1.4 ± 1 nm）（图3d），表明N,S-CDs的PL峰几乎无热展宽。为表征CDs中发生的非辐射弛豫过程，他们分析了积分PL强度随温度的淬火情况。N,S-CDs温度依赖积分PL强度图如图3e所示，数值归一化至2°C时的强度，显示强度在研究温度范围内单调下降，80°C时强度约为2°C时的一半。基于这些结果，利用阿伦尼乌斯公式估算N,S-CDs在2至80°C间热淬火的活化能为17.0 ± 0.7 meV，接近Yu等人[51]报道值。

此外，Kalytchuk等人[89]考察了不同温度下CDs的发射动力学。图4a–c展示了其时间分辨PL发射的强温度依赖性，给出了三个不同温度下的时间分辨发射光谱数据。CDs在375至650 nm光谱区的瞬态PL发射图在2、50、80°C下如图4a–c所示。随温度升高PL衰减明显下降，表明CDs具备基于PL寿命温度感测的良好性质。值得注意的是，在所有研究温度下，点发射谱全谱段观测到光谱均匀的单指数衰减，表明整个CD集合体中复合通过非常相似且高发射的通道发生。CDs的PL动力学可以说是其与温度感测应用相关的最有前景的特性。具体而言，CDs的温度灵敏度使其成为PL寿命纳米温度计。

CDs的时间分辨温度依赖PL发射。CDs在a 2°C、b 50°C、c 80°C时的归一化时间分辨PL发射图。 d PL发射最大值（λem = 421 nm）处时间分辨PL强度随2至80°C温度变化的归一化颜色图。 e 提取的PL寿命随2–80°C温度范围绘制。（经参考文献[89]复制）

2至80°C温度范围内CDs PL寿命变化被深入研究；图4d、e展示了在点PL发射最大值处收集的时间分辨PL数据随温度变化。图4d给出了研究温度范围内瞬态PL颜色图，显示温度升高导致表观PL衰减单调缩短。所有记录的衰减曲线均用单指数函数拟合。提取的寿命数据见图4e。温度从2°C升至80°C时，PL寿命从11.0 ns单调降至5.3 ns。展示该PL寿命灵敏度的温度范围（2–80°C）涵盖生理相关温度范围及许多电子器件典型工作温度。基于PL寿命的CD热探针绝对伪线性灵敏度为0.08 ns K⁻¹，最大相对灵敏度在62°C时达1.79% K⁻¹。CD基发光纳米探针在研究温度范围内PL衰减的单指数拟合产生单一参数——PL寿命（τ），可通过校准曲线直接转换为温度单位。这是相对于典型半导体量子点的重要优势，后者表现多指数衰减，限制了其在PL寿命测量应用中的实用性。

他们还在磷酸缓冲液（PBS）和Dulbecco改良鹰培养基（DMEM）中研究了CDs PL寿命的温度依赖性，显示相似行为。

为证明基于CD发光温度计的可重复使用性，在15至45°C间进行了七次连续加热冷却循环的PL衰减曲线测量（图5a）。

a 七次连续加热冷却循环PL衰减可逆性的归一化颜色图。 b 15至40°C七次加热冷却循环PL寿命的热稳定性。（经参考文献[89]复制）

每个测量周期中，经5分钟热平衡后测量PL衰减。加热冷却循环中未观测到热滞后，PL寿命随时间变化如图5b所示，表明CDs的PL寿命具有优异的热稳定性。

随后，多种合成方法制备了若干具有温度依赖发射的CDs，如水热和溶剂热处理、热回流、激光烧蚀等（见表1）。制备的CDs在生理范围内表现出线性温度依赖荧光（见表1）。CDs荧光强度随温度升高而降低。所有文章均研究了荧光强度的可逆性和可恢复性。图6展示了多篇文章中研究的CDs一些共同性质。

a 不同温度下加热（上）和冷却（下）过程中N,S-CDs在紫外光（365 nm）激发下的数码照片。（经参考文献[96]复制）。 b 激发340 nm时5–75°C范围内N,S共掺杂CDs荧光发射光谱（自上而下），插图：温度与Ln(F/F₀)的线性回归。（经参考文献[97]复制）。 c MnOx-CDs冷却和加热过程中的FL/FL₀-温度图。（经参考文献[103]复制）。 d CDs溶液PL的可逆温度依赖性。（经参考文献[102]复制）

