（分析化学专业论文）荧光碳点的合成、表征及其在生化分析中的应用研究.pdf

a 1 一 鼻 彀j 8 本人授权西南大学研究生院( 筹) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：拆保密，口 保密期限至年月止) 。 学位论文作者签名：自砷奇 导师签名： 签字日期：讪1 1 年6 月弓日签字日期：砂i f 年石月多日 嘻 量 害 晨 je 枣 2 5c k k 8 细胞毒性检测。1 9 2 6 荧光量子产率的测定1 9 第三节结果与讨论2 0 3 1 碳点合成条件的优化：。2 0 3 2 碳点的表征2 0 3 2 1 碳点的粒径。2 0 3 2 2 碳点的红外光谱2 l 3 3 碳点的光谱特性及性能。2 2 3 3 1 碳点的紫外可见吸收与荧光光谱。2 2 3 3 2 碳点的发光机理及荧光量子产率一2 2 3 3 3 碳点荧光强度受酸度的影响2 4 3 3 4 碳点的抗光漂白性与高抗盐性2 4 3 3 5 碳点的低细胞毒性2 4 3 4 结论。2 5 第三章羟基化荧光碳点应用于金属离子的检测及其与金属离子的作用研究2 7 第一节引言2 7 第二节实验部分2 8 2 1 仪器。2 8 2 2 试剂2 8 2 3 实验方法2 8 2 3 1 碳点的合成与纯化2 8 2 3 2 金属离子与碳点作用光谱测定2 8 第三节结果与讨论。2 8 3 1 碳点与一系列金属离子的作用。2 8 3 2 碳点与c ，、a 1 3 + 和f e 3 + 作用的酸度条件优化2 9 3 - 3 碳点与c r 3 + 和f e 3 + 相互作用的线性范围与检测限。3 0 3 4c r 3 + 猝灭碳点荧光的机理探讨3 l 3 5a 1 3 + 与碳点相互作用研究3 2 3 5 1a l ”与碳点相互作用的荧光光谱3 2 3 5 2a l ”对碳点荧光猝灭机理的探讨3 3 3 5 3a l ”与碳点相互作用机理的探讨。3 4 3 6 结论。3 6 第四章碳点共振光散射法检测溶菌酶3 9 第一节引言3 9 第二节实验部分3 9 2 1 仪器3 9 2 2 试剂。4 0 2 3 实验方法4 0 2 3 1 碳点的合成4 0 2 3 2 共振光散射光谱测定4 0 第三节结果与讨论。4 0 3 1 碳点的光谱表征4 0 3 2 碳点与溶菌酶作用的光谱特征：4 1 3 3 实验条件优化4 2 3 4 碳点与溶菌酶相互作用的机理探讨。4 2 3 5 共存物质的影响4 2 3 6 标准曲线与检出限4 3 3 7 实际样品的测定。一4 3 3 8d 、结。4 4 第五章全文总结与展望4 5 第一节全文总结4 5 第二节前景与展望4 6 参考文献：4 7 硕士期间科研成果5 5 j 目i 谢5 7 摘要 荧光碳点的合成、表征及其在生化分析中的 应用研究 分析化学专业硕士研究生刘利芹 指导教师李原芳教授 摘要 碳点作为新型荧光碳纳米材料，不仅具有优良的光学性能与小尺寸特性，而 且还具有低细胞毒性。近年来，量子点以其优异的荧光性能已经在生物，医疗等 领域取得了广泛应用，但是研究发现量子点中的重金属离子具有较强的细胞毒性， 同时量子点还具有光眨眼现象，这使得其实际应用受到了一定程度的限制。而碳 点可以克服量子点细胞毒性及光眨眼现象的问题。因此，碳点是替代量子点的良 好选择。然而，目前碳点的制备与应用还处于初级阶段，其荧光量子产率还尚未 达到量子点的水平。因此，探索高荧光量子产率碳点的制备方法以及寻找其新的 应用就显得尤为迫切。本文主要从荧光碳点的制备与应用两个方面出发，首先， 探索出一种表面羟基化的荧光碳点合成新方法，实验经济便捷，且所得碳点具有 优良的性能；其次，将表面羟基化的荧光碳点应用于金属离子的检测并探讨与金 属离子的作用研究；最后，参考文献合成出了表面羧基功能化的荧光碳点，并将 其成功应用于溶菌酶含片中溶菌酶的检测。论文的主要内容概括如下： ( 1 ) 建立一种以蜡烛灰作碳源，水热法一步合成荧光碳点的新方法。合成的碳 点具有良好的荧光特性、好的水溶性、抗光漂白性、抗盐及低细胞毒性。透射电 子显微镜( t e m ) 结果显示所合成碳点均匀分布，粒径为3 14 - 0 5 姗，同时采用动 态光散射( d l s ) 进一步表征了碳点在水溶液状态下的水合粒径约为1 0n l n ，且分布 均匀；红外光谱表征结果显示现碳点表面有大量羟基和少量的其它基团。此外， 测得碳点荧光光谱对称，最大激发与发射分别在31 0n m 与4 5 0 呦，且荧光量子产 率达5 5 。然而，在以蜡烛灰作碳源经硝酸处理得到表面羧基化碳点的一系列实 验中发现，即使通过复杂的分离、提纯或钝化过程，其荧光量子产率也小于3 0 。 据此，我们推测，羧基是强吸电子基团，当其直接与碳核相连时会不利于碳点荧 光的发射。然而，羟基具有一定的供电子能力，故比较有利于碳点荧光发射。 ( 2 ) 研究了表面羟基化的碳点与金属离子的作用。