安庆师范大学钱尼娜&郑州大学卢思宇等人Nano Research:碳点@MOF复合材料:合成策略、发光调控与新兴应用

一、摘要

碳点（CDs）因发光可调、生物相容性好、环境友好等优势备受关注，但存在固态稳定性差、功能集成受限等问题。金属有机框架（MOFs）具有高度有序多孔结构、可设计金属节点与有机配体，为构建多功能复合材料提供理想平台。将碳点与 MOFs 复合形成 CDs@MOFs，不仅能通过 MOFs 刚性限域效应抑制碳点聚集猝灭，还可通过界面耦合与结构工程精准调控碳点的光学、化学与生物行为。本文系统总结 CDs@MOFs 复合材料的主要构建策略，重点阐述共价与非共价耦合方式的结构特征与适用场景，进一步讨论 MOFs 调控碳点发光行为的机制，及其在传感、照明显示、食品保鲜、生物医学治疗等领域的最新应用进展，突出 CDs@MOFs 体系在功能集成、结构可调性与器件化应用中的独特优势。最后指出该类材料当前面临的挑战与潜在应用前景，为该领域未来发展提供设计思路与指导。

二、研究背景

光电与发光功能材料的快速发展推动了显示、照明、传感、信息安全、生物医学等领域的技术进步，高性能、绿色可持续、低成本成为材料研发核心方向。传统无机半导体量子点、钙钛矿、有机小分子发光材料虽光电性能优异，但存在合成条件苛刻、成本高、环境与生物安全性差等问题，限制大规模应用。碳点作为新型零维碳基纳米材料，具备光谱吸收宽、发射可调、光稳定性高、生物相容性好、溶液可加工等优势，然而纯碳点体系在高效固态发光、高发光效率保持、室温磷光激活、多功能集成等方面仍面临挑战。MOFs 拥有有序多孔结构、可调化学组成、丰富金属 - 配体功能位点，是构建先进杂化发光体系的理想载体。与钙钛矿 @MOF、半导体量子点 @MOF 相比，CDs@MOF 在性能、稳定性与环境兼容性上实现更好平衡。将碳点与 MOFs 复合，可突破传统碳点固有局限，拓展功能边界，MOFs 不仅作为载体，还能通过空间限域、界面作用、能级调控主动调控碳点结构演化与光物理过程，有效抑制固态下碳点聚集猝灭与非辐射衰减，激活室温长寿命磷光，赋予复合材料刺激响应、多模式发射、手性光学等特性，在防伪、照明、传感、生物医学等领域展现独特价值。目前 CDs@MOFs 在合成、耦合、光调控机制方面已取得进展，但缺乏对耦合构型、构效关系、跨领域设计原则的系统认知，专门针对该杂化体系的综述较少。

三、研究内容

本文系统综述 CDs@MOFs 复合材料的构建策略与功能特性，重点分析碳点与 MOFs 的耦合模式、MOFs 调控碳点发光行为的机制，以及在食品保鲜、照明显示、传感、生物医学等领域的代表性应用进展。针对发射效率、结构可控性、器件集成等关键挑战进行总结分析，并提出未来研究方向，为碳点 @框架杂化材料的合理设计与实际应用提供参考。

四、结果讨论

（一）碳点与 MOFs 复合的优势

碳点易聚集猝灭、结构稳定性差，MOFs 缺少高效可调发光中心，二者复合实现功能互补。MOFs 有序多孔结构实现精准空间限域，金属节点与配位环境可调控光物理过程，结晶性与结构均匀性保障稳定构效关系。复合体系可抑制碳点聚集失活，通过配位作用、能量转移、界面耦合精准调控碳点光电磁行为，同时 MOFs 高比表面积与孔道为反应物富集、传质调控、多功能集成提供平台，碳点作为信号转换单元赋予复合材料强功能输出，实现单一材料难以达成的协同性能。

（二）CDs@MOFs 的制备方法

1. 碳点与 MOFs 直接反应：操作简单、适合规模化，通过静电作用物理混合或 EDC/NHS 共价偶联，缺点是碳点分散性不足。
2. 碳点与 MOFs 前驱体反应：碳点参与 MOFs 成核生长，分散均匀、结构稳定性高，合成工艺相对复杂。
3. 碳点前驱体与 MOFs 反应：MOFs 孔道限域原位碳化碳点前驱体，界面结合紧密，碳点分布均匀性可控性一般。
4. 碳点前驱体与 MOFs 前驱体一锅共组装：同步生成碳点与 MOFs，集成度高、尺寸分布可控，工艺复杂、参数精准调控难度大。

（三）MOFs 对碳点发光行为的调控

1. 提升固态发光：MOFs 空间隔离与固定抑制碳点聚集猝灭，刚性骨架减弱表面官能团相互作用，提升固态发光效率。
2. 激活室温磷光：MOFs 刚性环境抑制分子运动与氧气猝灭，促进系间窜越、稳定三重态，重金属效应进一步增强磷光性能。
3. 诱导手性发光：手性 MOFs 或不对称限域环境赋予碳点圆二色性与圆偏振发光，实现手性传递与光学开关效应。

