近几十年来，有害化学物质和毒素通过直接或间接方式被人体吸收，已成为主要问题之一。重金属（如Cr(VI)、Pb(II)、As(II)、Cd(II)）以及有机污染物（如农药、染料、消毒剂和食品添加剂）的过度使用及其未经处理的工业排放，对环境水体系统及食物链造成了深远影响，并最终危害人类健康。碳点（Carbon dots, CDs）作为一种相对较新、具有成本效益且可持续的纳米材料，因其诸多优势（如赋予废物额外价值、利用无污染资源和绿色加工程序）而备受关注，成为解决该问题的一种潜在替代方案。利用印度知识体系中的多种植物作为绿色碳点的前驱体，已被广泛研究用于检测水中的金属离子和其他有机污染物。例如，利用罗勒叶检测Cr(VI)，利用芒果皮检测农药甲磺隆，利用木苹果（Aegle marmelos）果实检测丽红、Fe(III)和Cu(II)。利用姜黄粉合成的碳点已被探索用于降解酸性偶氮染料。众所周知，古老的印度知识体系始终强调自然对人类福祉的促进作用。如今，广阔的印度植物资源正在寻找可持续的替代途径，为环境保护做出贡献。因此，印度知识体系可继续作为保护环境进而保护人类的工具，通过绿色纳米技术发挥作用。
本文对利用印度知识体系（IKS）中的植物前驱体合成碳点（CDs）及其在环境修复中的光学传感应用进行了综述。
论文引言部分指出，由资源不受控开发引起的环境污染是人类当前面临的主要问题之一。纺织工业是主要的染料消耗部门，其未经处理的废水排放对生态系统有害，染料会阻碍阳光分散、抑制光合作用、限制水生生物发展，且具有毒性、致癌性和难降解性。重金属在采矿、电镀等工业中的使用也是重大环境污染源，其长期危害对环境和公共健康均不利，例如过量的铅（Pb）会损害肾脏并影响生殖和神经系统，汞（Hg）毒性会导致肾脏和神经疾病，过量的铁（Fe）可引发肝炎、关节炎等疾病。抗生素的滥用和不当处置会导致耐药性发展及器官损伤。食品着色剂和添加剂的使用也日益引起担忧。当前用于废水中染料修复的各种常规技术（如吸附、混凝/沉淀、氧化还原、离子交换、超滤、絮凝、生物降解、紫外光降解、臭氧氧化、高级氧化、电/光化学降解等）以及用于重金属鉴定的各种分析方法（如X射线荧光光谱（XFS）、原子发射光谱（AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、原子吸收光谱（AAS）、表面增强拉曼光谱（SERS）和离子选择性电极）均存在仪器昂贵复杂、前/后处理繁琐、需要熟练操作员、产生有毒副产物等缺点。与之相比，基于纳米材料的荧光（FL）传感器因其选择性和灵敏度更高而正被使用。虽然研究重点曾集中在基于SnO₂、CdTe和CdS的半导体量子点荧光传感器上，但这些传感器中含有的有毒重金属带来了显著的环境和健康风险。因此，设计无金属、环境友好且具有高灵敏度的传感器至关重要。近年来，碳点因其独特的表面功能化简便、生物相容性好、毒性低等特性而受到广泛关注，并因其独特的光学性能被广泛用于污染物和有毒化学品的检测。此外，植物基前驱体因其毒性较低、经济可行且环境可持续，正被探索作为形成碳点的替代碳源。
论文第二部分阐述了传统印度植物在环境保护中的作用。古老的印度知识体系包含数个世纪以来的智慧，指导人类保护环境，提高对周围动植物及水体的认识。吠陀社群是最早保护环境的人类社群。《泰帝利耶奥义书》提供了维护清洁环境的指南，《伊莎奥义书》阐明了每种生物对其他所有生物生存的重要性。树木的叶片、树皮、果实、茎、花、根或针叶等部位可分泌精油和次生代谢物进行防御，这些是天然生物活性化合物，富含类固醇、类黄酮、多酚、鞣质、木聚糖、生物碱和萜烯等，具有抗氧化、抗炎、镇咳、抗糖尿病、免疫刺激、抗生育和抗病毒等特性。自古以来，这些化合物就用于治疗糖尿病、癌症、肝肾疾病、哮喘、心血管疾病、真菌和细菌性疾病等多种疾病。印度传统植物因其无毒性和低副作用，其在治疗、食品和手工艺方面的用途日益增加。例如，木苹果因其能吸收大气中的有害气体并沉淀有毒化学污染物而被列入“空气净化”植物类别；芒果以其心脏保护、抗癌、抗糖尿病等特性而闻名；莲花作为印度国花，具有观赏、营养和药用价值；竹子被认为是“绿色黄金”，是坚硬木材的廉价替代品，其储水能力强，吸收二氧化碳并释放更多氧气；菠萝蜜被誉为“巨型营养水果和穷人的水果”；天门冬被视为“适应原”；联合国宣布印楝（neem）为“21世纪的树木”，因其作为传统印度药物具有多功能用途。图1展示了用于合成碳点的一些典型传统印度植物。