氢氧化物溶度积极小的金属 西南大学硕十学位论文 离子，易与碳点表面上的羟基结合，导致碳点聚集而发生荧光猝灭。基于此原理 建立以碳点为荧光探针，实现对金属离子c ，、f e 3 + 、a 1 3 + 的痕量检测，方法的检 测限分别为3 1 、5 6 、5 1n g n m l 。此外，实验还发现碳点的荧光会随着砧”浓度的 逐渐增大，出现先逐渐猝灭再逐渐恢复的现象。实验结果表明荧光猝灭过程为静 态猝灭，荧光恢复过程为静态与动态相结合的猝灭；d l s 测定结果表明荧光猝灭 过程碳点逐渐聚集，而荧光恢复过程碳点又逐渐分散。我们推测这一特殊现象可 能是由于时+ 是两性金属离子所导致。 ( 3 ) 利用共振光散射( r l s ) 技术研究了碳点与溶菌酶的相互作用。在弱碱性条 件下，带负电荷的碳点与带正电荷的溶菌酶通过静电作用相结合，形成大颗粒复 合物，具有较强的共振光散射信号，并且信号不易受酸度和离子强度影响。在优 化条件下，增强的r l s 强度与溶茵酶浓度在7 1 5 “g l 1 4 3m g l 范围内呈良好 的线性关系，检出限为3 7 8 “g l ( 3 回。此方法成功应用于溶菌酶含片中溶菌酶含 量的检测，回收率在9 5 8 9 8 9 之间，相对标准偏差小于4 4 。 关键词：碳点荧光金属离子溶菌酶共振光散射 吞 i 蕾 a b s t r a c t t h e s y n t h e s i sa n d c h a r a c t e r i z a t i o no f f l u o r e s c e n c ec a r b o nd o t sa n dt h e a p p l i c a t i o n s i nb i o c h e m i c a l a n a l y s i s m a j o r ：a n a l y t i c a lc h e m i s t r yp o s t g r a d u a t e ：l iq i nl i u s u p e r v i s o r ：p r o f y u a nf a n gl i a b s t r a c t c a r b o nd o t s ( c d s ) ，a san e wf l u o r e s c e n c ec a r b o nn a n o m a t e r i a l ，p o s s e s su n i q u e o p t i c a lp r o p e r t i e sa n ds m a l ls i z ee f f e c t s ，w i t h9 0 0 db i o c o m p a t i b i l i t ya n dw i t h o u t e y t o t o x i c i t y i nr e c e n ty e a r s ，q u a n t u md o t s ( q d s ) h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h e f i e l d so fb i o l o g ya n dm e d i c i n eo w i n gt ot h e i ru n i q u ef l u o r e s c e n tp r o p e r t i e s r e g r e t t a b l y ，t h eh e a v ym e t a l si nt h eq d s ，s u c ha sc a d m i u m ，h a v es e r i o u sc y t o t o x i c i t y , a tt h es a m et i m e ，q d sh a v el i g h tb l i n k i n gp h e n o m e n o n , w h i c hl i m i t e dt h e i rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s w h i l ec d sc o u l do v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fq d s ，a n dm a yb ea n i c e s u b s t i t u t ef o rq d s t od a t e ，h o w e v e r , t h ep r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fc d sa r ea t p r i m a r ys t a g e ，a n dt h ef l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l di sw o i t h a nt h a to fq d s