碳点作为荧光探针在环境检测中的研究进展

张淙银; 伊魁宇; 冯佳; 史洪微

doi:10.7536/PC20250625

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (2) :298-318 DOI: 10.7536/PC20250625

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碳点作为荧光探针在环境检测中的研究进展

张淙银 ¹ ,
伊魁宇 ¹^,^* ,
冯佳 ¹ ,
史洪微 ²

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Carbon Dots as Fluorescent Probes in Environmental Monitoring

Congyin Zhang ¹ ,
Kuiyu Yi ¹^,^* ,
Jia Feng ¹ ,
Hongwei Shi ²

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摘要

随着工业化与城市化进程的加剧，环境污染物种类激增且基质日趋复杂，对检测技术的选择性与抗干扰性提出了更高要求。传统方法（如ICP-MS、GC-MS等）因前处理繁琐、成本高昂，难以满足快速、现场化监测需求。碳点（CDs）作为一类性能优异的零维碳基纳米材料，凭借其独特的光学性质、低毒性和可调表面功能，为构建绿色、灵敏的荧光探针提供了新途径。本文系统综述了碳点荧光探针在环境检测中的研究进展，涵盖其合成方法、发光机制、表征手段及其在金属离子、无机阴离子与有机污染物检测中的应用。重点解析了荧光猝灭型、荧光增强型及比率型荧光传感3类探针的构建策略与响应机理，特别强调比率型探针利用内置参比信号在复杂基质中实现自校准，显著提升检测准确性与抗干扰能力。进一步地，本文重点介绍了碳点探针与智能手机传感平台的集成策略，展现了其在实现污染物现场、快速、可视化检测方面的巨大潜力，为环境检测的便捷化、智能化转型提供了明确路径。最后结合当前挑战，对未来材料设计、机理研究、应用拓展及智能平台开发等方向作出展望，以期为该领域的发展提供理论依据与技术支撑。

Abstract

With the acceleration of industrialization and urbanization，the types of environmental pollutants have multiplied，and sample matrices have become increasingly complex，placing higher demands on the selectivity and anti-interference capability of detection technologies. Conventional methods such as ICP-MS and GC-MS are limited by cumbersome sample pretreatment and high operational costs，making them unsuitable for rapid and on-site monitoring. Carbon dots （CDs），as a promising class of zero-dimensional carbon-based nanomaterials，offer a green and sensitive alternative for constructing fluorescent probes due to their exceptional optical properties，low toxicity，and tunable surface functionalities. This review systematically summarizes recent advances in CDs-based fluorescent probes for environmental monitoring，covering synthesis strategies，luminescence mechanisms，characterization techniques，and their applications in detecting metal ions，inorganic anions，and organic pollutants. Special emphasis is placed on the design principles and response mechanisms of three types of probes：fluorescence quenching，fluorescence enhancement，and ratiometric fluorescence sensing. Notably，ratiometric probes utilize built-in reference signals to achieve self-calibration in complex matrices，significantly improving accuracy and anti-interference performance. Furthermore，this review highlights the integration of CDs-based probes with smartphone-based sensing platforms，demonstrating their great potential for on-site，rapid，and visual detection of pollutants. These advances provide a clear pathway toward making environmental monitoring more convenient and intelligent. Finally，current challenges and future prospects in material design，mechanism studies，application expansion，and intelligent platform development are discussed，offering theoretical and technical support for further innovations in the field.

Contents

1 Introduction

2 Carbon dots

2.1 Synthesis of carbon dots

2.2 Carbon dots fluorescence detection mechanism

2.3 Characterization of carbon dots

3 The application of carbon dots in environmental detection

3.1 Environmental detection applications of fluorescence quenched carbon dots

3.2 Environmental detection applications of fluorescence enhanced carbon dots

3.3 Environmental detection applications of ratiometric fluorescent carbon dots

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

碳点 / 荧光探针 / 环境检测 / 比率荧光传感 / 智能手机传感平台 / 环境污染物

Key words

carbon dots / fluorescence probes / environmental detection / ratiometric fluorescence sensing / smartphone sensing platform / environmental pollutants

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张淙银, 伊魁宇, 冯佳, 史洪微. 碳点作为荧光探针在环境检测中的研究进展[J]. 化学进展, 2026, 38(2): 298-318 DOI:10.7536/PC20250625

Congyin Zhang, Kuiyu Yi, Jia Feng, Hongwei Shi. Carbon Dots as Fluorescent Probes in Environmental Monitoring[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(2): 298-318 DOI:10.7536/PC20250625

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1 引言

随着经济的迅猛增长和工业化、城市化进程的急剧推进，环境污染问题日益严峻，成为制约可持续发展的重要因素^[1-2]。环境污染物的种类不断增多，来源复杂，对人类健康、生态系统及全球气候均构成严重威胁^[3-4]。因此，开发高效、灵敏且环境友好的污染物检测技术，对于准确评估环境质量、及时预警潜在风险、制定有效治理策略具有重要意义。

传统的环境污染物检测方法包括电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）^[5-6]、原子吸收光谱法（AAS）^[7-8]、气相色谱法（GC）^[9-10]、高效液相色谱法（HPLC）^[11-12]以及气相色谱质谱联用法（GC-MS）^[13-14]和高效液相色谱质谱联用法（HPLC-MS）^[15-16]。这些方法以其高灵敏度、高准确性而备受瞩目，但样品预处理过程繁琐，操作相对复杂，增加了时间成本且其所需仪器的日常维护成本高昂。当前，在众多检测技术中，荧光传感技术因其高灵敏度、选择性好、操作简便等优点而备受关注^[17-19]。碳点（CDs），作为一种新兴的零维碳基纳米材料，自发现以来便因其独特的光学性质、良好的生物相容性和低毒性，在生物成像、传感检测、光催化等领域展现出广泛的应用前景^[20-22]。特别是在环境检测领域，碳点作为荧光探针，不仅能够有效识别并响应多种环境污染物，还能够通过灵活调控其表面化学性质，实现对不同污染物的特异性检测。

本文旨在全面回顾碳点作为荧光探针在环境检测领域的研究进展，重点介绍碳点的合成策略、荧光检测机理、表征技术及其在检测金属离子、无机阴离子、有机污染物等典型环境污染物方面的应用案例。特别地，本文将深入探讨荧光猝灭型、荧光增强型以及比率型三类碳点探针的构建方案与响应机制，分析其在复杂环境基质中的抗干扰能力和自校准特性。并进一步展望其实际应用价值，包括比率型探针在智能传感平台的集成创新，以及碳点探针对于土壤、工业废水等复杂基质的检测策略与适用性。通过综合阐述碳点荧光探针在环境检测中的理论基础与实践应用，本文旨在为环境检测手段的革新提供科学依据与实践指导，推动环境检测技术的绿色化、便捷化及智能化发展，为环境保护与可持续发展贡献力量。

2 碳点

2.1 碳点的合成

碳点的合成策略主要可分为“自上而下”和“自下而上”两大类，两类方法常见的合成前体及基本路线如图1所示^[23]。

2.1.1 自上而下方法

这种方法主要是通过物理或化学手段将碳纳米管、富勒烯、石墨和石墨烯等大尺寸的碳材料切割分解为小尺寸的碳点。常用的方法包括激光烧蚀、电弧放电和电化学氧化等^[24-26]。具体而言，激光烧蚀在液体中的碳点合成基本原理是将高能脉冲激光聚焦于浸没在乙醇或水等液体介质中的石墨等固体碳靶，通过激光诱导产生的瞬时高温高压等离子体使碳靶气化、剥离并破碎。在此过程中，碳源与周围液体或添加的含氮前体等掺杂剂在形成的空化气泡微型反应器内发生反应，最终自组装成尺寸均匀、结晶度良好的碳点，并稳定分散于溶液中。该方法无需强酸等有害化学品，工艺简单一步完成，且可通过调节激光参数和前驱体实现对碳点尺寸、结构和表面化学的调控^[27]。电弧放电法合成碳纳米材料的基本原理是利用石墨电极间直流电弧产生的高温等离子体使阳极石墨蒸发，形成高密度碳原子、离子和团簇；这些碳物种在特定温度梯度和空间域中经历输运、成核与生长，最终在阴极或反应室壁沉积形成目标产物。通过对缓冲气体成分与压力、催化剂、电流电压及外部磁场等关键参数的精准调控，实现对碳点等碳纳米材料及其结构特征的有效控制。该方法以制备结晶度高、缺陷少的碳纳米材料著称，适用于高质量纳米材料的大规模合成^[28]。电化学氧化法则是以石墨棒等宏观碳材料为电极，在特定电解质溶液中施加电流，通过电化学驱动下的氧化刻蚀作用，将大尺寸碳源高效剥离并功能化，从而制备出高纯度、尺寸均一的碳点。尽管该工艺在实验室层面能实现对碳点性能的良好调控，但其过程涉及复杂的电解系统与后处理步骤，操作要求较高，因此在大规模绿色合成中的应用潜力仍有待进一步发掘^[29]。然而，这类方法通常涉及强烈的物理或化学过程，需要大量的强酸和苛刻的合成条件，这些苛刻条件导致其能耗高、产率相对较低，且所制备的碳点表面官能团种类较为单一，后续功能化修饰的灵活性受限，限制了其大规模应用。

