开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）
碳量子点在水环境中的归趋
1.研究目的
CQDs由于其具有良好的化学稳定性和光学特性等优异性质及其低廉的生产成本，且本身不含任何有毒元素，故而在化学、材料学及生物科学等领域都有非常广泛的应用。同时，也正因为 CQDs 的广阔应用前景，尤其是在生物、医药及环境等领域的应用加强了对其潜在的生物毒性进行研究评估的必要性。近些年来，一些碳纳米医药产品经常规毒理学评价论定为无毒或基本无毒，但在使用过程中却由于检测出新的毒性作用而被美国FDA撤出临床应用。自此，CQDs在生物层面的应用，便引起了学者们对其生物毒性风险的探索。此外，在生产、使用、废弃和回收过程中，CQDs也将不可避免地进入自然环境中，考虑到其高水分散性，其对自然环境，尤其是水环境的潜在生态影响值得重视。研究其在环境介质中的行为和归趋并科学评价其环境风险势在必行。
2.研究内容及意义
本课题将选择几种常见的碳量子点，考察其在水环境中的归趋。将从以下几个方面开展研究：1）碳量子点的制备与表征；2）不同参杂碳量子点的特征差异；3）碳量子点在水体中的矿化情况；4）微藻对不同碳量子点的吸收、富集与利用情况
本实验中主要考察碳量子的矿化情况、微藻的生理生化指标等。
通过上述研究具有以下意义：1）阐明CQDs在水体环境中的矿化情况，解释其被水生生物体被吸收的合理途径提供参考；2）尝试探索微藻对CQDs暴露胁迫的生物适应性及CQDs对微藻生长的各项生理指标的影响，为以后对CQDs的环境风险及环境标准的制定提供合理性的参考。
3.文献综述
随着纳米技术和纳米材料在工业和生活中的大规模应用,大量的人工纳米颗粒物将不可避免地释放到环境介质(如水体、土壤、沉积物等)中。纳米颗粒物所具有的独特性质已引发人们对它们可能造成的健康风险和环境危害的关注和讨论。[1]近年来，碳纳米材料更是逐步渗入研究者的研究工作中，富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨烯量子点、碳量子点等新型碳纳米材料更是在全球的范围内掀起了研究热潮。通常碳被认为是一种黑色的材料，荧光性能较弱，但是碳量子点却不同，它具有较强的荧光性能。并且，其CQDs本身不含任何有毒元素，是新晋的新型环境友好材料，具备良好的生物相容性，由此受到研究者的广泛关注。[2]碳量子点（CQDs）是一种近似于球体结构的离散零维碳纳米粒子，其尺寸一般在10nm以内[3]，具有一系列优异的物理及化学性质，如表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应、良好的水溶性、发光稳定性等。CQDs还具有与半导体量子点相似的诸多优良特性，如高荧光强度、良好的抗光漂白能力、良好的导电性等。此外，CQDs与半导体量子点相比较，还拥有制备简便、成本低廉、适合大规模生产制备等一系列的优点。CQDs具有优异的荧光特性及独特的理化性质，容易进入细胞，在生物成像、药物载体等众多生物医药领域具有很高的应用价值。目前关于CQDs生物毒性的研究大多显示CQDs具有很好的生物相容性，进入生物体后不会引起显著的病理性改变，且能通过正常的代谢途径排出如斑马鱼、大鼠和小鼠等生物的体外。与金属量子点相比，CQDs对生物的EC50更高，显示出更好的生物安全性。此外，CQDs具有良好的水分散性，进入水环境后易随水流发生迁移，然而目前仍无关于碳量子点进入自然水环境后的环境行为及对水生生物群落影响的报道。CQDs的高水分散性大大提高了其与水生生物接触的概率，而极小的粒径使其容易进入生物体内及细胞内部，且其表面官能团的存在为后续各种反应的发生提供了活性位点,加强了CQDs与生物体作用过程中的风险不确定性。此外,与其他纳米材料类似，CQDs的大比表面积及高吸附能力使其易于吸附各类生物大分子、金属离子及有机污染物，从而加大了其单独生物效应及联合生物效应研究的复杂性，其生物安全性值得关注[4]。
长期以来，许多研究小组对量子点的毒性进行了大量实验。Ray等人[5]使用MTT和台盼蓝测定法评估碳量子点处理后的细胞活性。当碳量子点浓度高达 0.5mg/l时，细胞存活率仍可达到75％，这表明毒性作用有限。Song等人[6]比较了未改性的CdTe量子点、金纳米粒子以及碳量子点对生物系统（如细胞和绿色豆芽）的毒性效应，结果表明，碳量子点是三者中毒性最小最具生物相容性的材料。然而，关于CQD的生态影响的研究是有限的。一些早期研究表明，CQD具有高度生物相容性，对环境安全。[7]例如，在浓度高达5.0mg/L的CQD中浸泡斑马鱼胚胎并不影响它们的发育。然而，最近对藻类的测试显示出不同的结果。CQDs治疗抑制生长和同样，100mg/LCQD处理可显着抑制细胞生长，降低蛋白核小球藻和铜绿微囊藻中的叶绿素a含量。这些结果表明藻类可能比鱼类对CQD更敏感。CQDs分散性良好，且极易溶于水体中，一旦进入环境便极有可能是存在于水体之中，因而有必要对进入水体中的CQDs进行研究，探讨其在水环境中的归趋。
藻类是水生环境系统中的初级生产者、氧气供应者，在自然光下它们可以吸收水体中的营养盐类制造有机物，是水生食物链终最基础的环节，对水生生态系统的平衡和稳定起着极为重要的作用，它的存在无论是对水体体系中的生产力还是对水污染的自净作用同样都具有十分重要的意义。藻类作为水生生态系统中的初级生产者，其种类多样性和初级生产量对水生态系统的结构和功能有直接影响，因而成为监测和评价水环境质量的重要指标之一，且藻类容易获得、个体小、繁殖快、对毒物敏感可在较短时间得到污染物对其世代及种群水平的影响评价，是一类很好的模式测试生物。因此，通过测试藻类的生长状况，评价有毒有害物质对藻类的生长影响，可反映污染物对水体中的初级生产营养级的影响以及对整个水生生态系统可能的综合环境效应。目前关于CQDs对藻类的毒性研究较少。Yan等[8]和Xiao等[9]分别以铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)和蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)为生物模型,研究了铜绿微囊藻暴露于不同CQDs后的生长状况。他们的结论表明，CQDs其对水生藻类的毒性较低,半抑制浓度普遍高于100mg/L,但N、S共掺杂后的CQDs对蛋白核小球藻表现出较高的生长抑制效应[9]。这表明未来在考察CQDs的水生态风险时，掺杂处理的CQDs应引起重视。
目前，碳量子点的合成方法众多。根据碳源到最终产物变化性质的不同，合成方法可分为物理方法和化学方法。根据原料和产物的关系，可概括为自上而下法和自下而上法。自上而下法制备碳量子点主要是指采用物理或化学手段把大块碳材料切割成小的纳米颗粒，如切割碳纳米管、石墨棒、石墨烯、碳粉等。主要包括电化学法、化学氧化法、激光销蚀法等方法。自下而上法是把有机前驱体作为种子在一定条件下生长形成碳量子点。微波、直接加热及超声波是常见的能使分子能量聚集和结构转变的能量来源方式。碳源的选择多种多样，葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、氨基酸甚至食物残渣均可作为碳源制备碳量子点。[10]
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