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碳点的制备及其在生物传感器上的应用 学校代码学号分类号密级硕士学位论文题目碳点的制备及其在生物传感器上的应用作者指导教师张可喜教授专业材料科学与工程时间二一九年五月，海南大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名成曰期列？年月曰学位论文版权使用授权说明本人完全了解海南大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅学校可以为存在馆际合作关系兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。 本人授权海南大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密论文在解密后遵守此规定。 论文作者签名导师签名曰期年月曰曰期年乡月曰本人己经认真阅读“高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的学位论文提交“高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中规定享受相关权益。 同意论文提交后滞后年一年；二年发布。 论文作者签名导师签名辦茗曰期列年月叫曰曰期年乡月曰摘要碳点是荧光碳基纳米材料领域的新星，也称为劳光碳点、碳纳米点，指的是尺寸一般小于，几何形状为类球形，具有荧光性质的碳纳米颗粒。 由于其优异的性质，如可控的光致发光、独特的电子特性、光稳定性、低毒性和良好的生物相容性，并被广泛的应用于生物化学传感、生物医学成像和催化等领域，碳点的应用潜力备受研究者们的关注。 本论文重点关注荧光碳点的制备及其在生物传感器上的应用。 通过一种操作简单、成本较低的水热方法实现了高效率的荧光碳点的制备，对其结构、组成、光学性质进行了表征。 并以该荧光碳点作为探针，研宄其在汞离子和光电化学传感器测定中的应用。 论文主要有三部分内容（）首先介绍了碳点的定义及其分类，总结了碳点的各种合成方法，对碳点独特的性质进行了综述，以及对碳点在各领域中的应用做了简单的介绍。 （）以柠檬酸和乙醇胺为原材料，通过水热的方法在下，一步合成得到荧光碳点。 探究了水热反应时间对碳点荧光量子产率的影响。 得出在反应小时的条件下，制备的碳点荧光量子产率最高，可达。 该碳点具有良好的分散性。 碳点的最佳激发波长和发射波长分别为和，碳点的焚光发射表现出激发波长独立性。 并且发现该碳点表现出上转换荧光性质。 傅里叶变换红外光谱的结果表明，碳点的表面含有大量羟基、羧基和氨基。 在汞离子测定中，碳点表面的羟基和羧基可与相互作用，通过光致诱导电子转移作用使得碳点的荧光发生猝灭。 基于此机理建立的碳点荧光强度定量测定浓度的方法线性范围为？，线性相关系数为，并且具有较好的选择性和灵敏度。 （）由于碳点本身具有优异的电子特性和上转换荧光发射性质，我们将上一章合成的碳点与二氧化钛复合，可大大提高二氧化钛在可见光下的光电响应。 利用二次阳极氧化的方法制备二氧化钛纳米管阵列，然后在二氧化钛纳米管表面原位合成碳点，最终得到碳点二氧化钛复合材料。 并在负载葡萄糖氧化酶后，通过光电化学的方法对葡萄糖进行检测，检测范围为，检测限（）为。 关键词碳点；汞离子；上转换荧光；光电化学传感器；葡萄糖，（），（），（），？，（），（）；海南大学硕士学位论文目录雜弓丨碳点的制备自上而下法下而上法碳点的性质结构光学性质电致发光（）电子特性生物毒性碳点的应用生物化学传感器生物成像药物传递光催化电催化本课题的选题意义及研宄内容碳点的制备并用作检测汞离子的“”荧光探针引言实验部分实验试齐实验仪器及设备实验步骤碳点的制备及其在牛物传感器？的应丨结果与讨论碳点的表征碳点的光学性能的检测实验条件优化碳点对的荧光响应碳点对检测的选择性研究猝灭碳点的机理研宄基于纳米管阵列上原位生长的碳点复合材料构建可见光下的酶生物传感弓丨胃实验部分实验药品实验仪器及设备实验步骤光电化学测试结果与讨论和的表征生物传感器组装过程中的响应生物传感器的检测机制生物传感器的传感性能结论与展望附录（在读期间发表的论文）觀海南大学硕士学位论文绪论引言碳纳米材料如纳米金刚石、碳纳米管、石墨烯纳米片和碳纳米点，由于其独特的性质具有巨大的应用潜力，引起了人们对它们的广泛研宄。 年等人（，）在电泳法分离纯化单壁碳纳米管的过程中意外发现了荧光碳纳米材料。 在年，等人（，）利用激光消融的方法制备了碳纳米点，然后用聚合物对其表面钝化处理使得荧光发射大大增强，并将这种碳纳米点正式命名为碳点（，）般来说，碳点指的是尺寸小于的具有焚光性质的碳纳米颗粒（，）。 根据结构的不同，又可以将碳点划分为碳纳米点（），石墨烯量子点（），聚合物点（），见图。 般是类球形，通常可以分成有显著晶格的碳量子点和没有晶格的碳纳米点。 