Nguyen等人[14]利用飞秒激光烧蚀乙二胺中的石墨粉合成碳点（CDs）。表面形成大量官能团，形成多个表面态，导致CDs多重发射。他们利用稳态荧光光谱研究CDs的荧光温度灵敏度。320 nm激发下CDs的温度依赖发射光谱如图7a所示。400和465 nm两个峰的荧光强度随温度升高逐渐降低，因热激活非辐射衰减路径。峰强度在5至85°C范围内随温度线性变化（图7b）。温敏CDs在400和465 nm峰处分别表现出每°C 3.3%和2.1%的荧光强度变化，表明CDs可作为高灵敏度的传统强度型温度传感器。

a 5至85°C记录的CDs发射光谱，激发320 nm。 b 400和465 nm峰荧光强度随温度变化。 c 400 nm与465 nm峰强度比随温度变化。 d 20至50°C间CDs温度可逆性研究。（经参考文献[14]复制）

值得注意的是，独特的多重发射特性使CDs成为比率荧光温度传感器的有前景荧光团。320 nm激发下400和465 nm两个荧光强度比随温度变化如图7c所示。峰强度比与温度在5至85°C宽范围内呈极好线性关系（R² = 0.998）。热线性优势在于使峰强度比与温度相关性直观，同时在整个动态范围提供恒定热灵敏度。CDs温度灵敏度确定为1.48% °C⁻¹，与其他材料相当。值得注意的是，CDs的温度响应范围远宽于其他双发射温度传感器报道，涵盖生物研究的生理温度和许多电子器件的工作温度。除320 nm激发外，CDs在340和365 nm等其他激发波长下也具有相同灵敏度。因此，CDs可通过选择不同工作波长用于许多实际应用的温度感测。

他们展示了比率温度传感器在20至50°C间四个循环的可逆性及光稳定性（当光源功率改变时），如图7d所示。结果表明CDs传感系统稳定健壮，不受样品浓度、激发或检测效率变化影响。

温度升高并不总伴随PL淬火，也可能显示PL增强。Macairan等人[29]展示了双荧光碳点随温度升高PL增强。他们利用甲酰胺和谷胱甘肽一步微波辅助反应制备了生物相容的双荧光碳点。发现640 nm激发下，荧光强度和PL积分面积在5–60°C范围内整体增加3.5倍（图8a）。如图8b所示，整个分析范围和温度呈线性响应（R² = 0.999），温度灵敏度高达3.71% °C⁻¹。

a 640 nm激发产生荧光强度3.5倍增强，对应积分面积绘于b，显示5–60°C线性响应。 c CDs荧光光谱（λex = 405 nm）随温度全范围变化。蓝色荧光下降1.3倍，红色荧光增加3倍。 d 红蓝荧光积分面积比随温度绘制，全温度范围线性增加。（经参考文献[29]复制）

405 nm激发下也研究了温度依赖荧光。有趣的是，蓝红荧光带对温度变化的敏感度不等。随温度升高，蓝色成分荧光强度（及曲线下积分面积）微降，红色成分显著增加（图8c）。在5–60°C范围内，蓝色发射下降1.3倍，红色发射增加3.0倍。

如图8d所示，红蓝荧光比随温度升高，三个不同样本三次重复实验高度线性（R² = 0.998）。这些分析重复测量平均值，各温度偏差极小。CDs全温度范围热灵敏度变化为1.33至4.81% °C⁻¹，优于先前报道的碳点纳米测温系统和其他双发射纳米材料（如量子点和金属有机框架-染料复合物）。CDs热分辨率计算为0.048 K⁻¹，表明确实可测量微小热变化。

