纤维素基荧光碳点的制备及其应用研究

摘要

碳点(CDs)是一种尺寸小于10nm的新型荧光纳米粒子，自2004年CDs被报道以来，已经吸引了广大科研工作者的兴趣和关注。CDs具有极好的生物相容性、优秀的荧光性能、稳定的化学和物理性质、低毒性、极佳的水溶性等性质，大大拓展了CDs的应用领域和范围。目前，CDs的制备方法主要有，激光蚀刻法，电化学法，模板法等，这些方法存在原料价格高，设备价格昂贵或者实验操作复杂等缺陷，因此，急需一种操作简单，原料便宜同时可提高碳点荧光量子产率的制备方法。提高CDs荧光量子产率的方法一般有两种，一种是后期对CDs进行表面钝化;另一种是掺杂杂原子。
　　为了进一步降低制备成本，改善CDs的荧光性能，本课题选择以廉价易得可降解的生物质基—纤维素为原料，掺杂氮硫杂原子，通过一步水热法制得一系列纤维素基荧光CDs，分别对制得的CDs进行最适实验条件探究，形貌表征，成分和性能分析，通过细胞毒性试验评价其毒性，并将它们应用于生物成像与在溶液中对Fe(Ⅲ)检测，并对Fe(Ⅲ)检测下限和检测机理进行探究最终得到实验结论如下:
　　(1)氮掺杂纤维素基荧光CDs的制备及在生物成像的应用研究:以纤维素粉和尿素为原料，通过绿色环保的水热法一步制备了氮掺杂纤维素基荧光CDs(N-CDs)。考察了尿素质量、反应时间和反应温度对N-CDs荧光量子产率的影响，并探究最适实验条件为:尿素与纤维素的质量比为0.7，反应温度为180℃，反应时间为72h，此时N-CDs的荧光量子产率达21.7％;对N-CDs的形貌、成分和光学性能进行表征与分析，发现它的平均尺寸为4.2nm，表面存在氨基、羟基等基团，具有依赖激发光波长的荧光性质;通过细胞毒性试验，发现N-CDs的细胞存活率达89％以上，并将其成功应用于细胞成像。
　　(2)氮硫共掺杂纤维素基荧光CDs的制备及在生物成像的应用研究:以纤维素粉、硫代硫酸钠和乙二胺(EDA)为原料，通过绿色环保的水热法一步制备了氮硫共掺杂纤维素基荧光CDs(N，S-CDs)。N，S-CDs的最适实验条件为:纤维素粉0.5g，硫代硫酸钠0.1g，乙二胺0.5mL，反应时间72h，反应温度180℃，此时他的荧光量子产率达28.2％;并对N，S-CDs的形貌、成分和光学性能进行表征与分析，发现它的平均尺寸为3.2nm，存在氨基，羟基和含硫基团等基团，具有依赖激发光波长的荧光性质;相较于N-CDs，N，S-CDs具有更高的荧光量子产率，相同激发光下的N，S-CDs发射光发生红移;通过细胞毒性试验，发现N，S-CDs的细胞存活率达93％以上，并将其成功应用于细胞成像。
　　(3)纤维素基荧光CDs在溶液中对Fe(Ⅲ)检测的应用研究:将Cellulose-CDs，N-CDs，N，S-CDs和EDA-CDs分别在PBS缓冲液和水溶液当中进行Fe(Ⅲ)检测。并对N，S-CDs和EDA-CDs分别在PBS缓冲液和水溶液中进行Fe(Ⅲ)检测下限的测定，分别为0.3119ppm和0.03378ppm，对其检测机理进行探究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 CDs的荧光机理

1．3 CDs的光学性能

1．3．1 可谐调荧光性能

1．3．2 上转换发光性能

1．4 CDs的制备方法

1．4．1 自上而下法

1．4．2 自下而上法

1．4．3 CDs的表面钝化和功能化

1．5 CDs的应用

1．5．1 化学传感

1．5．2 生物传感

1．5．3 生物成像

1．5．3 纳米医药

1．5．4 光催化

1．5．5 电催化

1．6 本课题的研究目的和研究内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 纤维素基氮掺杂荧光碳点的制备及在生物成像的应用研究

