水热氧化法合成碳量子点及荧光猝灭检测环境样品中痕量砷

摘要

随着时代的发展，科学的不断进步，人类的认知也越来越广。20世纪末，纳米技术作为一种新的科学技术渐渐发展起来了。随着纳米科学的发展，关于碳元素的纳米材料不断被发现，如碳纳米纤维、石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石等。碳量子点作为一种新型荧光纳米材料成为碳纳米材料家族的新成员。
　　量子点是一种零维半导体纳米晶体，近似球型，直径1～12nm，由于量子点的尺寸很小，因而量子点具有表面效应、体积效应、介电限域效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，吸收光谱宽、发射光谱窄和斯托克斯位移大等优良的光学性能，正越来越受到人们的关注。但是，由于金属量子点一般都有毒，对活体细胞有害，使其应用大大受限。
　　碳量子点相对其他金属量子点具有荧光性能稳定、并且无光闪烁，发射波长和激发波长可调控、分子量和粒径很小，与生物的相容性好、毒性低等优点，因此，碳量子点在许多方面逐渐取代金属量子点。碳量子点具有广泛的应用前景，因此吸引了一大批研究者对碳量子点进行研究。
　　现阶段，碳量子点的制备和应用仍处在初始阶段，所制得的碳量子点的荧光量子产率还很低，溶解性能差异大，还远远满足不了市场需求。本文从主要从以下几个方面着手，分别探讨了碳点的合成、表征及应用。
　　1、实验以活性炭为碳源，硝酸和过氧化氢作为混合氧化剂，通过水热法合成荧光碳点。同时考察了活性炭粒径、反应时间、硝酸用量和过氧化氢用量的不同对碳量子点合成的影响。通过实验得到了最优化的条件参数:活性炭的粒径为400目、反应时间为13h、参与反应硝酸体积用量与活性炭用量比为3∶1、过氧化氢的用量为25mL，且过氧化氢分批次加入。与此同时，对最优化条件下合成的碳量子点进行表面修饰。分别采用了掺杂法和表面钝化法两种修饰手段，得到了修饰碳点的最优条件。以乙二胺作为表面钝化剂，乙二胺修饰碳量子点时，微波修饰时间越久越好，但是不能太久，乙二胺的用量也要严格控制。量取30mL制备好的碳量子点，添加6mL的乙二胺，中温微波加热60min，即可达到乙二胺对碳量子点的最佳修饰效果。
　　2、本文通过红外光谱分析、XRD分析、扫描电镜分析、透射电镜分析对碳量子点进行表征，探讨分析了碳点的结构、成分及粒径。本实验方法合成的碳点包含有羰基、羧基、羟基基团，粒径在5nm左右，且其形貌是球形或准球形。并在此基础上考察了pH值、碳点浓度、溶剂等对碳量子点荧光性能的影响。pH值为6的时，碳点的荧光强度达到最大值，pH值小于6或者大于6时都会使碳点的荧光强度降低，随着碳点浓度的增加，其荧光强度也在增大，但浓度越大时，其增加趋势明显放缓，且碳点易溶于水。
　　3、采用优化条件合成和修饰后的碳量子点为荧光探针，在一定酸度和碳量子点用量条件下，应用于环境水样中痕量砷的测定。在砷离子浓度为2ng/mL至10ng/mL范围内，砷离子浓度与碳点的荧光猝灭比率(F0/F)之间有线性关系，其线性回归方程为:y=0.2309x+0.9488，线性系数R2=0.9855，相对标准偏差RSD为2.4％，检出限LOD为0.32ng/mL。实验检测了校园砚湖水和东风渠水中的砷含量，砷含量分别为1.175ng/mL和1.27ng/mL。但本次实验检测样品中砷离子时，其相对标准偏差较大，检测限较高，因此方法条件还有待进一步研究探讨。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 碳量子点简介

1．1．1 量子点的概述

1．1．2 碳量子点的概述

1．2 碳量子点的性质

1．2．1 碳量子点的光学性质

1．2．2 碳量子点的生物相容性

1．3 碳量子点的制备方法

1．3．1 电弧法

1．3．2 激光剥蚀法

1．3．3 电化学合成法

1．3．4 高温热解法

1．3．5 微波法

1．3．6 水热法

1．3．7 等离子体诱导法

1．4 碳量子点的表征

1．4．1 X-射线衍射法

1．4．2 荧光光谱法

1．4．3 透射电镜法

1．4．4 扫描电镜法

1．4．5 红外光谱法

1．4．6 紫外-可见光谱法

1．5 碳量子点的修饰

1．5．1 包金属法

1．5．2 掺杂法

1．5．3 表面钝化法

1．5．4 微波法

1．6 碳量子点发光性能的研究

1．6．1 修饰剂的影响

1．6．2 pH值的影响

1．7 碳量子点的应用

1．7．1 碳量子点在生物传感和生物标记方面的应用

1．7．2 碳量子点在光催化中的应用

1．7．3 碳量子点在分析检测中的应用

1．7．4 碳量子点应用于其他领域

1．8 论文的研究意义、拟达到目的及主要研究内容

第2章 碳量子点的合成与表面修饰

2．1 实验试剂

2．2 实验仪器

2．3 碳量子点的制备

2．4 碳量子点合成条件的优化

2．4．1 活性炭粒径的优化

2．4．2 反应时间的优化

2．4．3 硝酸用量的优化

2．4．4 过氧化氢用量的优化

2．5 碳量子点的表面修饰

2．6 结果与讨论

2．6．1 活性炭粒径的影响

2．6．2 反应时间的的影响

2．6．3 硝酸用量的影响

2．6．4 过氧化氢用量的优化

2．6．5 氧化锌对碳点的修饰

2．6．6 钝化剂的选择

2．6．7 乙二胺对碳点修饰的优化

第3章 碳量子点的表征及发光机理

3．1 实验部分

3．1．1 实验试剂与仪器

3．1．2 红外光谱分析

3．1．3 XRD分析

3．1．4 扫描电镜分析

3．1．5 透射电镜分析

3．1．6 碳点荧光强度的影响因素

3．1．7 碳点荧光发射图谱

3．2 结果与讨论

3．2．1 碳量子点的红外光谱图

3．2．2 碳点的XRD图谱

3．2．3 碳点的SEM图谱

3．2．4 碳点的TEM图谱

3．2．5 pH值对碳点荧光强度的影响

3．2．6 溶剂类型对碳点荧光强度的影响

3．2．7 碳点荧光发射图谱

3．2．8 碳点发光机理探讨

第4章 碳点荧光探针检测痕量砷离子

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器与试剂

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 仪器参数的优化

4．3．2 砷离子浓度梯度的优化

4．3．3 碳点浓度的优化

4．3．4 反应时间的优化

4．3．5 pH值的优化

4．3．6 标准曲线的绘制

4．3．7 干扰离子的影响

4．3．8 样品检测及检出限计算

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果