2.1.2 自下而上方法

自下而上方法则是以小分子物质如柠檬酸、生物质、尿素和邻苯二胺等为原料，通过水热、微波、过热解等碳化过程制备碳点。这类方法包括水热法、热解法、微波辅助法和溶剂热法等^[30-33]。水热法基本原理是将生物质或有机分子碳前驱体与水等溶剂置于密闭的高压反应釜中，通过高温高压条件，促使前驱体发生脱水、碳化和表面功能化等一系列反应，最终形成尺寸微小、水溶性良好的碳点，该方法目前在通过果汁、植物提取物及废弃物等绿色前驱体合成碳点的领域备受关注^[34]。热解法则是通过在惰性气氛中对有机或生物质前驱体进行高温热处理，使其经历脱水、降解和碳化等一系列复杂反应，从而形成尺寸小于10 nm的碳点。该过程操作简便、成本低廉、反应快速且无需溶剂，因而具备良好的可扩展性。然而，该方法在碳化过程中极易导致碳点发生团聚是其面临的主要挑战。尽管如此，通过精确调控热解温度、持续时间及反应体系pH值等参数，仍可有效调整所得碳点的性能，使其在传感、生物成像及能源存储等领域展现出应用潜力^[35]。微波辅助法作为一种高效且绿色的碳点合成方法，其核心是利用微波的介电加热效应，使反应物分子在交变电场中高速摩擦生热，从而实现前驱体的快速碳化与功能化。该方法通常将生物质原料与反应介质混合，在密闭体系内通过微波辐射数十秒至数分钟，即可一步完成碳点的合成与表面钝化。其优势在于反应速率快、能量集中、加热均匀，且通常无需复杂后处理^[36]。其中，水热法因其操作简便、成本低廉、易于控制等优点而得到广泛应用，在该方法中尤为突出的是，通过对前驱体的精确组合与温度、pH值、时间等反应参数的调控，得以对碳点的尺寸、石墨化程度及表面官能团的种类与数量进行有效调控，从而实现对碳点荧光性能的按需设计。

总体而言，自下而上法以其温和的反应条件、丰富的前驱体来源、优异的可调控性以及更高的产率，已成为当前合成功能化碳点的主流策略。

2.2 碳点荧光检测机理

碳点作为一种新型的荧光纳米材料，在环境检测领域展现出巨大的潜力。其荧光检测机制多种多样，目前研究较为深入的主要包括荧光共振能量转移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET）、聚集诱导猝灭效应（Aggregation-caused quenching，ACQ）、聚集诱导增强效应（Aggregation-induced emission，AIE）、光诱导电子转移（Photoinduced electron transfer，PET）以及荧光内滤效应（Inner filter effect，IFE）等。

2.2.1 荧光共振能量转移

作为一种非辐射的能量跃迁过程，荧光共振能量转移理论于1948年由德国科学家Förster首次提出。荧光共振能量转移是指当一个荧光分子（供体）的荧光光谱与另一个荧光分子（受体）的激发光谱相重叠时，供体荧光分子的激发会通过非辐射的偶极-偶极耦合作用，将激发能直接传递给邻近的受体分子，同时供体荧光分子自身的荧光强度衰减。因此，在有效的FRET体系中，可以观察到供体荧光强度的衰减和受体荧光强度的增强。在碳点荧光检测中，碳点可以作为供体或受体分子，通过将碳点与特定的识别单元连接，分析物的存在会引起供体-受体间距离或光谱重叠程度的改变，从而改变FRET效率。与其他荧光物质的相互作用实现能量转移。这种能量转移的程度与供体和受体分子之间的空间距离紧密相关，一般为1~10 nm时即可发生FRET。通过监测供体或受体荧光强度的变化，可以间接检测目标分析物的存在或浓度^[37-38]。

2.2.2 聚集诱导猝灭效应

聚集诱导猝灭效应是指多数碳点在聚集态下，由于粒子间相互作用会产生能量转移、表面电子跃迁和碳核间π-π相互作用等非辐射跃迁方式，导致荧光猝灭。其中，碳核间的π-π相互作用是其荧光猝灭的主要诱因，它为激发态能量提供了非辐射衰减的通道。这种效应限制了碳点在固态发光领域的应用。例如，在制备高浓度检测试纸、或发光器件时，ACQ效应会导致信号显著降低甚至完全猝灭。然而，通过在碳点表面引入官能团和在碳点表面增加电荷等方式进行合理的设计和调控，可以制备出能有效抑制π-π堆积进而具有抗ACQ效应的固态发光碳点，从而拓宽其在环境检测中的应用范围^[39-40]。

2.2.3 聚集诱导增强效应

与ACQ效应相反，聚集诱导增强效应是指某些荧光物质在聚集状态下荧光强度反而增强的现象。其核心机理可归因于分子内运动受限（Restriction of intramolecular motion，RIM）。在分散态时，AIE分子中的化学键旋转或分子振动等运动消耗了激发态能量，导致荧光微弱；而在聚集态时，这些运动受到物理限制，迫使能量通过辐射跃迁途径释放，从而显著增强荧光。在碳点领域，具有AIE效应的碳点在聚集状态下能够保持或增强荧光发射，这使得它们在环境检测中具有独特的优势，尤其适合于制备高灵敏度的固态或高浓度检测探针，因为它们能够有效克服传统探针在固态或高浓度下因ACQ效应导致的信号衰减问题，显著提升检测的稳定性。这类碳点通常具有丰富的表面官能团和特殊的分子结构，使得它们在聚集状态下能够形成有利于荧光发射的微观环境^[41-42]。

2.2.4 光诱导电子转移

光诱导电子转移是指在光激发下，电子从基态跃迁至激发态，随后激发态电子在分子内或分子间进行转移。在碳点荧光检测中，碳点可以作为电子给体或受体，通过与其他物质的相互作用实现电子转移。如图2所示，根据碳点与相互作用物质之间的能级相对位置，PET具体可分为两种模式：若电子受体的HOMO能级高于碳点的HOMO能级，被光激发的电子会自发地从受体转移到碳点的HOMO空轨道上，此非辐射的电子转移过程与荧光发射的辐射复合过程相互竞争，消耗了激发态能量，导致碳点荧光猝灭，这种现象称为a-PET。反之，b-PET过程即当碳点的LUMO能级高于受体的LUMO能级时，激发态的电子会从碳点转移至受体，同样会消耗激发态能量，发生电子转移使荧光猝灭。在实际的探针设计中将受体与碳点进行耦联，受体引发PET使探针荧光保持关闭，通过目标分析物与受体的结合抑制PET，使得碳点荧光恢复，实现荧光增强检测。通过监测荧光强度的变化，可以间接检测目标分析物的存在或浓度^[43-44]。

2.2.5 荧光内滤效应

荧光内滤效应是荧光分析中一种由吸光物质引起的表观荧光猝灭现象。IFE指荧光物质浓度较大或者与其他吸收体并存时，荧光物质或吸收体对发射光或激发光或两者同时吸收导致荧光减弱的现象，其本质并非荧光物质与分析物之间发生了的电子转移或能量转移等分子作用，而是一种物理光学过程。通过碳点的荧光光谱与分析物吸收光谱有明显重叠，加入分析物后碳点的吸收峰及荧光寿命不发生变化，得出猝灭过程中存在内滤效应的结论^[45-46]。

综上所述，碳点的荧光检测机制多种多样，每种机制都有其独特的优势和适用范围。在实际应用中，需要根据目标分析物的特性和检测需求选择合适的荧光检测机制，以实现高效、准确的环境检测。

2.3 碳点的表征

为了全面了解碳点的性质，需要采用多种表征方法对其进行分析^[47]。以下是常用的几种表征方法。

2.3.1 显微技术

扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）是常用的显微技术，可以提供关于碳点尺寸、尺寸分布和形貌的信息。通过SEM和TEM图像，可以直观地观察到碳点的形态和分散性。