Zhang等人[98]合成了在25–95°C范围内具有温度响应特性的CDs，拥有优异灵敏度和显著可逆性/可恢复性（图9a）。进一步将CDs均匀掺入环氧树脂制备CD/环氧复合材料。首先，5 μg CDs溶于50 μL三乙烯四胺（TETA）中。然后加入350 μL环氧树脂，高速搅拌充分混合。所得复合材料显示显著增强的温度响应。

a CD发射的温度依赖性。 b CD/环氧复合材料。 c CD/环氧复合材料发射的温度依赖性。（经参考文献[98]复制）

环氧树脂是常见热固性树脂，广泛用于封装LED芯片。图9b显示直径约2 cm、厚度8–10 mm的CD/环氧复合圆盘光学显微照片。固化后的CD/环氧复合材料透明，其荧光发射光谱如图9c所示。复合材料发射峰较CDs溶液蓝移约10 nm。值得注意的是，复合材料温度响应显著改善。在25–95°C范围内，荧光强度随温度升高下降35%，是溶液状态的两倍以上，线性结果更稳定。线性方程满足I₀/I = 0.0074 [°C] + 0.80454（R² = 0.99724），其中I₀和I分别为温升前后CD/环氧复合材料荧光强度，激发波长360 nm。发射峰蓝移和温度响应特性增强可能归因于CDs所处环境介电常数变化。复合材料具有宽温度检测范围，优异的灵敏度和稳定性使其适合作为基于荧光纳米材料的温度传感器在多种环境中使用。

热敏机制

目前尚无公认机制解释碳点的热敏行为。部分报道将机制归因于表面（陷阱/缺陷）态非辐射通道的热激活。总体图景为：低温下非辐射通道未激活，激发电子可辐射发射光子；反之，温度升高时更多非辐射通道激活，激发电子通过非辐射过程回到基态，导致荧光强度下降[2, 95, 99, 100, 103]。CDs随加热/冷却的发射机制示意图如图10所示。

CDs响应温度变化的示意图

为更好理解CD发射过程的热力学，Kalytchuk等人[89]将CD样品的辐射（τᵣ⁻¹）和非辐射（τₙᵣ⁻¹）复合速率与其PL量子产率相关联。辐射速率由PL量子产率（QY）和测得的复合速率τ⁻¹确定：τᵣ⁻¹ = QY × τ⁻¹。非辐射弛豫速率τₙᵣ⁻¹ = τ⁻¹ - τᵣ⁻¹。CDs在各温度下的PL QY由其温度依赖吸收和积分PL强度结合室温PL QY计算得出。从时间分辨PL测量数据导出的辐射和非辐射复合速率随温度绘制于图11。辐射复合速率大于相应非辐射速率直至70°C，在2至80°C间变化不大，维持在(0.74–0.82) × 10⁶ s⁻¹范围。相反，随温度从2°C升至80°C，非辐射复合速率显著单调增加近7倍（从0.16 × 10⁶至1.12 × 10⁶ s⁻¹）。辐射和非辐射速率在70°C发生温度依赖交叉，此时PL QY为50%。这些结果表明，其CDs中PL淬火的温度激活主要由非辐射弛豫通道激活引起[89]。

2–80°C温度范围内CDs的辐射（实心符号，蓝色）和非辐射（空心符号，红色）复合速率。（经参考文献[89]支持信息复制）

Guo等人[102]将其制备碳点的热淬火不仅归因于非辐射衰减过程激活，还归因于随温度升高发生的非辐射捕获。他们测量了CDs的温度依赖衰减寿命，如图12a所示。数据通过监测320 nm激光激发下发射最大值随温度变化收集。结果显示PL寿命随温度从283 K升至343 K从15.03 ns降至11.70 ns，可归因于非辐射衰减过程发生。此外，CDs的PL弛豫动力学随温度升高显示多指数衰减，表明光激发载流子经历复杂弛豫过程。非辐射捕获随温度升高增加，可通过积分PL强度的阿伦尼乌斯图定量分析：

I = I₀ / [1 + a exp(-Eₐ/kT)]

