Heteroatom doping of carbon quantum dots not only enables great improvement of fluorescence efficiency and tunability of fluorescence emission, but also provides active sites in carbon dots to broaden their application in sensor. Silicon as a biocompatible element offers a promising direction for doping of carbon quantum dots. Si-doped carbon quantum dots (SiCQDs) were synthesized through a facile and effective approach. The as-prepared Si-doped carbon quantum dots possess visible fluorescence with high quantum yield up to 19.2%, owing to fluorescence enhancement effect of introduced silicon atoms into carbon dots. The toxicity test on human Hela cells showed that SiCQDs have lower cellular toxicity than common CQDs, and bioimaging experiments clearly demonstrated their excellent biolabelling ability and outstanding performance in resistance to photobleaching. Strong fluorescence quenching effect of Fe(III) on SiCQDs can be used for its selective detection among general metal ions. Specific electron transfer between SiCQDs and hydrogen peroxide enables SiCQDs as a sensitive fluorescence sensing platform for hydrogen peroxide. The subsequent fluorescence recovery induced by removal of hydrogen peroxide from SiCQDs due to formation of the stable adducts between hydrogen peroxide and melamine was taken advantage of to construct effective sensor for melamine.

Fluorescent B-doped carbon quantum dots (BCQDs) were used as a novel fluorescence sensing system for hydrogen peroxide and glucose detection.

A convenient, reliable, and highly sensitive real-time assay for alkaline phosphatase (ALP) activity in the continuous and recyclable way is established on the basis of aggregation and disaggregation of carbon quantum dots (CQDs) through the competitive assay approach. CQDs and adenosine triphosphate (ATP) were used as the fluorescent indicator and substrate for ALP activity assessment, respectively. Richness of carboxyl groups on the surface of CQDs enables their severe aggregation triggered by cerium ions, which results in effective fluorescence quenching. Under the catalytic hydrolysis of ALP, ATP can be rapidly transformed to phosphate ions. Stronger affinity of phosphate ions to cerium ions than carboxyl groups is taken advantage of to achieve fluorescence recovery induced by redispersion of CQDs in the presence of ALP and ATP. Quantitative evaluation of ALP activity in a broad range from 4.6 to 383.3 U/L with the detection limit of 1.4 U/L can be realized in this way, which endows the assay with high enough sensitivity for practical detection in human serum. The assay can be used in a recyclable way for more than three times since the generated product CePO4 as a precipitate can be easily removed from the standard assay system. This strategy broadens the sensing application of fluorescent CQDs with excellent biocompatibility and provides an example based on disaggregation in optical probe development.