2.3.2 光谱分析

光致发光光谱（PL spectroscopy）和紫外-可见吸收谱（UV-Vis absorption spectra）是常用的光谱分析方法，用于研究碳点的光学性能。通过PL光谱，可以了解碳点的荧光发射波长和荧光强度；而UV-Vis吸收谱则可以提供关于碳点吸收特性的信息。

2.3.3 结构成分分析

X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（RS）、X射线光电子能谱（XPS）、傅里叶红外光谱（FTIR）等方法用于分析碳点的结构和化学成分。这些方法可以提供关于碳点的晶体结构、化学键合状态和表面官能团的信息。

2.3.4 其他分析方法

质谱（MS）、核磁共振光谱（NMR）和热重分析（TGA）等方法也可用于碳点的表征。这些方法可以提供关于碳点的分子质量分布、原子组成和热稳定性的信息。

3 碳点在环境检测中的应用

基于碳点构建的探针凭借其高灵敏度、快速响应以及操作简便等显著优势，在环境监测领域展现出了巨大的应用潜力。这些探针能够高效地检测环境中的金属离子、无机阴离子以及有机污染物，为环境质量的精准评估提供了有力支持。我们将从荧光猝灭型碳点、荧光增强型碳点以及比率型荧光碳点这3种类型出发，详细阐述碳点在环境监测中的广泛应用。

3.1 荧光猝灭型碳点的环境检测应用

荧光猝灭型碳点（Q-CDs），在与特定分析物相互作用时，会展现出显著的荧光强度减弱乃至完全猝灭的现象。作为负向检测策略，荧光猝灭信号以其广泛的适用性和高度的选择性，在分析检测领域占有一席之地。特别是在针对金属阳离子的传感研究中，Q-CDs探针在识别诸如Fe³⁺、Cu²⁺、Al³⁺及Hg²⁺等高毒性金属离子时，展现了出色的选择性和实用性，其中Fe³⁺的检测尤为引人关注。

Fe³⁺广泛来源于钢铁生产、矿石提炼及化肥、农药使用等环境排放，其人体内异常水平可能对健康构成风险，如引发帕金森病。因此，开发高效的Fe³⁺检测技术至关重要。近年来，基于CDs的Fe³⁺探针研究层出不穷，特别是在CDs前驱体的选择上取得了显著进展。Ma等^[48]采用柠檬酸（CA）和三聚氰胺为前驱体，通过简便的一步水热法合成了氮掺杂碳点（N-CDs）荧光探针。其FRET效应致使430 nm处蓝色荧光猝灭，检测范围为20~80 μmol/L，检出限为3.18 μmol/L，且在实际水样中表现出良好的准确性与重复性（回收率97.04%~100.58%）。Ye等^[49]以4，5-二氟-邻苯二胺和乙二胺为前驱体，采用水热法合成绿色荧光碳点（FNCDs）荧光探针。由图3可知，FNCDs具有优良的光学特性，且可通过内滤效应实现Fe³⁺检测（512 nm荧光猝灭）。检测范围0.2~300 μmol/L，检出限为0.08 μmol/L；在实验室/宿舍水样中加标回收率≤107.5%，RSD<1.1%，表明其对多水源Fe³⁺检测的适用性。

Cu²⁺是广泛存在于水和大气中的一种金属污染物，这些环境中的Cu²⁺可通过多种途径在人体内积累。人体内Cu²⁺水平异常可能引发贫血、铜中毒、心血管疾病以及神经系统疾病。因此，采用碳点作为荧光探针来检测环境中的Cu²⁺显得尤为重要。Sanni等^[50]选取松果生物质作为原料，通过微波热解法成功合成了松果碳点（PC-CDs）荧光探针。Cu²⁺与PC-CDs表面特定官能团相互作用导致PC-CDs荧光发生猝灭。PC-CDs实现了Cu²⁺的检测范围为2.5~22.5 μg/mL，检出限低至0.005 μg/mL，这些性能在图4得以证明。另一方面，Zhang等^[51]首先利用FeCl₃制备了Fe₃O₄，再以之与核黄素作为前驱体，结合水热法制备了一种新型的磁碳点（M/CDs）荧光探针，该探针同样具备高选择性检测Cu²⁺的能力。在Cu²⁺存在的情况下，光诱导电子转移过程导致CDs荧光猝灭，使得该探针对Cu²⁺的检测范围达到0.2~50 mg/L，检出限为0.096 mg/L。

Al³⁺主要源于化石燃料燃烧、铝加工废水及农药，经迁移进入水土环境并于人体富集。过量Al³⁺可导致神经、消化、骨骼及肾脏损伤，亟需碳点荧光探针实现检测。Jian等^[52]通过微波法以壳聚糖和o-苯二胺（OPD）为原料，制备了黄色荧光碳点（Y-CDs）荧光探针，用于水体中Al³⁺的检测。Al³⁺与Y-CDs表面官能团的相互作用引发静态猝灭，使得该探针对Al³⁺的检测范围达到10~100 μmol/L，检出限为0.2 μmol/L。

Hg²⁺源于自然地质活动与燃料燃烧、垃圾焚烧等为排放，经大气沉降污染环境，其神经、肾、生殖等多系统毒性突显了检测的必要性。Song等^[53]以谷胱甘肽（GSH）、二乙烯三胺（DETA）和柠檬酸铁铵（AFC）为原料，通过一步溶剂法制备了发射蓝光的碳点（M-CDs）荧光探针，用于Hg²⁺的检测。其通过静态猝灭和内滤效应使得荧光猝灭，检测范围在0.008~0.08 μmol/L，检测限为5.40 nmol/L。

此外，对Pb²⁺和Cr⁶⁺等其他金属离子的检测对于环境修复同样具有重要意义。Ren团队^[54]采用¹H-苯并三唑与氯化胆碱作为前驱体，通过溶剂热合成了富氮碳量子点N-CQDs荧光探针，其对Co²⁺表现出了优异的荧光检测性能。Co²⁺可与N-CQDs表面官能团配位，使其在325 nm处的蓝色荧光明显猝灭，该探针在5~250 μmol/L呈现良好线性，检出限低至1.2269 μmol/L。值得一提的是，研究团队将N-CQDs成功应用于真实工业高盐废水分析，且证明了该探针于复杂基质的适应性极好：在高盐废水中，N-CQDs对Cl⁻的耐受性强，但对SO₄^2-较敏感，因此需通过钡盐沉淀法除硫的预处理后再进行检测。这显示了N-CQDs在工业废水体系中实现高精度、高可靠性检测的巨大潜力。

Idrees等^[55]以葫芦巴籽为原料并一步水热合成了碳点（CDs）荧光探针，用于Pb²⁺的检测。CDs上的—NH₂和—OH基团与Pb²⁺发生配位及非辐射电子转移致荧光猝灭。其检测范围在39.5~395 μmol/L，检出限为9.345 μmol/L。这种环保荧光探针在天然水体中Pb²⁺的检测方面展现出良好前景。至于Cr⁶⁺，虽然其Cr³⁺形式对人类是必需的微量元素，但Cr⁶⁺已成为致癌物，对人体健康构成严重威胁。Tall等^[56]以PA和L-精氨酸为原料，通过一锅水热法制备了515 nm绿光氮磷掺杂碳点（N，P-CDs）荧光探针。加入Cr⁶⁺后，由于FRET、PET、IFE作用，N，P-CDs荧光发生猝灭，该探针对Cr⁶⁺的检测范围在0.05~3 μmol/L，检出限为26 nmol/L。Bardhan等^[57]则是选取柠檬酸与乙二胺作为起始材料，采用水热法合成了含氮碳点（CDs），将之掺入天然矿物蓝晶石构建KYCDs荧光探针，用于环境中Cr⁶⁺的检测。当Cr⁶⁺存在时，其引起的PET过程使碳点在460 nm处的荧光显著猝灭，检测限低至0.11 μmol/L，线性范围为0~34 μmol/L，且在宽pH范围及自来水、池塘水和制革废水等多种实际水样中均保持良好检测效果。即使成分复杂的实际制革废水中，KYCDs仍无需预处理便可有效抵抗干扰，且对其中浓度高达19.8 mg/L的Cr（VI）实现快速、显著的荧光猝灭响应，展现出了其优异的抗干扰能力和选择性。

随着荧光猝灭型碳点在传感技术领域的持续深入，其应用范围已逐渐拓展至无机阴离子的检测领域。尽管这些无机阴离子在结构与电荷特性上与金属离子存在显著差异，但它们却能与碳点表面的特定官能团形成稳定的络合物或参与电子转移过程，从而有效地调控荧光信号，实现对无机阴离子的精准检测。