CDs溶液温度依赖衰减曲线（a，λex = 350 nm，λem = 450 nm）；ln[(I₀/I_T)-1]对1/kT的依赖关系（b）。（经参考文献[102]复制）

其中Eₐ为活化能，k为玻尔兹曼常数，a为常数。图12a显示发射强度随1/T绘图，计算得活化能（Eₐ）为0.329 ± 0.02 eV。为探究CDs发射过程热淬火原因，从寿命（τ*）和量子产率（QY）确定辐射（Vᵣ）和非辐射（Vₙᵣ）复合速率：

τ* = 1/(Vᵣ + Vₙᵣ); QY = Vᵣ/(Vᵣ + Vₙᵣ)

CDs在各温度下的QY由其温度依赖吸收和积分PL强度结合室温QY计算。他们注意到温度从283 K升至343 K时辐射速率略微下降，同时非辐射复合速率逐渐增加约2倍。这些结果进一步表明CDs中温度激活的PL淬火主要归因于非辐射弛豫通道激活[102]。

其他团队利用显微和光谱技术理解碳点热敏机制。

Wang等人利用TEM和UV-Vis光谱研究制备CDs的温度响应PL行为。如图13a所示，温度从20°C升至80°C时CDs的UV-Vis光谱无变化。但发现CDs平均直径从室温的2.6 ± 0.2 nm增至80°C时的4.4 ± 0.2 nm（图13b）。因此，温度升高导致制备CDs聚集，引起明显荧光淬火[1]。

a 水溶液中CDs在20和80°C下的UV-Vis吸收光谱。 b 水溶液中CDs的TEM图像（a）室温下平均尺寸2.6 ± 0.2 nm（b）80°C下尺寸增至4.4 ± 0.2 nm。（经参考文献[1]复制）

He等人[101]报道其CDs水化粒子尺寸随温度升高增大（图14a），表明温度升高导致CDs聚集，最终导致荧光淬火。反之，温度下降时CDs水化粒子尺寸开始减小（图14b），表明冷却有可能使CDs解聚[101]。

碳点加热（a）和冷却（b）过程中水化粒子尺寸变化。（经参考文献[101]复制）

Cui等团队也将荧光淬火归因于CDs聚集。他们尝试将仅以丙烯酸为前驱体合成的未掺杂CDs用于温度传感器。遗憾的是，相同温升下未掺杂CDs的淬火效应弱于掺杂CDs[92]。

Yang等人[94]提出关于N-CDs温度依赖PL性质的两个关键因素：(i) 表面官能团，(ii) 氢键相互作用。为考察第一因素（表面含氧基团），用强还原剂NaBH₄（1.0 mL，0.1 mol L⁻¹）处理N-CDs（4.0 mL）去除碳点表面C=O物种，所得还原N-CDs简记为r-N-CDs。与N-CDs相比，r-N-CDs荧光强度较弱（图15a）。此外，温度从20°C升至80°C时r-N-CDs荧光强度仅下降13%（图15a插图），温度灵敏度大幅降低，归因于含氧基团减少[94]。

a N-CDs（黑线）和r-N-CDs（红线）PL光谱（激发波长400 nm）。插图显示还原N-CDs的I/I₀-T。 b 分散在C₂H₅OH中N-CDs在不同温度下的PL光谱（激发波长400 nm）。 c N-CDs温度依赖荧光强度的示意机制。（经参考文献[94]复制）

第二因素，溶剂氢键对N-CDs荧光行为的影响被探究。N-CDs溶液（1.0 mL）滴于滤纸自然干燥得固体样品，仍发亮荧光。但固体N-CDs荧光强度随温度升高无明显变化。他们还测量了分散在乙醇中的N-CDs荧光。N-CDs在乙醇中荧光强度低于水中，温度从20°C升至80°C时PL强度变化极小（图15b）。因此，强氢键在N-CDs温度依赖PL性质中起关键作用。图15c为N-CDs温度依赖荧光强度的示意机制[94]。