s o ， e x p l o r i n g9 0 0 dw a y st op r e p a r ec d sw i t hh i l g hf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l da n d s e a r c h i n gt h e i rn e wa p p l i c a t i o n sa r eq u i t es i g n i f i c a n t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w em a i n l y d e s c r i b et h ep r e p a r a t i o na n da p p l i c a t i o no fc d s f i r s t l y ，w ee x p l o r e do n en e wr o u t et o s y n t h e s i z eh y d r o x y l s - c o a t e dc d s t h eo b t a i n e dc d sh a v eg o o d f l u o r e s c e n c e p r o p e r t i e s m o r e o v e r , t h ep r o c e s so fs y n t h e s i si sc o n v e n i e n ta n de c o n o m i c s e c o n d l y ， t h eh y d r o x y l s - c o a t e dc d sw e r ea p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no fm e t a li o n s l a s t l y ， c a r b o x y l s - f u n c t i o n a l i z e dc d sw e r es y n t h e s i z e da c c o r d i n gt ot h er e f e r e n c e ，a n dw e r e s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed e t e c t i o no fl y s o z y m ei nl y s o z y m eb u c c a lt a b l e t s t h em a i nc o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s to f t h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： ( 1 ) t h eh y d r o x y l s c o a t e dc d sw e f a c i l e l ys y n t h e s i z e db yh y d r o t h e r m a l r e a c t i o no fc a n d l es o o ti ns o d i u mh y d r o x i d ea q u e o u ss o l u t i o n t h e yp o s s e s s e d e x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sg o o df l u o r e s c e n c ep e r f o r m a n c e ，g o o dw a t e r - s o l u b i l i t y ， a n t i - p h o t o b l e a c h i n g ，h i g hs a l tt o l e r a n c e ，a n dl o wc y t o t o x i c i t y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n i i i 一 西南大学硕十学位论文 m i c r o s c o p e ( t e m ) s h o w e dt h a tc d sw e r eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e dw i t ht h ed i a m e t e ro f 3 14 - 0 5m f o rf u r t h e ra n a l y s i st h es i z ei na q u e o u ss o l u t i o n , d y n a m i cl i g h t s c a t t e r i n g ( d l s ) w a se m p l o y