硫化物离子（S²⁻）主要源自矿石加工中硫化物的分解、造纸与纺织业制浆过程中含硫废水的排放，以及化工生产中硫化氢的释放，经农作物吸收和食物链富集可致人体肝肾损伤，亟需精准检测。Zeng等^[58]巧妙地以三聚氰胺和2，4-二氟苯甲酸为前驱体，水热合成了一种新型的氮、氟共掺杂碳点（N，F-CDs）荧光探针，通过形成基态络合物的静态猝灭实现S²⁻检测，检测范围宽达0~30 μmol/L，检出限低至168 nmol/L，并且可根据Cd²⁺与络合物中S²⁻结合生成CdS的原理联动检测Cd²⁺，检测范围为0~30 μmol/L，检出限为340 nmol/L。值得一提的是，该荧光探针再自来水样本加标回收率为96.2%~103.5%，RSD<6.13%。

次氯酸根离子（ClO⁻）是具有强氧化能力和漂白能力的活性氧物质，适量的ClO⁻还能消炎杀菌。然而工业及生活污水排放的ClO⁻在水体过量积累，其强氧化性可引发严重健康风险如心血管疾病和癌症，需通过碳点荧光探针实现精准检测。Wang等^[59]通过水热法合成氨基苯硼酸功能化氮掺杂碳点（GAAP-CDs），用于ClO⁻特异性检测。该探针通过ClO⁻诱导的C—B键断裂及荧光猝灭机制，在375 nm处表现出显著响应，并在490 nm产生新吸收峰。检测范围0.1~1000 μmol/L，检出限0.50 μmol/L。在自来水/饮用水检测中回收率达99.2%~100.8%，表明其环境水样检测潜力。

荧光猝灭型碳点不仅在金属阳离子与无机阴离子污染物的检测中展现出其独特价值，还成功地拓宽了应用范围，特别是在有机污染物的识别上，尤为突出的是在四环素类抗生素、芳香族化合物及挥发性有机物等领域的应用上，彰显了其广泛的适用性。

四环素类抗生素（Tetracyclines，TCs），作为医疗领域广泛应用的广谱抗菌剂，对多种球菌和杆菌表现出强大的抗菌活性。然而，其环境残留因难降解性和高毒性代谢物威胁水土安全，突显精准检测的需求。He等^[60]以柠檬酸和尿素为前驱体，通过一步微波辅助法合成了石墨氮化碳点（g-CNQDs）荧光探针。在TC加入后因静态猝灭与IFE而显著减弱荧光探针强度。该探针对TC的检测浓度范围为7~100 μmol/L，检出限低至0.48 μmol/L。在实际水样TC的检测中，该探针的回收率介于97.77%~103.4%，相对标准偏差为1.05%~5.87%，表现优异。

土霉素（Oxytetracycline，OTC）作为四环素类抗生素的一员，在畜牧业、水产养殖和人类医疗中均有广泛应用。然而，其在环境中的残留及对人类的潜在风险已成为全球关注的焦点。因此，对环境中土霉素含量的准确检测至关重要。Gao等^[61]以橙皮和西瓜皮为原料，采用一步水热法合成了氮掺杂碳点（ON-CQDs和WN-CQDs），分别在320和280 nm激发下发出明亮的荧光。基于荧光猝灭效应，这两种N-CQDs被开发为高效荧光探针，用于环境样品中土霉素（OTC）的高灵敏度检测。OTC通过与N-CQDs的氨基基团作用发生FRET，导致荧光强度显著降低。图5展现了两种N-CQDs对OTC优异的检测性能，ON-CQDs和WN-CQDs对OTC的检测浓度范围分别为2~100和0.25~100 μmol/L，检出限分别低至0.973和0.077 μmol/L。在土壤、自来水及湖水等实际样品检测中，该方法均表现出优异的准确性与抗干扰性。特别是针对成分复杂的土壤基质，通过乙腈萃取-离心-过滤的前处理步骤有效消除了基质干扰，使得所有样品的OTC加标回收率达91.7%~103.2%，RSD<5.35%，验证了N-CQDs探针在复杂环境中的实用潜力。这一研究为环境中抗生素残留的快速检测提供了一种绿色、高效的解决方案。

4-硝基苯酚（4-Nitrophenol，简称4-NP），作为一种核心芳香族化合物，在众多工业领域如农用化学品、炸药、纺织品、皮革及药品的生产中占据着不可或缺的地位。其高毒性、难降解及水溶性特性迫切需求高效检测技术。Venugopalan等^[62]巧妙利用甜旗的干根茎作为起始材料，通过微波辅助技术合成了甜旗衍生碳点（SFCDs），这种碳点作为一种新型且成本效益显著的荧光探针，在监测水体4-NP含量方面展现出巨大潜力。其通过形成迈森海默复合物引发的静态猝灭与轻微IFE作用使SFCDs荧光猝灭，实现对4-NP在0~14.28 μmol/L线性范围内的检测，检出限低至0.207 μmol/L。Ashokan等^[63]选择邻苯二胺和油酸作为前驱物，采用一锅合成策略成功制备了在555 nm波长下呈现黄色荧光的碳点。基于这些碳点构建的荧光探针，能够基于—NO₂基团和—OH基团与碳点表面官能团作用致静态猝灭，分别实现对水体中2-硝基苯酚（2-NP）和4-NP的选择性检测。其检测浓度跨度为0.74~134 μmol/L，检出限分别精细至6.4和4.8 nmol/L。

甲醛（Formaldehyde，简称FA），作为工业化与城市化进程中大量释放的挥发性有机污染物，其来源广泛。对人体而言，环境中的甲醛可引发呼吸、神经及免疫系统功能受损，甚至增加癌症风险。针对甲醛的环境友好型检测技术，Li等^[64]创造性地以天然多酚化合物单宁酸（TA）和尿素为原料，通过水热法合成了氮掺杂单宁/尿素碳点（TA-CDs）荧光探针。该探针展现出对甲醛基于荧光猝灭的高度特异性和敏感性检测能力，其与甲醛之间相互作用，导致荧光探针结构发生变化，进而影响其发光特性。该荧光探针对甲醛的检测范围宽泛，介于0.00015~0.035 mmol/L之间，检出限低至0.296 μmol/L，为室内空气质量监测提供了一种切实可行的方案。

荧光猝灭型碳点探针的实用价值更体现在其对复杂真实环境样本的检测能力上。后续研究将更多地通过对土壤、工业废水等更具挑战性的基质进行系统分析，并辅以针对性的前处理策略，充分展现了碳点探针在复杂体系中的巨大应用潜力。

Du等^[65]将对苯二胺作为前驱体，通过微波辅助水热法合成了红色荧光氮掺杂碳量子点N-CQDs荧光探针，其被开发作一种用于检测甲草胺的高性能荧光探针。甲草胺与N-CQDs表面间的芳香π-π堆积和氢键相互作用，导致N-CQDs在601 nm处的荧光发生明显猝灭，线性范围宽至0.005~150 μmol/L，检出限为0.2 nmol/L。另外，该探针在土壤提取液中展现了强大的潜力，研究团队将其直接用于经均质、干燥、过筛、乙醇超声萃取、离心和膜过滤预处理后的土壤提取液，并获得了86.6%~114.3%的满意回收率，显示了N-CQDs良好的基质兼容性与实用前景。

Mao等^[66]别出心裁地选择了火龙果籽作为天然前驱体，并采用超声辅助水热法成功合成了蓝色荧光碳点P-CDs。该碳点作为高性能荧光探针，表现出了对腐殖酸的高度特异检测性能。基于腐殖酸与P-CDs之间的FRET，P-CDs在463 nm处的荧光被腐殖酸明显猝灭，线性范围为3.0~120.0 mg/L。在实际应用方面，研究团队在湖水、自来水、以及校园花坛和药用植物园内经碱液提取-离心前处理的土壤样品，验证了探针在实际样品中的可靠性，所有样品的加标回收率均在96.4%~104.5%，RSD均小于1.2%，与高效液相色谱法的测定结果吻合，验证了P-CDs在复杂土壤基质中良好的准确性与抗干扰能力。

Keerthana等^[67]以L-丝氨酸和柠檬酸为前体，通过微波辐照法合成了氮掺杂碳量子点（N-CQDs），随后进行硼酸功能化处理，成功制备了硼/氮共掺杂碳量子点（B/N-CQDs）荧光探针以精准检测工业废水中苦味酸（PA）。PA存在时，B/N-CQDs在427 nm处的荧光基于FRET机制而猝灭。该探针分析性能优异，检测限低至1.8 nmol/L，线性范围为37 nmol/L~30 μmol/L，且在污水、成分复杂的烟花与染料工业废水展现出卓越的适用性实际应用中，展现出卓越的适用性，废水样品仅需经简单膜过滤，即可直接用于检测。在此简化流程下，其对苦味酸的检测回收率仍高达98%~101%，证明了该探针抗干扰能力强，无需复杂前处理，非常适合工业废水的快速现场筛查。综上，荧光猝灭型碳点已被广泛应用于多种环境目标物的检测，其代表性检测性能参数对比汇总见表1。