然而，我们小组采用与Yang组相同实验策略，两种情况下r-CDs和e-CDs发射均随温度升高线性淬火，方式与其原始CDs结果相同（图16）。因此，我们的结果排除了丰富含氧官能团和氢键的协同效应[77]。

a、b 还原CDs（r-CDs）和乙醇中CDs（e-CDs）在20至60°C温度下的荧光光谱。 c、d r-CDs和e-CDs荧光强度与温度（°C）的线性相关。（经参考文献[77]支持信息复制）

活细胞生物成像（热成像）

文献中仅有少数文章探索了CDs温度响应荧光性质在生物成像中的应用。此类实验前，CDs的体外细胞毒性分析至关重要，可估算CDs在活体内的毒性。体外细胞毒性分析评估纳米材料对培养细胞的影响[89]。

Yang等人[94]验证了CDs可作为活细胞有效温度计；HeLa细胞经CDs处理6 h后用PBS洗涤。25°C时观察到HeLa细胞中CDs明亮蓝色荧光（图17a）。温度升至37°C时蓝色荧光变弱（图17b），温度降回25°C时N-CDs荧光恢复（图17c）。作为体内热成像，小鼠注射N-CDs后在不同温度下立即采集荧光图像。以28°C荧光强度为参考（I₀），注射区域I/I₀随温度从28°C升至34°C从1.0降至0.87（图17d、e）。温度进一步升至43°C时I/I₀降至0.52，荧光近乎不可检测（图17f）。温度从39°C降至28°C时I/I₀可从0.66可逆增强回1.0（图17g–i）。所有结果表明N-CDs可作为有效的体外和体内纳米温度计[94]。

a–c HeLa细胞经N-CDs处理后在25、37、25°C下的荧光图像。 d–f 注射N-CDs小鼠在升温下的荧光照片。 g–i 注射N-CDs小鼠在降温下的荧光照片。（经参考文献[94]复制）

在探索性实验中，Kalytchuk等人测试了CDs在人宫颈癌HeLa细胞中细胞内温度监测能力。图18显示孵育CDs（500 μg/mL）的HeLa细胞测得的细胞内温度。各温度下CDs的PL衰减曲线高度可重复，且在所有记录温度下均可用单指数函数拟合。图18a中，25至50°C（步长5°C）温度下的记录PL衰减曲线用符号表示，对应单指数拟合用实线表示。他们确认CD浓度≥100 μg/mL时这些PL寿命测量中的PL信号完全源自CDs。每次测量的细胞内温度由PL寿命随温度从2至80°C升高的校准曲线确定。此法测定的温度（T_meas）作为PL寿命函数绘于图18b。独立地，细胞溶液温度用校准参比温度计测定（图18b中T_set）。发光CD探针报告的温度与参比探测器温度吻合良好。这些结果表明基于CDs的PL寿命纳米探针可可靠测量细胞内温度[89]。

利用CDs的体外细胞内PL寿命热感测。 a 孵育CDs（500 μg/mL）的HeLa细胞在不同温度（T_set）下的PL发射衰减。 b 利用校准确定的温度（T_meas）和设定温度（T_set）对PL寿命绘图。 c–f CDs用于长程远程细胞内温度监测的适用性。 c 孵育CDs（500 μg/mL）的HeLa细胞每15分钟记录一次PL瞬态，持续24小时提取的PL寿命。 d 利用校准曲线确定的温度随时间变化。 e 参比温度计测得的温度（T_ref）。 f 获得温度与参比温度差值分布直方图；实线为分布曲线。（经参考文献[89]复制）

为进一步评估发光CD纳米探针长期实时温度监测潜力，每15分钟记录一次孵育CDs（500 μg/mL）HeLa细胞的PL衰减曲线，持续24小时。测量期间提取的PL寿命随时间绘制（图18c）。利用这些结果通过校准曲线计算温度随时间变化（图18d）。此外，每个测量点用温度重现性60 mK的参比温度计测定样品温度。参比温度计测定温度绘于图18e，显示测量温度与参比温度极佳一致。测量温度与真实（参比）温度差值的统计分析进一步证明基于PL的温度测量高精度（图18f）。利用这些数据，该方法温度检测绝对平均精度计算为0.27°C。该实验证实了基于CD热探针在生物系统中的潜力[89]。

