基于微流控芯片技术合成碳量子点及其性质研究

摘要

近年来，碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）因具备亲水性，低细胞毒性，化学及光稳定性等优异性质，在化学、生物医学、传感学及光电子学领域得到了广泛的关注与应用。传统宏观体系合成碳量子点时存在操作繁琐、反应控制困难、反应物耗量大等不足。微流控芯片技术（Microfluidic Chip）能够将样品的混合、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米的芯片上，极大简化了实验操作，同时通道内流体通过计算机系统控制，提高了反应的可控性，通道小尺寸的特点，使试剂消耗量低。微流控芯片凭借自身具备的独特优势，在化学合成领域得到了广泛关注，但用于碳量子点合成的研究所见报道尚且较少。
　　本课题旨在基于抗坏血酸在醋酸铜催化下的热分解反应设计制作一款新型的微流控芯片用于碳量子点合成。实验过程中分别在宏观体系及微流控芯片中进行了碳量子点的合成实验，并对产物的荧光性能、化学组成、形貌结构等进行系统的分析，同时考察所得碳量子点在pH及Fe3+检测领域的应用。
　　首先，宏观体系中制备出了在365nm紫外光照射下发射蓝色荧光的亲水性碳量子点，该碳量子点为准球形、具有明显晶格结构、表面含有大量羟基与羧基。其次，根据合成反应的特点设计制作了一款用于碳量子点合成的新型微流控芯片，该芯片可以实现反应物的高效混合，并为碳量子点的生长提供足够的时间，通过控制反应物的流体力学与热力学参数，在芯片出口处可以收集到具有荧光性能的碳量子点产物。X射线光电子能谱、红外光谱、紫外-可见吸收光谱分析结果显示，利用该芯片合成的碳量子点表面相比于宏观体系合成的样品含有更多的C=C键，说明反应物的碳化过程在芯片中进行的更加彻底。再次，利用芯片合成的碳量子点在中性条件下具有最佳的荧光效果，过酸或过碱都会引起荧光淬灭，在酸碱范围内其荧光性能随着pH值的变化呈现出线性关系。最后，Fe3+可以特异性的淬灭碳量子点的荧光，而在0.5mmol/L浓度范围内该淬灭效果随着离子浓度的增加呈现出线性增强的趋势。
　　本课题利用微流控芯片合成荧光碳量子点，通过完善微通道的设计及对各项反应条件的控制，最终制备出了具有优异荧光性能的碳量子点。利用微流控芯片合成的碳量子点对pH及Fe3+具有优异的响应性，这为pH与Fe3+的检测开辟了一条新的检测方法。

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第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 宏观体系合成碳量子点的研究进展

1.3 微反应器合成碳量子点

1.4 微流控芯片合成碳量子点

1.5 本文研究目标及主要内容

第2章 宏观体系合成碳量子点

2.1 实验药品

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 微流控芯片合成碳量子点

3.1 微流控芯片合成的优势

3.2 实验药品

3.3 实验仪器

3.4 微流控芯片合成碳量子点

3.5 结果与讨论

3.6 本章小结

第4章 碳量子点的性质及应用

4.1 实验药品

4.2 实验仪器

4.3 实验方法

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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