e da n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e yw e r ea l s ou n i f o r m l y d i s t r i b u t e d 、j l ，i t ha na v e r a g ed i a m e t e ro fa b o u t10n m w i t hf o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e d ( f t i r ) s p e c t r u m ，w eo b s e r v e dt h a tt h es u r f a c eo fc d sh a dm a n yh y d r o x y l sa n da f e wo t h e rg r o u p s t h ec d sr e p o r t e dh e r eh a v en a r r o wa n ds y m m e t r ye x c i t a t i o na n d e m i s s i o ns p e c t r a , 晰n lt h ep e a k sa t310i l ma n d4 5 0n m , r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e ， t h ec d sh a v en i c ef l o r e s c e n c ep r o p e r t yw i t haf l u o r e s c e n c eq u a n t u my i e l do fa b o u t 5 5 h o w e v e r ，t h eq u a n t u my i e l do ft h ec d sw i t hl o t so fc a r b o x y l so nt h es u r f a c e ， o b t a i n e db yr e f l u x i n gc a n d l es o o ta n dn i t r i ca c i d ，i sb e l o w3 0 e v e nb yc o m p l i c a t e d s e p a r a t i o no rm o d i f i c a t i o np r o c e s s b a s e do nt h i s ，w es p e c u l a t et h a tc a r b o x y l s ，w i t h s t r o n ge l e c t r o nd r a w i n ga b i l i t y ，a r en o tb e n e f i c i a lt ot h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o no f c d sw h e nb i n d i n gt ot h es u r f a c eo fc a r b o nc o r ed i r e c t l y ，w h i l eh y d r o x y l s ，、) i ，i m s t r o n ge l e c t r o nd o n a t e da b i l i t y , a r ev e r yf a v o u r a b l et ot h ef l u o r e s c e n c ee m i s s i o n ( 2 ) w ea p p l i e dt h eh y d r o x y l s c o a t e dc d si nt h ed e t e c t i o no fm e t a li o n sa n d s t u d i e dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m s o m em e t a li o n s ，w h o s eh y d r o x i d e sh a v e e x t r e m e l yl o ws o l u b i l i t yp r o d u c tc o n s t a n t s ，a r ev e r ye a s yt oc o m b i n e 、) l ，i 也t h e h y d r o x y l so fc d sa n dl i n k t h en e i g h b o r i n gc d s a sac o n s e q u e n c e ，c d sg e t a g g r e g a t e d ，f o l l o w i n gt h ef l u o r e s c e n c eq u e n c h i n g a c c o r d i n gt