3.2 荧光增强型碳点的环境检测应用

与猝灭型碳点截然不同，荧光增强型碳点（E-CDs）在遭遇特定环境因素或分析物时，会展现出荧光强度的显著跃升。作为正向检测策略，荧光增强信号凭借其高灵敏度与低背景噪声干扰，在检测领域中独树一帜。尽管荧光增强型探针在阴离子检测领域应用广泛，但其在金属离子分析方面也展现出了不俗的潜力，这些金属离子通过与碳点表面的配位作用或诱导其聚集，促使荧光强度的提升，为荧光增强型探针在金属离子检测的应用奠定了坚实基础。

Peng团队^[68]巧妙地利用三乙氧基硅烷（APTES）和柠檬酸（CA）作为前驱体，通过溶热法合成了掺硅碳点（Si/CDs），并与沸石咪唑酯框架-90（ZIF-90）结合，打造出一种新颖的荧光探针——CDs@ZIF-90。该探针对Al³⁺和Hg²⁺展现出高度的选择性检测能力，其中，Al³⁺能显著增强其在453 nm处的荧光，而Hg²⁺则导致荧光猝灭。CDs@ZIF-90的检测范围分别覆盖Al³⁺（1~200 μmol/L）和Hg²⁺（0.05~240 μmol/L），检测限更是低至0.81 μmol/L（Al³⁺）和19.6 nmol/L（Hg²⁺）。

Yan团队^[69]另辟蹊径，以柠檬酸和九水硫化钠为起始原料，水热合成了含硫碳点CDs（s），进而将其与UiO-66-NH₂（Eu）结合，创新性地开发出双发射荧光探针UiO-66-NH₂（Eu）-CDs（s）。Hg²⁺与探针表面的氨基和含硫官能团螯合使436和712 nm两处发射峰的荧光强度均大幅上升，检测范围宽达0~100 μmol/L，检测下限更是精确至76.67 nmol/L。更令人称奇的是，该探针对Pb²⁺的检测同样基于荧光增强机制，但仅增强436 nm处的发射峰。基于这一特性，Yan团队构建了3D分析模型，成功实现了Hg²⁺和Pb²⁺的同时检测，并在实际水样分析中取得了显著成果，为多金属离子同步检测提供指导。

Kaur团队^[70]则采用没食子酸（GA）和N，N-二甲基甲酰胺（DMF）为前驱体，通过一锅水热法制备了氮掺杂碳点（GA-DMFCDs）荧光探针，其基于表面官能团与Pb²⁺螯合引发聚集诱导发光增强效应（AIEE）使荧光增强实现对Pb²⁺的检测。该探针的检测范围覆盖30~120 μmol/L的Pb²⁺，检测下限为715 nmol/L。凭借其卓越的选择性、灵敏度和便捷性，GA-DMFCDs荧光探针有望成为环境领域内Pb²⁺检测的一种有效手段。为拓展其实际应用，团队进一步将GA-DMFCDs固定在滤纸上构建了一种便携式检测平台；如图6所示，加入Pb²⁺后，检测区在日光下可观察到颜色从淡黄色变为浅粉色的明显比色响应，在紫外光辐射下也观测到相应的荧光变化。研究团队将该试纸条集成于一个内置样品孔与微流控通道的塑料盒中，样品可自动流至检测区并显示颜色变化，证实了其在现场快速检测中的应用潜力。

相较于其他污染物，荧光增强型碳点在无机阴离子检测领域展现出了更为广泛的应用潜力。被检测的阴离子通过与碳点发生氧化还原反应或形成络合物，能够显著增强荧光效应。

Ge等^[71]创造性地选用六亚甲基四胺和柠檬酸铵作为前体，水热合成了绿色发射氮掺杂碳点（N-CDs）荧光探针，其基于“开-关-开”机制检测Cu²⁺和S²⁻。Cu²⁺会与N-CDs表面的氨基配位，导致荧光猝灭；随后S^2-与Cu²⁺结合生成CuS，使荧光恢复。该探针对Cu²⁺和S^2-的检测浓度范围分别为0.05~5 μmol/L和0.05~10 μmol/L，检出限则低至25和32 nmol/L。该探针还在湖水中Cu²⁺和S^2-的实际检测应用中表现良好，具有分析化学和环境修复应用前景。

氟离子（F^-）主要来源于铝冶炼等工业排放和农业活动。摄入过量氟可致人氟斑牙、氟骨症并损伤肾脏及引发甲状旁腺增生。因此，开发绿色、高灵敏、简便的F⁻荧光探针对保障健康和环境安全至关重要。Chen等^[72]以柠檬酸和尿素为前体，通过水热法合成了氮掺杂碳点（NCDs）荧光探针。该探针利用Al³⁺介导的荧光“关闭-开启”模式检测水体中F^-。Al³⁺与NCDs表面的含氧官能团反应，导致荧光猝灭；F^-加入后与Al³⁺配位使Al³⁺脱附，荧光得以恢复。该探针对F⁻的检测浓度范围为20~300 μmol/L，检出限则达到了0.65 μmol/L。

Zhang等^[73]则以2，3-二氨基吡啶和硒脲为前体，通过水热法合成了硒氮掺杂碳点（Se，N-CDs），并与姜黄素结合构建了用于F^-检测的荧光探针。其检测机制基于姜黄素通过IFE猝灭Se，N-CDs的黄色荧光；F^-加入后形成姜黄素/F^-复合物，使吸收峰蓝移且IFE被减弱，荧光恢复。该系统对F^-的检测浓度范围为2~60 μmol/L，检出限低至0.39 μmol/L。该探针已成功应用于自来水和牛奶中F^-的定量分析，回收率为92.6%~109.5%，且RSD<7.9%，展现了其在环境和食品检测的潜力。

Pang等^[74]以富氮材料腺嘌呤（AD）和乙二胺一步水热合成了氮掺杂碳点（N-CDs）荧光探针。该探针基于荧光增强效应检测次氯酸根离子（ClO^-），ClO^-氧化N-CDs表面基团的触发了AIEE致吸收红移并在535 nm处绿色荧光显著增强。该探针对ClO^-的检测浓度范围为0.01~1 mmol/L，检测限为0.82 μmol/L。在自来水、池水和河水样品中该探针回收率范围为90.0%~125.0%，RSD≤5.0%。更令人惊喜的是，该探针的荧光增强效应可被NaBH₄还原实现再生。该荧光探针是首个基于荧光增强型N-CDs的ClO^-探针，为环境水体消毒剂监测提供了新策略。

PO₄^3-作为磷肥的关键组分，在植物生长发育过程中不可或缺。然而，过度施用磷肥导致水体中PO₄^3-浓度攀升。鉴于此，研发一种既环保、又快速且灵敏度高的荧光检测器，以准确监测水体中的磷酸盐含量，显得尤为重要。Han等^[75]利用造纸厂过剩污泥（PMS）作为前驱体，水热合成了造纸厂过剩污泥碳点（PMS-CDs），作为绿色“开启”型碳点荧光探针检测PO₄^3-。PO₄^3-与PMS-CDs表面的氨基发生反应，并通过静电作用增强荧光信号。该荧光探针对PO₄^3-的检测范围广泛，覆盖了9.96~500 μg/L的浓度区间，且检测限低至3.28 μg/L。

Zhu等^[76]则另辟蹊径，以尿素和柠檬酸钠为前体，通过微波法合成了蓝色荧光碳点，并进一步与硝酸锌和2-甲基咪唑结合，采用一锅法制备出了新型荧光探针CDs@ZIF-8。该探针巧妙地利用连续“开启”-“关闭”-“开启”的模式，实现了对Fe³⁺和PO₄^3-的顺序性检测。在Fe³⁺存在时，CDs@ZIF-8与其相互作用形成静态猝灭；PO₄^3-加入后，其自发与Fe³⁺反应生成络合物，使荧光恢复。该探针的检测范围宽广，覆盖了0~1 mmol/L的浓度区间，且检出限达到了5.2 μmol/L。