第三部分详述了基于植物生物质的碳点合成与表征。利用天然前驱体（包括蔬菜、水果和植物不同部位的提取物）合成碳点代表了纳米技术领域的一种新颖且环保的方法。天然前驱体提供了丰富的碳源并具有固有的生物相容性，适合合成环境影响较小的碳点。碳点的合成主要采用自下而上的方法，通过水热/溶剂热技术或微波或超声波辅助方法对绿色前驱体进行碳化。水热/溶剂热合成通过对水溶液/溶剂溶液中的有机前驱体施加高温高压，产生具有明确尺寸和表面功能化的碳点。微波辅助合成通过微波辐照快速有效地生产碳点，其优势在于快速、节能的加热能力。超声波法利用超声波在含绿色前驱体的水/溶剂中产生空化气泡，气泡坍塌产生的局部高压高温促进了纳米碳颗粒的形成，该方法简单、成本效益高且环境可持续。常规热解法则在无氧气氛中于300至1000°C的高温下热分解碳源材料。图2描绘了利用天然生物质合成碳点的各种方法及其主要应用。图3展示了用于碳点分析的主要表征技术。形态和结构特性通常通过高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM）/透射电子显微镜（HRTEM）进行评估，用于确定碳点的粒径、形状和聚集程度。透射电子显微镜特别用于观察内部结构和可能的晶域，并在纳米尺度上估算平均尺寸。扫描电子显微镜提供关于表面形貌和纳米颗粒在不同基质中分布的互补信息。原子力显微镜（AFM）用于分析表面特征和测量碳点的高度，确认其准球形性质和垂直维度。碳点的晶体结构和有序度使用X射线衍射（XRD）研究，该技术可识别石墨或无定形结构并估算平面间距等参数。表面官能团的化学成分和性质通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）确定。FTIR用于识别与特定键/基团相关的特征振动模式，如O-H、C=O、C-S、C-O、-NH₂、-COOH。XPS则提供详细的元素组成和原子氧化态信息。碳点的光学特性通过紫外-可见（UV-Vis）光谱和光致发光（PL）光谱进行分析。UV-Vis光谱用于识别与共轭结构和表面官能团相关的特征电子跃迁，如π-π*和n-π*跃迁。PL光谱提供有关电子复合过程和发射中心的信息，对于评估激发波长依赖性发射、量子产率和表面缺陷影响等现象尤为重要。Zeta电位用于评估碳点在分散体系中的胶体稳定性和表面电荷。这些表征技术的整合使得能够全面建立碳点结构、表面化学和光学性能之间的关联。
第四部分探讨了碳点的形成机制。设计具有所需特性的新型碳点需要深入了解其形成机制。碳点的形成机制包括四个不同阶段：聚集、壳层形成、坍塌和芳构化。自下而上技术中碳点的形成机制涉及小有机物的碳化，该过程通过缩合、聚合、碳化以及表面钝化等步骤实现。小分子经历醛醇缩合、席夫碱缩合、酰胺化和自由基反应等缩合过程，形成链状中间体，进而产生类似聚合物的碳点。聚合物随后被碳化，特别是在高温下形成碳核。剩余的前驱体作为表面钝化剂，可被修饰以增强碳点的发光性能。对掺杂和杂化碳点（如氮、硫共掺杂碳量子点和钆掺杂碳量子点）的研究表明，成核、生长和碳化显著受温度和时间影响。持续的微波辐照促进棕榈核壳衍生碳点的分子内脱水和C-C键形成，产生芳香官能团并促进碳点成核。图4展示了碳点可能的形成机制示意图。表1列出了一些来自印度知识体系的前驱体示例，及其根据古籍记载的药用价值和生物活性化合物，并列出了合成参数和部分表征结果。