ot h i s ，w ee s t a b l i s h e d an e wm e t h o df o rt r a c ea m o u n td e t e c t i o no fc ，a 1 3 + a n df e 3 + w i t hc d sa sa f l u o r e s c e n tp r o b e ，w i t ht h ed e t e c t i o nl i m i t so f3 1 ，5 1 ，5 6n g m l ，r e s p e c t i v e l y i n a d d i t i o n , w ef o u n dt h a t 胛+ h 硒d i f f e r e n tp h e n o m e n o nw i t ht h eo t h e rm e t a li o n s u p o nt h ea d d i t i o no fr i s i n ga m o u n t so fa 1 ”，t h ef l u o r e s c e n c eo fc d sf i r s t l yg o t q u e n c h e da n dt h e nr e c o v e r e dg r a d u a l l y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e dt h a t t h e q u e n c h i n gp r o c e s sw a ss t a t i cq u e n c h i n gw i l et h er e c o v e r yp r o c e s sw a ss t a t i ca n d d y n a m i cq u e n c h i n g ；d l sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s i z eo fc d si n c r e a s e di nt h e q u e n c h i n gp r o c e s s ，w h i l ed e c r e a s e di nt h er e c o v e r yp r o c e s s w ep r o p o s et h a tt h e s p e c i a lp h e n o m e n o nm a y b ea s c r i b e dt ot h ef a c tt h a ta 1 3 + i saz w i t t e ri o n ( 3 ) t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nc d sa n dl y s o z y m ew a ss t u d i e dw i t hr e s o n a n c el i g h t s c a t t e r i n g ( r l s ) t e c h n i q u e i nw e a ka l k a l i n ec o n d i t i o n s ，t h en e g a t i v e l yc h a r g e dc d s c o u l db i n dw i t hp o s i t i v e l yc h a r g e dl y s o z y m et h r o u g he l e c t r o s t a t i ca t t r a c t i o n s ，f o r m i n g al a r g ec o m p l e xw i t hs t r o n gr l ss i g n a l sw h i c hc o u l dn o tb ee a s i l yi n f l u e n c e db yp h a n di o n i cs t r e n g t h u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s ，t h ee n h a n c e dr l si n t e n s i t yw a s f o u n dt ob el i n e a r l yc o r r e l a t e dw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n so fl y s o z y m ei nt h er a n g eo f a 冬 l 希 v v i i 第一章绪论 第一章绪论 第一节引言 1 1 纳米材料概述 纳米材料作为2 1 世纪高新技术材料，正引起世界各国学者的广泛关注。 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围( 1 一1 0 0n m ) 或由 它们作为基本单元构成的材料。