除了无机阴离子外，某些具有特定识别位点的有机小分子也能诱发碳点的荧光增强效应，这一应用在抗生素和挥发性有机物的检测中已初见成效。

Li等^[77]选取邻苯二胺（OPD）和尿素作为前体，通过微波辅助法成功合成了氮掺杂碳点（N-CDs）荧光探针。该探针能对Fe³⁺进行“关闭”型荧光检测，还能对四环素（TC）实现“开启”型荧光检测。Fe³⁺通过动态猝灭显著降低了N-CDs在524 nm的荧光强度，而对TC的检测则是向N-CDs中加入三乙醇胺（TEA）掩蔽Fe³⁺后TC通过氢键作用吸附于N-CDs表面，致使荧光增强。该探针对Fe³⁺和TC的检测范围分别为1~70 μmol/L和0.1~10 μmol/L，检出限分别低至0.1011和0.0555 μmol/L。

Li等^[78]还以中性红和硫脲为前体，水热合成了红色荧光碳点（R-CDs）荧光探针。该探针基于AIEE，实现了对四环素类抗生素（TCs）和pH的双功能“开启”检测。OTC通过π-π堆积和静电作用诱导R-CDs聚集增强其荧光；另一方面，R-CDs表面的负电荷与H⁺中和同样触发AIEE。其中，R-CDs对OTC的检测范围广泛，覆盖了2~50 μmol/L的浓度区间，且检出限低至23 nmol/L。此为首次报道基于AIEE，且检出限达到了nmol/L级别的红光碳点TCs荧光探针。展现出了在抗生素残留监测方面的前景。

Wang等^[79]则开创性地以云杉中提取的碱木质素（AL）和间苯二胺（MPD）为前体，水热合成了一种新型氮掺杂碳点（NCQDs）荧光探针，用于检测水中的甲醛（FA）。如图7所示，该碳点表征了NCQDs对甲醛的荧光响应：NCQDs与FA反应生成席夫碱，破坏NCQDs与水之间的氢键作用，显著增强了490 nm处的荧光并且探针具备良好的定量能力与寿命响应（图7a~c）。该探针对FA的检测范围广泛，覆盖了0.05~2 mmol/L的浓度区间，且检出限达到了4.64 μmol/L。值得一提的是，该团队还拓展构建了可用于检测FA气体的NCQDs/聚乙烯复合薄膜探针。当探针暴露于甲醛气体后，薄膜的荧光增强且由蓝绿色转变为蓝色，如图7d~h所示。荧光增强型碳点在多种环境分析体系中表现出良好的检测性能，其代表性检测性能参数对比汇总见表2。

3.3 比率型荧光碳点的环境检测应用

比率型荧光探针，作为荧光检测领域的一颗新星，凭借其强大的抗干扰能力、宽广的动态检测范围、卓越的灵敏度和选择性，在诸如污水、土壤等复杂基质的分析中展现出了显著优势。其独特的双信号输出模式，不仅为复杂环境基质中的精准检测提供了内在自校准机制，更使其荧光颜色或强度比值的改变易于被便携式设备（如智能手机、便携光谱仪）捕获与解析，从而为构建智能化、现场化的快速传感平台奠定了坚实基础。比率荧光传感的核心在于具备两个针对分析物的非重叠发射峰，这意味着它拥有双重荧光信号：一是响应/指示信号，随被测物质浓度变化而灵敏波动；二是参考信号，在相同条件下保持恒定，共同构成了一个通过自校准确保测量稳定性的系统。比率荧光探针通过引入参考信号，有效降低了外界干扰导致的误差，同时保持了荧光检测的高选择性和高灵敏度。通过将指示信号荧光强度与差异明显的参考信号荧光强度相除，该探针能够消除浓度变化、光源波动等因素的干扰，实现内部校准，从而显著提升测量的准确性和可靠性^[80-81]。

目前，众多研究者已成功开发出具备环境响应特性的比率荧光碳点检测体系。这类将信号自校准与目标物识别功能完美融合的纳米探针，为精准检测复杂基质中的多种污染物提供了全新的视角。近年来，碳点荧光比率探针在重金属阳离子检测、毒性阴离子追踪以及有机污染物筛查三大领域均取得了显著成果。

Pang等^[82]通过在水溶液中直接碳化没食子酸和邻苯二胺的简便方法，成功制备出具有470和570 nm双发射峰的碳点（GN-CDs）荧光探针。该探针在酸性环境中对Fe³⁺表现出极高的选择性和灵敏度，Fe³⁺的加入导致570 nm处的荧光猝灭，而470 nm处的荧光强度保持不变，从而实现了对Fe³⁺的精准检测。其检测范围宽达0~50 μmol/L，检出限低至0.8 μmol/L。

Zhang等^[83]以普洱茶微生物发酵产物为前体，制备出表面官能团丰富的碳点（T-CDs）。他们创新地将T-CDs与邻苯二胺混合，构建出T-CDs-OPD比率-比色传感平台，用于Cu²⁺的检测。该平台的检测机制在于Cu²⁺通过配位作用猝灭T-CDs的470 nm荧光峰，同时催化OPD生成氧化产物（oxOPD），新增573 nm荧光峰。该平台对Cu²⁺的检测范围广泛（0~170 μmol/L），检出限低至51 nmol/L。

Wang等^[84]以对苯二胺和甲苯为前体，采用溶剂热法合成了红色发射碳点（RCDs），并巧妙地与槲皮素（QCT）结合，构建出RCDs-QCT荧光探针。该探针对Al³⁺展现出优异的视觉和比率荧光检测性能。其检测机制在于Al³⁺对RCDs-QCT探针在360 nm的红色荧光峰无影响，但随着QCT-Al³⁺复合物的生成，506 nm处的绿色荧光峰荧光强度显著增强。该系统对Al³⁺的检测范围广泛，为0~35 μmol/L，检出限低至90 nmol/L。并且，RCDs-QCT已实现在超纯水和自来水中的Al³⁺定量分析，展现出巨大的应用潜力。

Yin等^[85]利用柠檬酸和谷胱甘肽作为原料，通过微波加热法合成了N、S共掺杂碳点（NS-CDs）与银纳米簇（AgNCs）组装，构建了NS-CDs/AgNCs比率型荧光探针。该探针与Hg²⁺发生氧化还原反应，形成NS-CDs/Ag_n_-2NCsHg复合物，AgNCs的荧光减弱，而NS-CDs的荧光增强。该荧光探针对Hg²⁺的检测范围达到了0.1~90 μmol/L，检出限低至0.041 μmol/L。尤为值得一提的是，该探针在样品中表现出优异的回收率（92.90%~103.64%），在水环境分析中展现出巨大的应用前景。

Wang等^[86]以柠檬酸钠、聚丙烯酰胺和对苯二胺为前体，分别通过水热法和溶剂热法合成了蓝色荧光碳点（BCDs）与红色荧光碳点（RCDs），并通过简单混合构建了一种双发射比率荧光探针。该探针利用Pb²⁺对BCDs荧光的选择性猝灭效应（基于内滤效应），而RCDs的荧光作为稳定的内参比信号，实现了对Pb²⁺的高灵敏、高选择性检测。随着Pb²⁺浓度的增加，体系荧光颜色发生从蓝色到红色的显著变化。该探针对Pb²⁺的检测范围为0~200 nmol/L，检出限低至2.89 nmol/L。研究团队进一步将该探针溶液制成荧光试纸条，并与智能手机平台深度融合，构建了由试纸条、便携紫外灯和颜色识别APP组成的智能检测系统。检测流程清晰便捷：将试纸条浸入样品后，在紫外灯下用手机拍摄荧光图像，由APP自动提取RGB值并计算B/R比值，最终实现对Pb²⁺的现场半定量检测，整个流程可在5 min内完成，为水环境中重金属离子的现场快速筛查提供了强有力的工具。

Zhang等^[87]以抗坏血酸和硫脲为前体，通过一步微波法快速合成了氮硫共掺杂碳点（NSCDs），并将其与牛血清蛋白模板法合成的金纳米簇（AuNCs）简单混合，构建了NSCDs/AuNCs比率荧光探针，用于环境中Hg²⁺的检测。该探针利用Hg²⁺与Au⁺之间的强金属亲和相互作用，特异性猝灭AuNCs在690 nm处的红色荧光，而NSCDs在406 nm处的蓝色荧光几乎不受影响，从而使体系荧光颜色发生从粉紫色到蓝色的明显变化。该探针对Hg²⁺的检测范围为0.05~7.0 μmol/L，检出限为18 nmol/L。研究团队同样开发了智能手机辅助传感平台，在暗箱中用手机拍摄探针溶液在不同Hg²⁺浓度下的荧光照片，通过APP读取RGB值并计算B/R比值，实现了对Hg²⁺的可视化定量检测，并在实际水样中验证了其可靠性，展示了该方法在环境监测等领域的巨大应用潜力。

