Biomass based carbon quantum dots in sensor applications: a review (2021-2025).
Bioresour Bioprocess · 2026 · 13 · PMID 42252370 · 등급7 종설·논평 종설 · 농업과 정책 > 규제·위해평가
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최근 몇 년 동안 천연 바이오매스에서 유래한 탄소 양자점(CQDs)의 개발이 기하급수적으로 증가하였으며, 이는 센서 응용 분야를 위한 친환경적이고 다기능적인 플랫폼으로 부상하였다. 본 종합 리뷰는 2021년부터 2025년까지 바이오매스 유래 CQDs의 합성, 물리화학적 특성 분석 및 감지 응용 분야의 발전을 비판적으로 평가한다. 과일 껍질, 잎, 농업 폐기물 등 다양한 전구체들이 수열법, 마이크로파 보조법 및 열분해법을 이용하여 고효광성을 갖는 CQDs로 효과적으로 변환되었으며, 일부 마이크로파 공정의 경우 합성 시간이 10분으로 짧았다. 구조 연구에서는 준구형 형태(2-10 nm)와 부분적인 흑연화가 관찰되었고, 광학 연구에서는 특히 질소 및 황 도핑 시스템에서 최대 30%에 달하는 양자 수율을 보이는 여기 의존성 형광이 확인되었다. 바이오매스 유래 CQDs는 광범위한 분석물질에 대해 우수한 선택성과 민감도를 보였다. 예를 들어, *Solanum nigrum* 잎에서 합성된 CQDs는 $\text{Fe}^{3+}$에 대해 최대 8 nM의 검출 한계를 보고하였으며, 피타야 껍질에서 합성된 CQDs는 응집 유도 발광 효과를 통해 항생제의 민감한 검출을 가능하게 하였다. 글리포세이트, $\text{NH}_3$, $\text{CH}_2\text{O}$와 같은 환경 목표물질들도 정적/동적 형광 소광, 전자 전달 및 FRET과 같은 메커니즘을 이용하여 나노몰 수준에서 검출되었다. 이러한 발전에도 불구하고 대규모 생산, 제작 프로토콜의 표준화, 그리고 CQDs를 실시간 감지 플랫폼에 통합하는 데 여전히 과제가 남아있다. 향후에는 친환경 합성 접근법 채택, 규제 표준화 및 웨어러블 및 휴대용 진단 장치로의 CQDs 통합을 통해 연구가 더욱 발전할 것으로 예상된다. 이러한 발전은 바이오매스 기원 CQDs가 차세대 화학적, 생물학적 및 환경 센서에 사용될 친환경적이고 비용 효율적이며 초민감한 나노물질로서의 가능성을 시사한다.ORIGINAL ABSTRACT
The past few years have witnessed an exponential rise in the development of carbon quantum dots (CQDs) derived from natural biomasses, rendering them a green and multifunctional platform for sensor applications. This comprehensive review provides a critical assessment of advancements between 2021 and 2025 in the syntheses, physicochemical characterizations, and sensing applications of biomass-derived CQDs. Different precursors-e.g., fruit peels, leaves, and agricultural waste-have been effectively transformed into highly fluorescent CQDs using hydrothermal, microwave-assisted, and pyrolytic routes, with synthesis times as short as 10 min for certain microwave procedures. The structural studies exhibit quasi-spherical morphologies (2-10 nm) and partial graphitization, and the optical studies confirm excitation-dependent fluorescence with quantum yields as high as 30%, particularly in nitrogen- and sulfur-doped systems. Biomass-derived CQDs have shown superb selectivity and sensitivity to a broad spectrum of analytes. For example, CQDs synthesized from Solanum nigrum leaves reported detection limits as low as 8 nM for Fe³⁺, while CQDs synthesized from pitaya peels enabled sensitive detection of antibiotics via aggregation-induced emission effects. Environmental targets such as glyphosate, NH₃, and CH₂O have also been detected at nanomolar levels, employing mechanisms like static/dynamic fluorescence quenching, electron transfer, and FRET. Despite these advances, there are still challenges in large-scale production, standardization of fabrication protocols, and integration of CQDs into real-time sensing platforms. In the future, the work is going to be further developed through the adoption of green synthesis approaches, regulatory standardizations, and integration of CQDs into wearable and portable diagnostic devices. Such developments point to the prospects of biomass-sourced CQDs as green, cost-effective, and ultrasensitive nanomaterials for next-generation chemical, biological, and environmental sensors.| 저자 | Berdimurodov, E.; Berdimuradov, K.; Kumar, A.; Thakur, A.; Rashidova, K.; Tursunqulov, J.; Polvonov, K.; Ishankulov, A.; Oramova, N.; Hosseini-Bandegharaei, A.; Khasanov, B.; Eshmetov, R. |
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| 저널 | Bioresources and bioprocessing |
| 권·호·쪽 | 13(1) |
| PMID | 42252370 |
| DOI | 10.3390/nano15060436 |