纳米材料从空间三维尺度上可分为零维、 一维和二维。零维纳米材料是指其空间三维尺度均在纳米尺寸，如量子点、 碳点、金簇等；一维纳米材料是指其空间有两维在纳米尺寸，如碳纳米管、 金纳米棒等；二维纳米材料是指其空间有一维在纳米尺寸，如石墨稀、超 薄金属膜、超晶格等。 人们之所以大力关注和研究纳米材料，是因为纳米材料有着不同于宏 观体材料的特异性能，这些优异性能可以为人们的生活与生产提供更好的 服务，提高人们的生产与生活水平。众所周知，不同金属具有不同的颜色， 比如金子是黄色、银子是白色、铜是紫红色。但是，如果把这些金属制备 成纳米数量级材料时，那么它们都会变成黑色。为什么会出现这样奇异的 现象呢? 原来物质小到纳米级别时，它的性能会有翻天覆地的变化。究其 原因是由于纳米材料有不同于一般体材料的物理性能和化学性能，比如表 面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等【卜2 1 。 表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急 剧增大，引起物化性质的变化；量子尺寸效应是指当粒子尺寸降低到某一 数值时，金属费米能级附近电子能级由准连续变为分立能级以及纳米半导 体微粒的能隙变宽的现象，这些均称为量子尺寸效应；小尺寸效应指当纳 米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺 寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，而非晶态纳米粒子表 面层附近原子密度减小，这些均会导致电、磁、光、热、声、力学等性质 的变化，这些称为小尺寸效应；宏观量子隧道效应是指当微观粒子的总能 量小于势垒高度时，而该粒子仍能穿越这一势垒。 1 2 碳纳米材料概述 随着纳米技术的飞速发展，碳纳米材料也正受到广泛的关注和研究。 目前，碳纳米材料可包括：零维的碳点、富勒烯，一维的碳纳米管，二维 的石墨稀。 西南大学硕十学位论文 碳元素在地球上广泛存在，即大量存在于地壳与大气中，又广泛存在 于各种有机体中，是构成生命的重要元素之一。早期人们对碳的认识是碳 有三种同素异形体，即石墨、金刚石和无定形碳。直到1 9 8 5 年，科学家发 现了富勒烯p j ，使人们对碳的认识又进了一大步。随后1 9 9 1 年日本科学家 发现了纳米管状的碳材料碳纳米管【4 1 ，以及2 0 0 4 年美国科学家发现了具有 单层石墨结构的石墨稀【5 】，这些新发现为科学界带来了一个又一个惊喜，也 为材料科学的发展开辟了新的领域。近期，俄国著名物理学家和天文学家 乔治伽莫夫基于对石墨稀的研究而获得2 0 1 0 年诺贝尔物理学奖，这又一次 激发了科学家对碳纳米材料研究的热潮。 2 0 0 4 年x u 等在分离纯化由电弧放电制备的单壁碳纳米管( s i n g l e w a l l e dc a r b o n n a n o t u b c s ，s w c n t s ) 时t 6 。，首次发现了发荧光的碳纳米粒子， 但其荧光量子产率很低。直到2 0 0 6 年，s u n 等【7 】用激光消融碳靶物再用有 机试剂钝化的方法，制备出了荧光性能较好的碳纳米粒子，并首次称其为 碳点( c a r b o nd o t s ，c d s ) 。随后，有越来越多的研究者加入碳点的研究队伍 中来，并建立起一系列碳点制备的新方法，进一步提高了碳点的荧光性能， 同时将碳点应用到生化分析及细胞成像等领域。 碳纳米材料中，除荧光碳点以外，还有一类纳米材料荧光纳米金刚石 8 - 9 】。但荧光纳米金刚石的制备过程需要高昂的仪器，且大多需要在极高的 温度和压强下完成，具有一定的危险性。因此从资金与安全的角度考虑， 对荧光纳米金刚石的研究相对较少。 第二节荧光碳点概述 近年来，半导体金属荧光量子点( q u a n t u md o r a ，q d s ) 以其优异的光学性能 及小尺寸特性，使其在细胞成像、细胞标记、分析检测、医疗诊断等领域得到广 泛应用【2 胁1 5 】。然而，研究发现量子点中的重金属离子，如c d 2 + ，在使用过程中 会有一定的释放，造成环境污染，而且对细胞也有较强的毒性【婚1 7 】。因此，寻找 一种新的生物与环境友好型荧光纳米材料显得尤为迫切。碳点作为新型的荧光碳 纳米材料，亦具有良好的发光性能与小尺寸特性，而且还具有很低的生物毒性与 无光眨眼性能。因此，在细胞成像、标记及检测等领域有着良好的应用前景，是 替代量子点的良好选择。目前碳点已经在细胞成像【7 ，1 8 1 、发光器件【1 9 】催化及金属 离子检测i 删2 1 l 等领域有了初步的应用。以下从碳点的制备、性能及应用三个方面 展开详细的叙述。 2 1 碳点的制备 第一章绪论 碳点作为新型荧光碳纳米材料，以其优异的物化性能吸引了国内外学者的广 泛关注和研究。