第五部分阐述了光致发光的起源。尽管碳点的光致发光（PL）机制已被广泛探索，但由于合成过程中前驱体和方法的多样性，形成了复杂体系，其机理尚未完全理解。目前主要接受的荧光机制包括：量子限域效应（QCE）/尺寸效应：许多理论研究将激发依赖性发射与碳点中的量子限域效应相关联。靠近费米能级时，能级发生分裂，电子准连续能级转变为离散能级，导致能隙增宽。当颗粒尺寸降至纳米尺度时，PL发射由颗粒尺寸决定。“核心尺寸”/sp²域尺寸（有效共轭长度）是关键因素，其增大导致带隙减小，发射波长红移。表面态：表面态被认为是影响碳点PL的关键因素。碳点表面存在的官能团（如-COOH、-NH₂、C=O、C≡N、-OH等）在能隙内引入能级（荧光团），充当表面能量陷阱。表面改性/钝化消除了各种非辐射电子-空穴复合中心，稳定了碳点并增强了其发光性能。这些能级的电子跃迁导致红移发射。通过调控表面官能团（杂原子掺杂）可以调整PL发射行为。表面氧化程度越高，表面缺陷位点比例越高，这些缺陷能捕获激子，其复合辐射导致PL发射红移。大多数生物质合成碳点的激发依赖性发射被归因于不同的粒径（量子效应）以及与碳点表面各种官能团相关的分布式发射态。分子态：在通过自下而上方法合成碳点的过程中，会产生大量分子物种（具有共轭碳的分子荧光团），这些杂质（游离或附着在碳点表面）调节荧光发射，从而影响其整体光学性能。
第六部分重点介绍了基于印度知识体系生物质前驱体检测重金属离子和有机污染物的研究。表2总结了利用印度知识体系绿色前驱体合成碳基传感器（作为电化学/荧光/比率/比色纳米探针）检测有毒污染物的主要工作。用于评估碳点的关键特性包括量子产率（QY）、线性浓度范围（LCR）和检测限（LOD），这些指标展示了生物质合成碳点对分析物传感的整体效率，同时也强调了在实际样品中的回收率和相对标准偏差。具体研究实例包括：利用咖喱叶提取物和金纳米电极电化学检测Pb(II)和Hg(II)；利用心叶青牛胆茎合成的掺杂碳点通过荧光猝灭和手机比色技术检测4-硝基苯酚（4-NP）和刚果红（CR）；利用天门冬根合成的碳点通过比色法检测Ag(I)；利用印楝籽合成的碳点催化还原藏红O染料；利用印楝叶合成的胺基终止石墨烯量子点通过荧光猝灭和再激活检测Ag(I)；利用蒲桃叶合成的碳点通过荧光猝灭检测Fe(III)；利用蒲桃果实、松木、松针合成的碳点分别通过荧光猝灭检测Fe(III)、叶酸（FA）和抗生素（四环素TC、阿莫西林AMX）；利用罗望子叶和芒果叶合成的混合碳点通过比率荧光检测Hg(II)；利用罗望子壳废料合成的碳点/氧化锌纳米复合材料在日光下降解亚甲基蓝（MB）和孔雀石绿（MG）；利用莲根合成的碳点通过荧光猝灭检测Hg(II)；利用柚木叶合成的碳点通过吸附去除MB；利用罗勒叶合成的碳点分别通过荧光猝灭检测Pb(II)、孔雀石绿（MG）和Cr(VI)；利用茉莉叶合成的碳点通过紫外-可见分光光度法检测Cr(VI)；利用印度枣果肉提取物合成的氮掺杂碳点催化还原藏红O染料及通过荧光增强检测环丙沙星（CIP）；利用芒果皮合成的碳点与分子印迹聚合物复合物通过荧光猝灭检测农药甲磺隆；利用木苹果果实不同部位合成的碳点通过荧光猝灭检测丽红和Fe(III)；利用矮香蕉皮合成的碳点通过荧光猝灭检测Fe(III)；利用香蕉假茎合成的碳点通过荧光猝灭检测Fe(III)和S₂O₃²⁻；利用成熟香蕉皮和干燥玫瑰花瓣合成的碳点通过荧光猝灭检测Fe(III)、Cr(VI)及吸附去除染料；利用蒟蒻叶合成的氮掺杂碳点通过荧光猝灭检测Fe(III)；利用蒟蒻叶加氨合成的碳点通过吸收增强和荧光猝灭检测苦味酸（PA）和Fe(III)；利用竹叶合成的双发射和三发射碳点纳米杂化物通过比率荧光分别检测Pb(II)和Hg(II)；利用竹叶合成的支化聚乙烯亚胺封端碳量子点通过荧光猝灭检测Cu(II)；利用石榴汁加氨合成的碳点通过荧光猝灭检测银纳米颗粒（AgNPs）；利用菠萝蜜籽合成的碳点通过荧光猝灭检测Au(III)；利用阿拉伯胶合成的碳点/氧化锌复合物光催化降解MG；利用姜黄粉与钴铁氧体复合光催化降解酸性偶氮染料；利用印楝、番石榴、罗勒、蒲桃叶合成的纳米颗粒分别通过荧光猝灭检测多种金属离子。文中详细描述了多项研究，例如利用菠萝蜜籽合成掺杂碳点时加入磷酸以增强微波吸收并钝化表面；利用柠檬叶和芒果叶混合合成比率荧光传感器检测Hg(II)；利用柚木叶碳点吸附MB并评估其吸附容量和再生性能；利用竹叶碳点合成比率荧光纳米传感器检测Pb(II)和Hg(II)；利用茉莉叶碳点优化检测Cr(VI)的条件；利用罗勒叶碳点通过内滤效应（IFE）检测Cr(VI)并实现循环利用；利用蒟蒻叶氮掺杂碳点作为单一探针系统双重传感苦味酸（PA）和Fe(III)；利用印度枣氮掺杂碳点作为催化剂，在NaBH₄存在下高效还原藏红O染料；利用印楝籽氮掺杂碳点催化还原藏红O染料；利用矮香蕉皮和蒟蒻叶碳点作为隐形墨水应用于防伪。