（四）CDs@MOFs 的应用进展

1. 照明应用：作为发光层制备单色、白光 LED，发射可调、光稳定性优异，可用于植物生长照明，提升生物质积累。
2. 治疗应用：用于伤口愈合，实现感染监测与抗菌治疗协同；诱导肿瘤铜死亡、铁死亡，开展光热 / 光动力 / 化学动力协同治疗，实现成像引导诊疗。
3. 传感应用：基于 MOFs 选择性富集与碳点信号转换，实现金属离子、小分子、农药高灵敏检测，可集成柔性可穿戴器件与微流控芯片，结合智能手机实现现场快速检测。
4. 食品保鲜：MOFs 吸附乙烯、氧气等气体，碳点与金属离子发挥抗菌抗氧化作用，同时实现食品新鲜度可视化监测，延长果蔬、肉类货架期。

（五）现存关键问题

界面作用机制解析不足，器件化应用不成熟，生物与食品场景下安全性、稳定性、降解性缺乏系统评估，合成与性能评价缺少标准化体系。

五、总体结论

本文系统梳理 CDs@MOFs 复合材料的构建策略、界面结构、发光调控机制及多领域应用进展。MOFs 的限域、刚性骨架与微环境设计，有效解决碳点固态聚集猝灭问题，实现发光增强、室温磷光激活与多模式光学响应，多样化合成与耦合方式赋予材料优异结构可调性与功能集成性。该体系在传感、照明、食品保鲜、生物治疗等领域展现巨大潜力，但仍面临界面结构精准调控、器件化转化、生物安全与降解性、标准化规模化制备等挑战。未来需结合原位表征与理论计算明晰构效关系，推进器件实用化，开展毒理与代谢评估，建立标准体系，推动 CDs@MOFs 材料走向实际应用。

六、图文概览

图 1、CDs@MOFs 的制备策略。

图 2、碳点与 MOFs 反应制备 CDs@MOFs：(a) 物理混合；(b) 静电吸附；(c) 后修饰。

图 3、碳点与 MOFs 前驱体反应制备 CDs@MOFs：(a) 碳点作为 MOFs 结晶过程中的成核调节剂；(b) 碳点掺杂保留 MOFs 固有纳米花结构；(c) 界面能量转移猝灭 HKUST-1 中碳点的发光；(d) 配位作用实现碳点在 ZIF-8 中的原位限域。

图 4、碳点前驱体与 MOFs 反应制备 CDs@MOFs：(a) 葡萄糖在 MIL-53 (Fe) 孔道内原位碳化；(b) HKUST-1 框架内限域形成有序碳点阵列；(c) MOFs 限域纳米反应器合成 CDs/CdS@MIL-101 复合材料。

图 5、碳点前驱体与 MOFs 前驱体反应制备 CDs@MOFs：(a) 一锅共组装原位生成碳点并封装于 MOFs 孔道内；(b) 一锅共组装原位生成碳点并限域于 UiO-66 (OH)₂中。

图 6、MOFs 调控碳点固态发光：(a) 孔道限域抑制碳点聚集猝灭；(b) 框架固定减少电荷迁移与非辐射衰减；(c) 刚性配位环境稳定发光态并提升量子产率。

图 7、MOFs 调控 CDs@MOFs 复合材料室温磷光：(a) 刚性限域促进系间窜越增强与三重态稳定；(b) 重金属辅助自旋轨道耦合实现可调室温磷光发射。

图 8、MOFs 诱导碳点手性：(a) 手性 MOF 通过限域碳点 / 螺吡喃组装体诱导圆偏振发光；(b) 对映体 MOFs 限域碳点实现手性继承；(c) MOFs 模板碳化生成限域稳定的手性碳点；(d) 手性 CDs@MOFs 复合薄膜实现圆偏振室温磷光。

图 9、CDs@MOFs 的照明应用：(a) 多色 LED；(b) 白光 LED；(c) 冷白到暖白可调 LED；(d) 植物生长照明。

图 10、CDs@MOFs 用于治疗：(a) 伤口愈合；(b) 铜死亡 - 铁死亡协同治疗；(c) 光热与光动力治疗；(d) 多模式协同治疗。

图 11、CDs@MOFs 的传感应用：(a) 铅离子检测；(b) 抗坏血酸分子检测；(c) 有机磷农药检测；(d) 电致化学发光检测；(e) 多模式协同检测。

图 12、CDs@MOFs 的器件集成与便携式传感：(a) 比率荧光检测平台；(b) RGB 颜色识别；(c) RGB 线性识别；(d) 可穿戴传感器；(e) 集成于可穿戴设备的微流控芯片。

图 13、CDs@MOFs 的食品保鲜应用：(a) 虾仁新鲜度监测；(b) 草莓保鲜；(c) 番茄保鲜。

七、作者信息

作者姓名：

Boyang Wang, Nina Qian*, Siyu Lu*

通讯作者及单位信息：

1. Nina Qian*: Anhui Provincial Key Laboratory of Advanced Catalysis and Energy Materials, Anhui Key Laboratory of Optoelectronic Magnetic Functional Complex and Nano Complex, School of Chemistry and Chemical Engineering, Anqing Normal University, Anqing 261433, China.
2. Siyu Lu*: Pingyuan Laboratory, College of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China.

八、论文链接

https://doi.org/10.26599/NR.2026.94908736

九、版权声明

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