为制备出荧光性能更优良，且方法便捷、经济的碳点，世界各国 研究者经过不懈的努力，已经建立了一系列碳点合成的新方法。这些方法可以概 括为两大类：自上而下( t o p d o w n ) 和自下而上( b o t t o m - u p ) 。自上而下是指通过 物理或化学的方法把大变小，直到成为纳米颗粒，比如机械粉碎、球磨或化学氧 化等将大颗粒物体变小等。自下而上的方法，形象地说是由小变大的方法，大多 是化学合成法，比如利用有机或无机分子组装功能器件的方法等。 自上而下的碳点合成方法包括电弧放电法嘲、激光法【7 2 2 - 2 7 1 、电化学法【2 8 弓1 1 等。自下而上的碳点合成方法包括基于灰的氧化或腐蚀法f 3 2 。3 5 】，热解有机物法 3 6 - 4 0 1 、微波合成法【4 1 1 、掺杂法【2 3 】等。这些方法制得的碳点大都需要表面钝化处 理以增强其荧光性能，然后通过离心、透析、电泳等方法进行分离提纯。 2 1 1 自上而下方法 a ) 电弧放电法 x l l 等【6 】将电弧放电得到的烟灰用硝酸与氢氧化钠分别处理得到黑色悬浮液， 然后用凝胶电泳法分离s w c n t s 时惊奇地发现，悬浮液中分离出三个带，速度最 慢的黑带是长碳纳米管，而速度最快的那个带在紫外灯照射下竟然有荧光。对荧 光部分继续分析发现，此部分仍为混合物。通过进一步电泳分离得到了发射蓝绿 色，黄色和橘红色荧光的三部分荧光纳米材料。同时用超滤离心的方法估算出这 三部分的分子量分别为3 0 0 0 1 0 0 0 0 、1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 、3 0 0 0 0 5 0 0 0 0 。表征得知 黄色部分的粒径约0 9 6n m ，荧光量子产率1 6 。由元素分析知，c ，5 3 9 3 ； h ，2 5 6 ：n ，1 2 0 ；o ，4 0 3 3 。所以所得荧光碳纳米粒子主要含碳与氧 元素，其中氧与氮元素主要是在硝酸回流过程中产生。同时无金属元素出现，表 明电弧放电制备s w c n t s 的催化剂中无金属元素残留。 b ) 激光消融法 2 0 0 6 年，s u n 等 7 1 首次使用激光消融碳靶物的方法制备荧光碳点。其制备过 程是：碳靶物通过热压( h o t - p r e s s i n g ) 石墨粉与粘土的混合物，然后在氩气流中 经过烘烤、成长、退火而得到。碳靶物处于9 0 0 、7 5k p a 的氩气水蒸气氛围下， 用n d y a g 激光器消融碳靶物得到碳纳米粒子初产物。电镜分析此产物多为聚 集态的碳，无荧光。再经硝酸( 2 6m ) 回流1 2h 处理增大其水溶性之后，仍无荧 光。继续将其用有机试剂钝化后，发现有荧光出现，并称其为碳点，且荧光量子 产率可达4 一l o 。此方法不足之处是制备过程复杂，且需要昂贵的仪器与有 机钝化试剂。 3 西南大学硕+ 学位论文 馥雠一蓬 图1 1 在聚7 _ , - - 醇溶剂中( p e g z o o n ) 一步合成发光碳纳米粒子示意图1 2 4 1 随后，h u 2 4 1 等亦用一步反应激光消融法合成碳点。如图1 1 所示，碳点的合 成过程与表面功能化同时进行。制备过程：炭黑分散在p e g 2 0 0 与水合肼或二乙 醇胺的溶剂中，超声条件下用n d - y a g 激光器照射此混合溶液2h ，然后通过离 心分离除去大颗粒碳不溶物，得到粒径约3 2n m 的荧光碳点。所得碳点荧光量 子产率在水合肼中可达3 7 ，于二乙醇胺中可达7 8 。本方法的优点是制备 过程简便，且可以通过改变有机溶剂来改变其表面包被情况制备出荧光发射波长 可调的碳点。 c ) 电化学法 z h o u 等【2 8 l 首次用电化学氧化多壁碳纳米管( m w c n t s ) 的方法制备荧光碳 点。在电化学电池中，将化学气相沉积( c v d ) 法生长在碳膜上的m w c n t s 作为 工作电极，铂丝作为对电极，a g a g c l 0 4 作为参比电极，含有0 1m 的四丁基胺 高氯酸盐( t b a p ) 的乙腈溶液作为支持电解质，以0 5v s 的扫描速率施加2 0v 到2 0v 的循环电压。随着反应的进行，电解质溶液由无色逐渐变为黄色最后变 为深棕色。此溶液于紫外灯照射下观察有蓝色荧光，说明生成了荧光碳点。随后， 将乙腈蒸发除去，再用透析的方法除去电解质，便得到纯化后的碳点。所得碳点 粒径为2 84 - 0 5n m ，荧光发射光谱依赖于激发光谱，在3 4 0n m 激发条件下，荧光 量子产率为6 4 。尽管此方法得到碳点的荧光性能还可以，但是不适合在水溶 液与大批量制备。 为建立在水溶液中制各碳点的方法，z h a o 等 2 9 1 使了用电化学氧化石墨棒电 极的方法。其实验过程是：在电池中石墨作为被氧化工作电极，饱和甘汞作参比 电极，铂线作对电极，0 2mn a h 2 p 0 4 作为电解质溶液。