尽管重金属阳离子对环境的危害已广受瞩目，阴离子污染物的风险同样值得高度警惕。碳点基比率荧光探针凭借其独特的双信号自校准功能，在应对复杂基质中阴离子检测的难题时展现出显著优势，为精确追踪此类污染物带来了创新的解决方案。

Shao等^[88]则利用谷胱甘肽为前体，水热合成了蓝色发射碳量子点（CDs），并结合姜黄素（CCM）组装为CDs-CCM比率荧光探针用于高效检测ClO⁻。CCM通过IFE使435 nm处的CDs蓝色荧光猝灭，并诱导出540 nm处绿色荧光峰。ClO⁻氧化CCM致IFE减弱，435 nm处荧光恢复而540 nm处荧光减弱这在其荧光光谱变化（图8a）及由此建立的线性校准曲线（图8b）被证实。该体系对ClO^-的检测范围达1~1500 μmol/L，检出限为36.54 nmol/L，并在自来水、游泳池水及牛奶样品中验证了优越的回收率（90%~101%），为复杂基质中ClO⁻的快速、灵敏检测提供了新策略，展现出广阔实用前景。

Zhang等^[89]则以苝四甲酸二酐（PTCDA）和三乙胺（TEA）为前体合成绿色发射碳点（GCDs），以对苯二胺（p-PDA）为前体合成红色发射碳点（RCDs），按6∶1荧光强度比将混合并加入Eu³⁺，构建新型GCDs-RCDs比率型荧光探针检测无机磷酸盐（Pi）。其传感机制在于Eu³⁺对GCDs的ACQ致475 nm处绿色荧光猝灭，而Pi与Eu³⁺结合破坏ACQ，绿色荧光恢复，同时620 nm处RCDs的红色荧光保持稳定。GCDs-RCDs比率型荧光探针对Pi的检测范围为0~55 μmol/L，检出限低至0.09 μmol/L。在实际样品测试方面，该探针对自来水、湖水及土壤中均实现了精准检测。特别是对于土壤样品，经碳酸氢钠提取前处理后，磷酸盐的测定回收率高达94.00%~106.40%，这一结果有力地验证了该探针在复杂环境基质中卓越的准确性与抗干扰能力。此外，基于该探针的荧光试纸实现了Pi现场可视化检测，即在紫外光下观察出由红色到绿色，为环境磷酸盐监测提供新方法。

Wang等^[90]巧妙地混合蓝色发光的碳点（CDs）与红色发光的牛血清白蛋白包裹的金纳米簇（BSA-AuNCs）构建了CDs/AuNCs比率荧光探针用于氰化物（CN⁻）检测。CN⁻与BSA-AuNCs形成稳定的[Au（CN）₂]⁻络合物，导致612 nm处红色荧光猝灭，而438 nm处蓝色荧光保持稳定。该系统的CN⁻检测范围为8 nmol/L~75 μmol/L，且检测限低至8 nmol/L。该碳点荧光探针成功实现了对复杂有机污染物的灵敏检测，为环境监测技术向绿色化、智能化转型开辟了新的方向。

Nejad等^[91]在硫化物可视化检测领域取得了开创性进展，他们成功开发了CDs/AuNCs双发射比率荧光探针检测硫化物。该探针巧妙地结合了蓝色荧光CDs与橙色荧光AuNCs，硫化物因其与AuNCs形成Au₂S，导致AuNCs荧光猝灭，而CDs荧光稳定，引起从粉红到蓝的颜色变化。该探针硫化物的检测范围为1.0~50.0 μmol/L，检出限低至0.35 μmol/L，视觉检测限为4.0 μmol/L，远低于饮用水中硫化物的最大允许浓度（10.0 μmol/L）。尤为值得一提的是，研究团队结合智能手机与紫外灯实现便携检测，并在河水及废水样本，回收性能在94.3%~108.8%、RSD<5.2%、响应时间<2 min。这比率荧光探针在环境监测领域展现出重要应用价值。

Hao等^[92]则以1，2-苯二胺和柠檬酸为前体，水热碳化合成了氮掺杂碳点（N-CDs），并与桑色素-Al³⁺复合物（morin-Al³⁺）基于IFE结合构建具有双发射波长的N-CDs/morin-Al³⁺比率荧光探针检测F⁻。F⁻与Al³⁺竞争配位生成更稳定的Al³⁺-F⁻复合物，打破了IFE，使492 nm处morin-Al³⁺绿色荧光猝灭，432 nm处N-CDs的蓝色荧光恢复，实现了荧光由绿色到蓝色的转变。该探针对F⁻的检测范围为0.5~150 μmol/L，检出限为55.8 nmol/L。此外，基于该探针的智能手机RGB分析辅助的视觉传感系统对F⁻的检测范围为2.5~150 μmol/L，检出限达到2.09 μmol/L且探针已成功应用于自来水、汾河地表水中F⁻检测。此外，Yan等^[93]以茜素红和柠檬酸为前体，通过水热法合成了双发射碳点（CDs），并引入了Al³⁺构建了CDs@Al³⁺比率荧光探针用于环境中F⁻的检测。当F⁻存在时，基于F⁻与Al³⁺之间的强配位作用，探针的红光减弱、绿光恢复F⁻竞争结合Al³⁺，导致CDs@Al³⁺的聚集结构被破坏，使得红光减弱、绿光恢复，从而实现可视化检测，检测范围为150~1200 µmol/L，检出限为7.998 µmol/L。研究团队设计构建了AI集成的智能手机手持检测平台，包括试纸条、3D打印暗箱和搭载YOLO v3算法的APP，只需将试纸条置于暗箱中拍摄荧光图像，APP便可自动识别图像位置、提取R/G值，并依据内置标准曲线直接输出F⁻浓度，实现了无需人工干预的智能、便携、实时定量检测，在自来水、牙膏和牛奶中回收率达99.24%~101.66%。该研究为环境监测、食品安全等领域中F⁻的现场快速检测提供了创新解决方案，并展示了人工智能与碳点检测技术深度融合的巨大潜力。

碳点荧光探针通过结合比率荧光分析的高抗干扰能力与分子识别功能，还成功实现了对复杂有机污染物的灵敏检测，为环境监测技术的绿色化与智能化发展开辟了新路径。

Zhang等^[94]则选取牛血清蛋白（BSA）作为原料，一步水热法制备了牛血清白蛋白衍生碳点（BCDs），并与Eu³⁺结合开发了Eu-BCDs比率型荧光探针。该探针可特异性检测TC，TC通过IFE猝灭448 nm处蓝色荧光，同时基于天线效应增强Eu³⁺在618 nm处的红色荧光。Eu-BCDs对TC的检测范围广泛，覆盖0~80 μmol/L，且检测下限低至3 nmol/L。实验进一步验证了该探针在河水等样品中对TC的定量检测能力，回收率高达96.8%~103.6%。比率型荧光探针制备简便、高灵敏度及强抗干扰性等特点。

Fu等^[95]开发了一种基于碳点（CDs）并利用FRET的土霉素（OTC）荧光探针。OTC与CDs结合后触发FRET，导致405 nm处的蓝色荧光猝灭，同时505 nm处的绿色荧光增强。该探针对OTC的线性检测范围广泛，覆盖0~40 μmol/L，且检测下限低至0.41 μmol/L，响应时间仅需30 s。此外，该探针在河水、自来水、牛奶及猪肉等复杂基质中均能实现OTC的高精度检测，回收率介于93%~102%之间，相对标准偏差小于6%。该探针为食品与环境样品中土霉素残留的检测提供了一种直观、可靠的传感平台。

Qu等^[96]以N-（膦酰甲基）亚氨基二乙酸（PMIDA）和支链聚乙烯亚胺（BPEI）为前体，水热法合成了N，P共掺杂碳点（BPEI-CDs）比率荧光探针。基于席夫碱反应诱导的AIEE与π共轭增强，实现了对甲醛（FA）的检测。FA的加入致使501 nm处的荧光增强，同时408 nm处的荧光减弱，荧光从无色变为浅黄色。BPEI-CDs对FA的检测范围广泛，覆盖0~40 μmol/L，且检测下限为0.47 μmol/L。在污染食物样品中回收率96.9%~101.8%，RSD介于2.23%~3.21%，为复杂环境FA检测提供简便可靠方案。

