氮掺杂碳量子点的制备及其在荧光微球和Fe3+检测中的应用

摘要

作为一种新型的碳纳米颗粒，碳量子点(CDs)由于低毒性、高荧光稳定性、良好的水溶性，优异的光学性质等优点，已经在生物成像、生物标记、分析化学和催化等领域引起了广泛的关注。但CDs荧光量子产率相对偏低，研究发现在CDs表面进行氮掺杂可改善其荧光性能。因此，本文对氮掺杂碳量子点(NCDs)及其荧光微球的制备与性能进行了探究，研究内容分为以下三个方面:一、氮掺杂碳量子点的制备及对环境水样中Fe3+的检测二、三聚氰胺甲醛荧光微球（MF荧光微球）的制备及表征三、氮掺杂碳量子点海藻酸钙膜的制备及荧光猝灭法检测Fe3+。
　　具体研究内容如下:
　　(1)以白菜为碳源，多乙烯多胺(PP)为氮源，通过水热法合成氮掺杂的蓝色荧光碳量子点(NCDs)。采用TEM对其形貌进行表征，结果表明NCDs尺寸均一且粒径分布窄，粒径大小为1.8nm。FIIR光谱分析表明NCDs表面富含氨基，羟基和羰基等官能团，水溶性良好。NCDs紫外吸收峰位为350nm处，最佳发射波长为470nm，荧光量子产率为53.3％，表现出优异的下转换荧光性能，具有激发波长依赖性。此外，还研究了pH、NaCl浓度、激发时间和放置时间对NCDs荧光稳定性的影响，结果表明NCDs具有良好的荧光稳定性。基于Fe3+对NCDs的荧光猝灭效应，建立了一种快速、选择性检测Fe3+的方法。线性回归方程为F0/F=0.90218+1.17795c，相关系数为0.9945，检出限为0.035μmol/L。因此，该法已成功应用于环境水样中Fe3+的检测，结果满意。
　　(2)NCDs与三聚氰胺甲醛通过氢键作用合成MF荧光微球，通过SEM测试表明MF荧光微球球形度高，单分散性良好且无明显团聚现象，粒径大小为3μm左右。荧光发射光谱测试表明，MF荧光微球具有良好的荧光性能。此外，还探索了pH、NaCl浓度、紫外光照射时间和放置时间对NCDs和MF荧光微球荧光稳定性的影响，结果表明MF荧光微球具有优异的荧光稳定性且明显优于NCDs。以上结果表明，NCDs可作为荧光负载物制备稳定性好且发光效率高的MF荧光微球。
　　(3)将NCDs嫁接于海藻酸钙，形成氮掺杂碳量子点海藻酸钙薄(CA-NCDs)。基于Fe3+对CA-NCDs强烈的猝灭作用，CA-NCDs可作为荧光探针检测Fe3+。Fe3+浓度在0～48μmol/L范围内与CA-NCDs的荧光猝灭率（F/F0）呈现良好的线性关系，线性回归方程为F/F0=1.0069-0.0109c，相关系数为0.9947，检出限为1.4nmol/L。此外，加标回收率在98.6％～103.1％之间。更重要的是，CA-NCDs荧光探针可有效地应用于水样中Fe3+的检测。

目录

声明

摘要

1．1碳量子点的慨述

1．2碳量子点的理化性质

1．2．1紫外-可见吸收

1．2．2 CDs的荧光性质

1．2．3上转换荧光性质

1．2．4稳定性

1．2．5低细胞毒性和生物相容性

1．2．6表面修饰

1．3碳量子点的制备方法

1．3．1自上而下法

1．3．2自下而上法

1．4碳量子点的应用

1．4．1生物成像

1．4．2生物传感

1．4．3光催化

1．4．4金属离子探针

1．4．5药物载体

1．4．6发光材料

1．4．7电催化

1．4．8碳量子点复合型荧光微球

1．5研究意义与主要研究内容

1．6创新点

第二章氮掺杂碳量子点的制备及对环境水样中Fe3+的检测

2．1．1实验试剂

2．1．2实验仪器

2．2实验方法

2．2．1氮掺杂碳量子点(NCDs)的制备

2．2．2 NCDs对Fe3+的检测

2．3实验表征手段

2．3．1场发射透射电子显微镜(TEM)

2．3．2傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)

2．3．5荧光发射光谱仪(FL)

2．3．6荧光量子产率的测定方法

2．4结果与讨论

2．4．1不同氨基碳量子点的UV和FL分析

2．4．2 NCDs的形貌分析(TEM)

2．4．3 NCDs的XRD分析

2．4．4 CDs和NCDs的FTIR分析

2．4．5 NCDs的紫外吸收与荧光光谱分析

2．4．6 NCDs的荧光稳定性分析

2．4．7 NCDs检测Fe3+条件的优化

2．4．8 NCDs对Fe3+的选择性

2．4．9其他金属离子对NCDs选择性和检测灵敏度的影响

2．4．10 NCDs对Fe3+的检测

2．4．11实际水样中Fe3+的检测

2．5本章小节

第三章三聚氰胺甲醛荧光微球的制备及表征

3．1．1实验试剂

3．1．2实验仪器

3．2实验部分

3．2．1预聚物羟甲基三聚氰胺的制备

3．2．2三聚氰胺甲醛荧光微球的制备

3．3三聚氰胺甲醛荧光微球的表征手段

3．3．1环境扫描电子显微镜(SEM)

3．3．2三聚氰胺甲醛荧光微球平均粒径与粒径分布计算

3．3．3利用荧光显微镜表征微球形貌

3．3．4傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)

3．3．5 X粉末衍射仪(XRD)

3．3．6荧光分光光度计(FL)

3．3．7荧光微球负载率的计算

3．4结果与讨论

3．4．1三聚氰胺甲醛荧光微球形貌分析

3．4．2三聚氰胺甲醛荧光微球的粒径分布

3．4．3三聚氰胺甲醛荧光微球的FTIR表征

3．4．4三聚氰胺甲醛荧光微球的荧光性能

3．4．5三聚氰胺甲醛荧光微球的稳定性研究

3．4．6三聚氰胺甲醛荧光微球的负载率

3．5本章小节

第四章氮掺杂碳量子点海藻酸钙膜的制备及荧光猝灭法检测Fe3+

4．1．1实验试剂

4．1．2实验仪器

4．2实验方法

4．3实验表征手段

4．3．1紫外可见分光光度计(UV)

4．3．2荧光分光光度计(FL)

4．4结果与讨论

4．4．1 CA-NCDs的光学性质

4．4．2 CA-NCDs的FTIR

4．4．3 CA-NCDs对Fe3+的选择性

4．4．4 CA-NCDs对Fe3+的检测

4．4．5 CA-NCDs对Fe3+的重复性检测

4．4．6实际水样中Fe3+的检测

4．5本章小结

5．1结论

5．2展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