碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）因其光学性能和表面可修饰性，成为纳米材料领域的研究热点。通过官能团修饰调控其表面化学性质，进而实现功能化设计，是提升碳量子点性能、拓展其应用场景的核心策略。本文从官能团修饰的化学基础出发，系统阐述功能化设计的路径与机制。

一、官能团修饰

1. 表面官能团的化学本质

碳量子点的表面官能团源于其合成过程中前驱体的热解或氧化，主要包括：

羧基（-COOH）：提供负电性，增强水溶性，并可作为活性位点进行共价修饰；

羟基（-OH）：赋予亲水性，参与氢键作用；

氨基（-NH₂）：通过质子化调节表面电荷，提升生物相容性；

含硫/氮基团：通过掺杂引入，调控电子结构，增强荧光性能。

2. 修饰方法与机制

共价修饰：通过酯化、酰胺化等反应，将荧光分子、靶向配体或聚合物链接枝到碳量子点表面。例如，以EDC/NHS为偶联剂，将叶酸分子共价连接到羧基化碳量子点表面，实现靶向成像。

非共价修饰：利用π-π堆积、静电吸附或氢键作用，将功能分子包覆或吸附在碳量子点表面。例如，聚乙二醇（PEG）通过非共价作用修饰碳量子点，可提高其血液循环时间。

杂原子掺杂：在合成过程中引入氮、硫、硼等元素，直接改变碳量子点的电子结构。例如，氮掺杂可引入新的能级，提升荧光量子产率并调控发射波长。

3. 修饰对性能的影响

光学性能：表面钝化（如PEG修饰）可减少非辐射复合中心，提高荧光量子产率；

表面电荷：氨基修饰使碳量子点表面带正电，增强细胞摄取效率；

分散性：长链聚合物修饰可防止碳量子点团聚，提升其在复杂介质中的稳定性。

二、功能化设计

1.生物医学成像：

多模态成像探针：通过在碳量子点表面修饰荧光染料、磁性纳米颗粒和光热转换材料，构建多模态成像探针。

活细胞成像：通过在碳量子点表面修饰生物靶向性小分子或抗体，构建活细胞成像探针。

2.药物递送：

靶向药物递送：通过在碳量子点表面修饰生物靶向性小分子或抗体，构建靶向药物递送系统。

智能药物释放：通过在碳量子点表面修饰响应性官能团，实现药物的智能释放。3.传感器：

生物传感器：通过在碳量子点表面修饰生物靶向性小分子或抗体，构建高灵敏度的生物传感器。

化学传感器：通过在碳量子点表面修饰化学响应性官能团，构建高灵敏度的化学传感器。

从官能团修饰到功能化设计，碳量子点的性能跃迁为其在生物医学、光电催化及环境治理等领域的应用开辟了新路径。通过调控表面化学性质，结合多学科交叉技术，碳量子点有望成为纳米材料的平台。