Lu团队^[97]巧妙地使用蓝色发光碳点（CDs）与金纳米颗粒（AuNPs）构建了一种基于内滤效应（IFE）的高灵敏度荧光传感器，用于检测氨基甲酸酯类农药甲萘威（Carbaryl），如图9所示。AuNPs通过内滤效应猝灭CDs的荧光；乙酰胆碱酯酶（AChE）催化反应生成的硫代胆碱会引起AuNPs聚集，导致荧光恢复；而甲萘威通过抑制AChE活性，阻止荧光恢复，从而实现对目标物的灵敏检测。该探针在5×10^-4~1 μmol/L的线性范围内对甲萘威响应良好，且检出限低至2.5×10^-4 μmol/L，并在草莓的实际样品中得到了96.8%~103.6%的良好回收率且RSD<5%，证明了其在未来用于检测甲萘威农药的优异前景。

Clermont-Paquette等^[98]通过微波辅助法以L-谷胱甘肽和甲酰胺为前体合成了双发射碳点（CDs），构建了一种用于比率荧光检测草甘膦（Glyphosate）的荧光探针。草甘膦与CDs表面官能团相互作用，导致在600~800 nm处的红色荧光猝灭，而在415~600 nm处的蓝色荧光作为内参比信号保持稳定，如图10所示。该探针在3~10的宽pH条件下均能实现对草甘膦的检测，其在低浓度范围0~10 ppm（1 ppm=1×10^-6）内的检测限低至0.03 ppm，在高浓度范围0~500 ppm内也具有优异的检测性能。

Li等^[99]利用含大量羟基和羰基的碳点（CDs）作为载体，将Eu³⁺与5′-腺苷一磷酸（AMP）于之表面配位聚合，成功构建了一种新型的CDs@Eu-AMP比率荧光探针，用于双酚A（BPA）的检测。BPA与Eu³⁺的强配位使CDs在439 nm处的蓝色荧光减弱，而Eu³⁺623 nm处的红色荧光增强，从而实现比率型荧光响应。图11充分表明，该探针对BPA的检测范围为0.1~100 µmol/L，检测限低至20 nmol/L。且探针在河水、湖水和自来水等实际水样中回收率良好（91.80%~102.7%）。进一步基于CDs@Eu-AMP制备的咖啡环试纸可在紫外灯下实现BPA的裸眼可视化检测，如图12所示，该试纸的荧光颜色随BPA浓度增加发生由蓝到红的明显变化。

Guo等^[100]以三聚氰胺和邻苯二胺为前驱体，通过微波辐射处理成功合成了双峰激发的氮掺杂碳点（N-CDs）。N-CDs作为比率荧光探针基于IFE机制检测4-NP。4-NP的加入导致450 nm处的荧光减弱，而550 nm处的荧光增强，荧光颜色从蓝色变为绿色。该探针对4-NP的检测范围广泛，覆盖0.083~80 μmol/L，且检测限为83 nmol/L。值得一提的是，他们结合3D打印技术构建了自校准传感平台，实现了实际样品中4-NP的可视化检测，该方法简便、快速且可靠。

Chu等^[101]以柠檬酸和聚乙烯亚胺为前体，通过溶剂热法合成了蓝色荧光碳点（bCDs），并开创性地将bCDs与内部嵌入了红色发光CdTe量子点（rQDs）的SiO₂ NPs共价连接构建了一种新型的双发射比率荧光探针rQDs@SiO₂@CDs，该探针利用金纳米颗粒（AuNPs）与福美双（thiram）的特异性相互作用，实现了对福美双的高灵敏、高选择性检测。其检测机理基于“开-关-开”荧光响应，福美双与AuNPs的特异性相互作用，该过程可破坏荧光共振能量转移（FRET），使bCDs的蓝色荧光恢复，而rQDs的红色荧光作为内参比信号保持稳定。该探针对福美双的检测范围为0~10 µmol/L，检出限低至59 nmol/L。展望未来，该技术可与智能手机平台深度融合，研究团队构建了由试纸条、便携暗箱和手机APP组成的智能检测系统，如图13所示。且检测流程清晰便捷：将待测液滴加至试纸条后，将试纸条放入暗箱，用手机拍摄荧光图像，最后由APP分析R/B值，实现对福美双的定量检测。这为开发面向现场快速检测的便携式智能装备奠定了坚实基础。

Xiao等^[102]以柠檬酸和乙二胺为前驱体并采取水热法合成了蓝色荧光碳点（CDs），并与聚苯乙烯包裹的红色荧光量子点（QDs）混合构建CDs/QDs比率荧光探针。该探针基于乙酰胆碱酯酶（AChE）/胆碱氧化酶（ChOx）双酶介导的Fe²⁺/Fe³⁺转化级联催化反应，实现对氯吡磷的检测，检测范围达到了5~60 nmol/L，检出限为1.45 nmol/L。在实施路径方面，研究团队进一步开发了如图14的智能手机荧光光谱仪（SBS）与配套APP，可在380~760 nm内快速采集荧光光谱，并实现光谱重建、峰值提取与定量分析。该系统成本低廉约156美元/套，操作简便，适用于现场检测。在苹果和卷心菜的实际样品检测中，回收率达91.6%~104.2%，表明了其准确性与可靠性。该研究为农药残留的现场快速筛查提供了一种可扩展、低成本、易操作的解决方案，特别适用于资源有限地区的食品安全与环境监测。综合来看，比率型荧光碳点通过内参信号校正有效提升了检测结果的可靠性，其代表性环境检测性能参数对比汇总见表3。

4 结论与展望

近年来，随着环境污染问题愈演愈烈，对高效且敏捷的环境污染物检测技术提出了更为迫切的需求。作为一类独具魅力的零维碳基纳米材料，碳点（CDs）在环境监测领域内已崭露头角，展现出广阔的应用前景。本研究通过细致梳理碳点的合成路径、荧光探测原理及表征手段，全方位归纳了碳点荧光探针在环境监测领域的最新研究成果。尤为值得关注的是，荧光猝灭型、荧光增强型以及比率型这三种碳点探针，凭借其创新的构造理念和响应模式，在金属离子、无机阴离子、有机污染物等多种环境污染物检测中均表现出卓越性能。特别是比率型荧光碳点探针，凭借其在复杂环境背景下展现出的卓越抗干扰能力和自我校准功能，在环境监测应用中尤为亮眼。同时，碳点探针与智能手机等智能传感平台的成功集成，为实现污染物的现场快速、可视化检测开辟了新的技术路径；而针对土壤、工业废水等复杂环境基质的系统性检测研究，则充分验证了碳点探针从实验室走向实际应用的巨大潜力。这些研究成果不仅深化了我们对碳点荧光探针理论框架的理解，更为推动环境检测技术向绿色、便捷及智能化方向迈进提供了坚实支撑。

尽管碳点荧光探针在环境检测领域已取得显著进展，但仍面临诸多挑战和机遇。未来的研究方向可聚焦以下几个方面。

第一，合成方法的创新与优化：进一步探索环保、高效、低成本的碳点合成方法，以提高碳点的产量和荧光性能，降低生产成本，推动其在实际应用中的普及。

第二，荧光机理的深入探索：加强对碳点荧光机理的研究，特别是对其表面态、能级结构等关键参数的调控机制，以期设计出具有更高灵敏度和选择性的荧光探针。

第三，探针性能的提升：通过改进探针设计，提高其抗干扰能力、稳定性和长期监测能力，以满足复杂环境基质中污染物的准确检测需求。

第四，多元化应用拓展：将碳点荧光探针应用于更多类型的环境污染物检测，如新型有机污染物、微塑料等，同时探索其在食品安全、生物医药等领域的应用潜力。

第五，智能化与集成化发展：结合物联网、大数据等先进技术，推动碳点荧光探针的智能化和集成化发展，实现环境污染物的实时监测与预警，为环境保护提供更加精准、高效的科技支持。

第六，推动产业化与攻克应用瓶颈：为实现从实验室走向实际应用的跨越，需着力攻克三大关键瓶颈：批量合成的重复性与稳定性，亟待开发标准化合成工艺以保障批间一致性；探针材料的长期储存寿命，可通过表面封装、基质固定等改性策略提升其耐久性；复杂环境下的抗干扰性能与可靠性，需建立系统的性能评价标准体系以应对极端或复杂基质。解决这些问题是碳点探针迈向市场化应用的关键。

碳点作为荧光探针在环境检测领域的应用前景广阔，未来的研究将致力于解决现有挑战，推动碳点荧光探针技术的不断创新与升级，为构建绿色、可持续的生态环境贡献力量。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52171089)

辽宁省重点研发项目（民生科技类）(2024JH2/102500080)

辽宁省教育厅基本科研（面上）项目(LJKMZ20220514)

沈阳工业大学研究生教学改革研究项目(SYJG20222036)

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2025-06-23	2026-02-24	2025-10-19
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2026-02-04

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