2．1 引言

2．2 实验仪器和试剂

2．2．1 实验仪器

2．2．2 实验试剂

2．3 实验方法

2．3．1 纤维素基氮掺杂荧光碳点的制备

2．3．2 纤维素基碳点的制备

2．4 样品表征及性能评价

2．4．1 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)

2．4．2 X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectrometer，XPS)

2．4．3 荧光光谱(PL)

2．4．4 傅里叶变换红外光谱(Fourier TransformInfrared Spectroscopy，FT-IR)

2．4．5 紫外可见吸收光谱(UV-vis Absorption Spectrum，UV-vis)

2．4．6 荧光量子产率(QY)的计算

2．4．7 N-CDs在不同pH下的荧光测试

2．4．8 N-CDs的动态光反射(DLS)测试

2．4．9 细胞复苏

2．4．10 细胞传代

2．4．11 细胞计数

2．4．12 细胞冻存

2．4．13 细胞毒性试验

2．4．14 细胞成像

2．5 结果与讨论

2．5．5 影响N-CDs荧光量子产率的影响因素

2．5．1 N-CDs的TEM形貌分析

2．5．2 N-CDs的XPS和FT-IR分析

2．5．3 N-CDs的紫外可见吸收光谱，荧光光谱以及发射光谱分析

2．5．4 N-CDs荧光量子产率的计算以及在不同pH环境中的荧光分析

2．5．5 细胞毒性试验和生物成像分析

2．6 本章小结

第三章 纤维素基氮硫掺杂荧光碳点的制备及在生物成像的应用研究

3．1 引言

3．2 实验仪器和试剂

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验试剂

3．3 实验方法

3．3．1 纤维素基氮硫掺杂荧光碳点的制备

3．4 样品表征

3．4．1 透射电子显微镜(Transmission Electron Microscopy，TEM)

3．4．2 X射线光电子能谱(X-ray Photoelectron Spectrometer，XPS)

3．4．3 荧光光谱(PL)

3．4．4 傅里叶变换红外光谱(Fourier TransformInfrared Spectroscopy，FT-IR)

3．4．5 紫外可见吸收光谱(UV-vis Absorption Spectrum，UV-vis)

3．4．6 荧光量子产率(QY)的计算

3．4．7 细胞复苏

3．4．8 N，S-CDs的动态光反射(DLS)测试

3．4．9 细胞传代

3．4．10 细胞计数

3．4．11 细胞冻存

3．4．12 细胞毒性试验

3．4．13 细胞成像

3．5 结果与讨论

3．5．1 N，S-CDs荧光量子产率影响因素

3．5．2 N，S-CDs形貌分析

3．5．3 N，S-CDs的FT-IR和XPS结果分析

3．5．4 N，S-CDs的紫外-可见吸收、发射和激发光谱以及荧光光谱分析

3．5．5 N，S-CDs荧光量子产率计算

3．5．6 N，S-CDs细胞毒性试验和生物成像结果分析

3．6 本章小结

第四章 纤维素基荧光碳点在溶液中对Fe(Ⅲ)检测的应用研究

4．1 引言

4．2 实验仪器和试剂

4．2．1 实验仪器

4．2．2 实验试剂

4．3 实验方法

4．3．1 纤维素基碳点的制备方法

4．3．2 PBS缓冲溶液的配制

4．3．3 金属离子溶液的配制

4．3．4 在PBS中金属离子的检测方法

4．3．5 在水中金属离子的检测方法

4．3．6 在PBS中Fe(Ⅲ)的检测

4．3．7 在水中Fe(Ⅲ)的检测

4．3．8 荧光量子产率的计算

4．3．9 金属离子检测下限计算

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 纤维素基荧光碳点在PBS中金属离子检测的专一性和灵敏度分析

4．4．2 N，S-CDs在PBS中Fe(Ⅲ)的检测分析以及淬灭机理探究

4．4．3 纤维素基荧光碳点在水中金属离子检测灵敏度和专一性分析

4．4．4 EDA-CDs在水中Fe(Ⅲ)的检测分析以及淬灭机理探究

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果

致谢