荧光碳量子点性能表征及在环境污染检测中应用

摘要

碳量子点是新型荧光纳米材料最重要的一种，具有水溶性、光稳定性、低毒、绿色环保、生物相容性、抗光漂白性等特性，在检测领域具有重要的应用价值。目前重金属主要检测方法有原子吸收光谱法、分光光度法、荧光分析法和电化学分析法等。这些方法需要昂贵的设备支撑，操作过程极为繁琐，而电化学分析方法具有灵敏度高、操作简单、成本低等优点。基于聚乙烯亚胺功能化碳量子点对Cu2+具有较高选择性，采用自组装方法制备碳量子点/巯基乙酸修饰电极，建立一种测定Cu2+的新电化学分析法。碳前驱体对纯度无特别要求且选择范围广，目前碳前驱体有柠檬酸、葡萄糖、活性炭、废纸、胡萝卜素等，而以3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTMS）和戊二醛（GA）为混合碳前躯物合成硅掺杂碳量子点（QDs）的新方法尚未报道。本文主要研究工作如下：　　（1）聚乙烯亚胺功能化碳量子点制备及光学性能表征。以饱和柠檬酸作为碳源，聚乙烯亚胺作为稳定剂，一步水热法制备聚乙烯亚胺功能化碳量子点，其吸收、激发和发射波长分别为358nm、365nm和460nm，激发波长与最大发射波长呈线性关系，在紫外灯下呈现深蓝色荧光。　　（2）采用自组装方法制备碳量子点/巯基乙酸/金电极修饰电极，建立一种Cu2+测定的新电化学分析方法。探讨在修饰电极上Cu2+电化学行为与支持电解质、扫描速率、pH值、NaAc-HAc缓冲液浓度对峰电流影响。实验表明，在0.2mol/L pH=4.2 NaAc-HAc缓冲液中，扫描速率为20mV/s，修饰电极在铜标准溶液中电极富集Cu2+，产生明显氧化还原峰，呈现出不可逆电极反应的特征。Cu2+浓度在9.41nmol/L~111.11nmol/L浓度范围内与还原峰电流呈线性关系，相关系数R2=0.9756，检出限为3.24nmol/L。该方法可用于环境水样中Cu2+检测，回收率为98.85％~99.98%。　　（3）QDs制备、性能表征及影响因素研究。基于GA与APTMS的Schiff碱反应水热法合成QDs。采用透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱仪（XPS）、傅里叶红外光谱仪（FTIR）、紫外可见吸收光谱和荧光光谱对碳量子点粒径、组成和光学特性进行测试。研究反应温度与时间、GA与APTMS摩尔比、溶剂种类、pH值及测定温度对QDs生长过程和荧光性能影响。发现QDs近似为直径1~2 nm的球形，富含甲亚胺基团和硅氧键，吸收波长、激发波长及最大发射波长分别为258 nm、350 nm、400 nm，荧光量子产率（QY）为13.6%。设置n(APTMS):n(GA)=1:2，180℃加热8 h合成QDs水溶液在pH=6.0磷酸盐缓冲液中荧光强度（4）QDs荧光猝灭法测定水样中Cu2+。Cu2+对QDs荧光产生猝灭作用，依据Cu2+浓度与QDs荧光猝灭率的相关性，建立QDs荧光探针测定水样中Cu2+方法，其它金属离子对Cu2+干扰程度较小，回收率为91.36%~100.80%，检出限为0.13μmol/L，相对标准偏差（RSD）为0.20%~0.93%。　　最大，且荧光强度随测定温度（273 K~303 K）升高而降低。　　（4）QDs荧光猝灭法测定水样中Cu2+。Cu2+对QDs荧光产生猝灭作用，依据Cu2+浓度与QDs荧光猝灭率的相关性，建立QDs荧光探针测定水样中Cu2+方法，其它金属离子对Cu2+干扰程度较小，回收率为91.36%~100.80%，检出限为0.13μmol/L，相对标准偏差（RSD）为0.20%~0.93%。　　（5）硅掺杂碳量子点-罗丹明B（RhB@QDs）荧光能量共振转移（FRET）体系构建与最佳转移条件确定。以QDs为供体，RhB为受体，构建FRET体系，研究pH值、QDs浓度和RhB浓度对FRET体系的影响。实验表明，在pH=7.8磷酸盐缓冲液时，QDs和RhB度分别为0.26mmol/L和83.333mg/L，荧光共振能量转移效率FRhB/FQDs最大，即RhB@QDs荧光探针的能量共振转移效果最佳。

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注释说明清单

引言

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 碳量子点的合成方法

1.3 碳量子点的表征技术

1.4 碳量子点的表面功能化

1.5 碳量子点的光学特性

1.6 碳量子点的应用现状

1.7 论文选题意义和研究内容

第二章 碳量子点的制备及其光学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3结果与讨论

2.4 结论

第三章 碳量子点表面修饰电极电化学分析法检测铜（Ⅱ）

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

第四章 硅掺杂碳量子点的制备与性能表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 结论

第五章 硅掺杂碳量子点荧光猝灭法检测铜（Ⅱ）

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 结论

第六章 荧光共振能量转移体系构建

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 结论

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果