第七部分解释了基于碳点的光学传感器的潜在机制。碳点与分析物（有机/无机）的相互作用导致光谱位移（蓝移/红移/无位移），并伴随其荧光强度的猝灭或增强。猝灭机制可能包括：（i）静态猝灭（SQ）或动态猝灭（DQ）；（ii）内滤效应（IFE）或福斯特共振能量转移（FRET）；（iii）德克斯特能量转移（DET）或光诱导电子转移（PET）。静态猝灭（SQ）源于碳点与猝灭剂在基态形成弱键合的非发光复合物。动态猝灭（DQ）则由碳点与猝灭剂分子之间的碰撞引起，涉及电荷/能量转移，导致碳点去激发，PL强度降低。两者的主要区别在于：SQ中碳点的发光寿命保持不变，而DQ中猝灭剂的存在会影响（缩短）PL寿命；SQ中基态复合物的形成会引起碳点吸收光谱的可观察变化，而DQ中无此变化；温度升高会削弱SQ效应，但会加剧DQ效应。内滤效应（IFE）发生在猝灭剂的紫外-可见吸收光谱与碳点的荧光激发或发射光谱发生光谱干扰或重叠时，导致PL强度猝灭，该效应不涉及碳点与猝灭剂之间的直接相互作用，且不影响碳点的平均PL寿命。福斯特共振能量转移（FRET）涉及供体（碳点）发射光谱与受体（猝灭剂）吸收光谱的重叠，导致非辐射能量转移，该过程在供体与受体距离在10 nm内时非常有效，且碳点的PL寿命在与猝灭剂相互作用后会缩短。光诱导电子转移（PET）涉及碳点与目标分析物形成复合物，光激发导致电子转移：电子从激发态碳点转移到猝灭剂为氧化性PET，电子从分析物/猝灭剂转移到激发态碳点为还原性PET，电子去激发引起非辐射发光，从而改变PL强度。德克斯特能量转移（DET）是另一种过程，要求供体和受体的氧化还原电位匹配才能发生电子转移。碳点也应用于有机染料的光诱导降解。此外，碳点与具有巨大表面积和优异吸附能力的金属氧化物/半导体（复合物）结合，可作为混合光催化剂，促进电子-空穴分离，加速电子转移，增强光脱色能力。基于PL增强的检测实例是利用印度枣果肉合成的绿色碳点检测环丙沙星（CIP），其增强归因于碳点与CIP之间的电子转移、氢键相互作用以及CIP对碳点表面缺陷的减少。比色传感器通过观察/测量颜色强度/变化来评估分析物。碳点基比色传感器的变色机制涉及碳点与目标分析物之间的特殊相互作用，影响其光学性质。比率荧光探针的设计基于分析物添加时发射峰荧光强度的相对变化，在两个不同波长下的PL强度比与分析物浓度成正比，有助于建立自校准系统，消除假信号，因此更准确、灵敏且抗环境干扰。例如，利用罗望子叶和芒果叶合成的混合碳量子点（h-CQDs）通过比率荧光法检测模拟海水中的Hg(II)，其PL强度比随汞离子浓度增加而增大，可通过颜色变化（从蓝到绿）进行评估。
第八部分对全文进行了总结与展望。总结指出，利用印度知识体系植物合成的碳点及其复合物代表了一种可持续且多功能的平台，在环境修复领域具有广阔的应用前景。这些植物中丰富的天然化合物（植物代谢物/植物化学物质）为调控碳点特性提供了独特优势。然而，由于生物源物质的变异性导致的重现性/精度问题、分子水平的机理理解、潜在毒性和大规模生产等问题仍是未来需要解决的主要挑战。理解绿色前驱体中存在的植物化学物质与加工后碳点特性之间的关联，对于设计和合成可预测的碳基纳米材料至关重要。此外，由于印度知识体系的广博性，将传统植物资源与先进技术/方法相结合，开发标准化的碳点合成方案同样重要。同时，评估长期生态影响对于创建大规模、可行的替代方案至关重要。通过生物学、化学、材料科学、医学和工程学领域研究人员的协作与系统性努力，源于印度广阔生物多样性的植物介导碳基材料在推进绿色纳米技术领域并为全球可持续发展做出重大贡献方面具有巨大潜力。