Macairan等人[29]展示其制备CDs可利用强度法和比率法进行细胞内热感测。经CDs处理的HeLa细胞在32、37、42°C下平衡（图19）。640 nm激发用于选择性监测细胞中CDs红色荧光。热变化可能源于细胞内浓度变化，或不与强度变化（λex = 640 nm）相关。这可能因高温下细胞内CDs浓度或定位变化。因此，仅依赖荧光强度变化难以实现准确细胞内热感测。

CDs处理HeLa细胞荧光显微镜图像。CDs荧光信号（λex = 640 nm；左和405 nm；右）荧光比在32°C为1.8，37°C为2.0，42°C为2.3。对照显示未处理HeLa细胞在42°C无荧光信号。（经参考文献[29]复制）

相反，比率法排除了这些局限。405 nm激发下CDs在细胞内保持双重蓝红荧光，如前胶体分散液所观察（图19）。红蓝比随温度升高增加，32°C为1.8，37°C为2.0，42°C为2.3。CDs红蓝发射比率关系突显了比率温度感测在开发荧光纳米温度计探针中的优势。相对红蓝发射比不受细胞摄取CDs量影响，后者可能受汇合度等因素影响且非浓度依赖。最后，CDs展示了相对于细胞内温度变化的荧光可逆性。在HeLa细胞孵育后，经历32/42/32°C加热/冷却循环。这强调了所提CD纳米温度计的稳健性，进一步证明荧光可逆性[29]。

共聚焦激光扫描显微镜用于N,S,I掺杂CDs的结肠癌细胞HT-29热成像，如图20[100]所示。荧光斑点具有温度依赖性（图20g–i），15°C最强，35°C最弱。有趣的是，荧光斑点可逆，且连续激发20分钟后光稳定性极佳[100]。Shin等人[96]也用共聚焦显微镜观察HeLa细胞，如图20e–g所示。

a–d N,S,I-CDs染色结肠癌细胞HT-29共聚焦显微镜图像及15、25、35、15°C对应荧光场。（经参考文献[100]复制）。 e–g N,S-CDs染色细胞共聚焦显微镜图像及25、35、25°C对应荧光场。（经参考文献[96]复制）

Li等人[103]制备MnOx-CDs纳米复合材料作为生物环境用纳米热响应荧光团。HepG2细胞在不同培养温度下孵育MnOx-CDs。共聚焦激光扫描显微镜（405 nm激发）显示，环境温度40°C时MnOx-CDs在HepG2细胞中蓝色发光微弱（图21a），温度降至30°C（图21b）甚至20°C（图21c）时蓝色发光增强。因温度响应特性，合成的MnOx-CDs可直接应用于生物成像和癌症治疗光热疗法等生物医学领域[103]。

MnOx-CDs在HepG2细胞中共聚焦激光扫描显微镜图像（405 nm激发）：40°C（a）、30°C（b）、20°C（c）。（经参考文献[103]复制）

结论与未来展望

碳纳米点展现出可用于纳米测温的独特性质，如热灵敏度、低成本、光稳定性。灵活的表面修饰和简便制备将铺平道路，建立大量热敏纳米材料用于多种应用。热敏纳米材料总体趋势旨在利用低成本安全材料提高光稳定性和热分辨率。CDs可归类为新一代温度计，满足这些要求，可用于生物医学测温应用，如高温热疗治疗中的温度监测。简便制备方案、生物相容性、易功能化是CDs成为替代下一代纳米温度计材料的有力标准。该领域基础研究仍需更多努力。需克服局限以生产基于碳点的纳米温度计，包括增强热灵敏度、拓宽工作温度范围。更好理解荧光热敏机制是设计操控CDs结构、提高热分辨率的另一关键。需要更多实验和理论建模来理解CDs制备方法与其热行为的相关性。