随着氧化时间的延长， 电解质溶液由无色逐渐变为黄色最后为深棕色。将深棕色溶液经过离心、超滤得 到两种分子量的碳点。分子量大于1 0k d a 的无荧光，小于5k d a 与5 1 0 k d a 的分别发射蓝色和黄色荧光，他们的粒径分别为1 94 - 0 31 1 n l 和3 24 - 0 5 衄。此 方法的优点是在水溶液中合成，且荧光半峰宽为6 8n m ，比其他很多方法所制的 碳点荧光峰要窄 6 - 7 2 2 , 2 8 , 4 2 。但是，一般情况下在水溶液中制备碳点的荧光量子 4 i 第一章绪论 产率不如在有机溶剂中制备的高，此实验所得荧光量子产率仅为1 2 ，这也是 实验的不足之处。 ， ， 为进一步改进电化学制备碳点的方法，l u 等【3 0 】用离子液体辅助电化学法剥 落石墨电极制得荧光碳纳米粒子。离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态 的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。将离子液体替代传统溶剂 的优点是：反应速率比在普通溶剂中快几倍；所用的离子液体和催化剂的混合液 可以重复利用，并且研究表明离子液体可起到溶剂和催化剂的双重作用【4 3 4 5 1 。通 过调节离子液体与水的比例可以合成出荧光发射从紫外区到可见光区的荧光碳 点。所得碳点粒径为2 4n m ，碳点的核部分点阵间距o 3 3n m 。因此，本方法的 主要优点是制备方法比较环保，且碳点荧光发射可调。； 2 1 2 自下而上方法 i ) 灰作碳源的热回流法 f m c l i o n ：123456 ，g9， 已。删毒_ _ 一一 3 0 04 0 05 矗吣7 0 08 0 0 如0 w a v c l c n g t h ，哪 图1 2 碳点的自然光下成像( 上) 紫外灯照射下成像( 中) 荧光发射光谱( 下) ( 3 1 5 蛐激发， 最大发射波长如图所示) 嘲 通过燃烧蜡烛或天然气等得到的大粒径碳纳米粒子作为碳源，用硝酸热回流 的方法制备碳点已有不少报道p 2 - 3 s l 。首次使用该方法的是l i u 等【3 2 】，他们将干净 5 西南大学硕十学何论文 的玻璃片放在蜡烛火焰上方收集蜡烛灰，然后将蜡烛灰用氧化性的硝酸热回流处 理，得到均一黑色溶液，再经过离心、调至中性、透析、凝胶电泳分离程序获得 荧光碳点。凝胶电泳分离得到9 段不同粒径大小的碳点，l 到9 粒径从小到大依 次排列，最大粒径约ln m ，l 、4 、7 的荧光量子产率分别为0 8 、1 9 、0 8 。 它们的激发光谱基本一致，但发射光谱相差很大。如图1 2 所示，在相同激发波 长条件下，随粒径增大，发射波长发生红移。这样就可以使用同一种激发光同时 激发多种碳点，发射出不同波长的荧光，从而可用于多种标记物的同时检测，极 大地促进了荧光标记在生物医学中的应用。本方法的不足之处是制备及分离过程 复杂，且荧光量子产率较低。 r a y 等1 3 3 l 也用l i u 等类似方法合成出粒径2 6h i l l 的碳点，不同之处是他们 用丙酮和水的混合溶剂来分离纯化碳点，进一步提高了碳点的荧光量子产率，由 最高的1 9 提高到3 0 。为进一步研究基于灰的碳点合成方法，t i a n 等i 刈用 天然气灰作碳源，同样用硝酸回流，n a 2 c 0 3 中和反应溶液，通过离心、透析的 方法得到粒径4 8 - t - o 6 眦的荧光碳点，但其荧光荧光量子产率仅0 4 3 。可喜 的是其在碳点表面沉积各种金属，制备出功能化的金属 碳复合纳米材料。 总之，灰作碳源合成荧光碳点的方法主要优点是：不仅合成原料丰富且成本 极低，制备过程简便，而且所得碳点不需要表面钝化就能发射荧光。然而，此方 法的最大不足之处是荧光量子产率太低，即使通过复杂的分离提纯 3 2 3 3 】或钝化过 程f 3 5 1 ，其荧光量子产率仍低于3 0 。因此，基于灰作碳源的方法，仍需改进以 提高其荧光量子产率。 ”有机物热解法 以热解低熔点有机物作碳源，同时用长链有机物做包被剂，一步合成表面功 能化水溶或油溶碳点的方法也相继有很多报道。最初是b o u r l i n o s 等 4 2 ，4 6 以柠檬 酸做碳化前驱物，以1 卜氨基十一烷酸或十八胺做有机包被剂，在高温热解条 件下分别合成出水溶和油溶碳点。水溶碳点的具体合成过程是：将柠檬酸与 l l 一氨基十一烷酸在碱性条件下形成铵盐沉淀，沉淀放置过夜后，于8 0 烘箱 中干燥2h ，之后将其研磨成粉末状，再放于马弗炉中碳化反应2h ，以1 0 m i n 的速率加热到3 0 0 。产物用热水超声、离心，用盐酸调节使其沉淀，再用水 重悬得到深棕色胶体状碳点溶液，所得碳点核粒径5 1 0l i r a ，总粒径1 0 2 0 n m ，荧光量子产率约3 0 。此方法的