的荧光性质受到有晶格的碳核尺寸影响，随着碳核尺寸的增大，最佳荧光发射峰红移，同时表面官能团的改变也会影响它的发光。 无晶格的碳纳米点的发光只受表面官能团的影响，不具有量子尺寸依赖性。 是由小尺寸的一层或少层（）石墨烯纳米片组成的二维圆盘状纳米粒子，碳核具有典型的石墨烯晶格结构。 ，即可以是非共轭聚合物适度交联或碳化形成，也可以是碳核与聚合物组装形成的荧光聚合物点。 （）參參寒（）？（）暑參（）馨。 ？图丨荧光碳点的三种类型石墨烯量子点（），碳纳米点（）和聚合物点（）（，”）（），（），（）碳点的制备及其在生物传感器上的应用由于碳点的制备成本低、合成方法简单，具有良好的光稳定性、生物相容性，还有特殊的光学和电子性质，因此碳点被广泛应用在生物传感器、生物医学成像、纳米医疗、光催化和电催化等诸多领域。 碳点的制备自从碳点被发现以来，科研工作者通过不懈的努力用不同的原材料以不同的合成方法大量开发出一系列简单、经济、环保的碳点合成方法。 碳点可以通过两种策略来合成“自上而下法”和“自下而上法”。 戀图碳点的合成方法（，自上而下法自上而下法就是用物理或化学的手段将较大的碳材料变成需要的纳米碳颗粒的方法。 然而这些方法大多数涉及非选择性的化学切割过程，难以精准的控制产物的尺寸大小和形态分布。 不过由于所得碳点尺寸和表面状态的多样化，它为探索碳点的荧光可控性提供了实验依据。 （）水热或溶剂热法水（溶剂）热合成通常使用热还原的（）片作为前体，然后用氧化剂（例如，）处理，在碳晶格上引入环氧基团作为裂解位点。 等人（，）将浓硫酸和浓硝酸对进行氧化处理，再用将调至，高压釜中水热反应个小时，分离获得发射蓝色焚光发射的。 等人（，）海南大学硕士学位论文将分散在二甲基甲酰胺溶液中，置于高压釜内在下加热小时，得到强绿色荧光的，其荧光量子产率能到。 ，由于自身的高稳定性、低毒性和较好的生物相容性，在与细胞孵育过程中被证明是优秀的生物焚光成像剂。 图石墨烯裂解成石墨烯量子点（）酸氧化通过强酸处理碳材料（如碳纤维、碳纳米管、氧化石墨烯、煤、烟灰、炭黑等）剥离出碳点。 等人（，）用硫酸和硝酸的混合酸油浴处理不同种类的煤，得到不同尺寸的。 等人（，）用硫酸硝酸的混合液回流处理碳纳米管小时，可获得尺寸为的均匀，这些碳点在紫外光下发射出强的黄色荧光，发射峰随着激发波长的变化而变化，并将其注射入小鼠体内进行荧光成像具有较好的效果，同时说明得到的碳点具有无毒性。 图用烟煤来制备（）电化学碳点可以通过电化学裂解碳材料（如石墨棒、碳纳米管和石墨烯等）制备得到。 等人（，）将石墨棒分别做阳极和阴极，置于乙醇和水的混合溶液中，并碳点的制备及其在生物传感器上的应用加适量的，电化学过程中每小时产生的碳点，并证实随着碳点尺寸的增力口，它的最佳荧光发射峰红移。 等人（，）将石墨棒作为工作电极，作为对电极插入离子液体（甲基丁基咪唑鐵四氟硼酸盐或甲基丁基咪唑鑰氯化物与水的混合液）中，施加电压剥离石墨棒得到碳量子点，通过控制离子液体中水的含量，实现对碳点荧光发射从可见光区域到紫外光区域的可控调节。 獨一，驗图在离子液体中通过电化学剥离石墨一步合成碳点（）物理方法年等人首次报道碳点的实验，是在水蒸气氛围中，氩气作为载气，通过激光烧蚀石墨，再经过酸氧化处理和表面钝化制备得到。 年，等人（，）将粉体石墨分散在钝化剂中，在超声的情况下通过激光消融器直接对石墨进行刻蚀，离心提纯后得到的尺寸约为，荧光量子产率达，刻蚀与钝化同时进行，与前面的实验相比，简化了实验步骤。 ！图通过激光烧蚀制备荧光碳纳米材料海南大学硕士学位论文自下而上法自下而上法，即利用含碳的有机小分子（如柠檬酸、糖类和生物分子等）通过热解聚合或碳化等过程制备得到纳米碳材料。 （）水（溶剂）热法水（溶剂）热法，即将碳前驱体小分子溶解在水（或溶剂）里，置于高压反应釜内，在一定温度和压强下有机小分子发生聚合和碳化反应，从而得到荧光碳点。 水（溶剂）热法是合成碳点的方法中最直接有效的，碳点的荧光发射性能可以通过改变反应物的种类、用量及溶剂的种类直接进行调控，而且反应进行的彻底，对环境的危害小，能耗低，目前水（溶剂）热法己经被广泛应用于合成不同发光性能的碳点。 课题组（，）在年以柠檬酸作为碳源，尿素作为氮源，一步溶剂热法在下反应小时合成，用水作溶剂，得到的是蓝色荧光发射的碳点，用甘油作溶剂，得到的是绿色荧光发射的碳点，用二甲基甲酰胺作溶剂，得到的是红色荧光发射的，然后把这三种溶剂按不同比例进行反应，可以获得不一样颜色荧光发射的。 将获得的碳点掺入到二氧化硅网格中，可以有效防止碳点的聚集，可制备获得全色的无机碳点荧光粉，荧光量子效率高达，而且把获得的荧光粉用于制备发光二极管（）展现出优秀的显色效果。 （，）在年同样以柠檬酸作碳源、尿素作氮源溶于甲酰胺中，置于高压反应釜中在下反应小时，得到深红色的混合碳点溶液，用不同浓度的作洗脱液对混合液进行柱层析分离，水洗脱得到蓝色荧光碳点，的洗脱得到绿色荧光碳点，的丨洗脱得到黄色荧光碳点，的洗脱得到红色荧光碳点，通过实验数据表征和密度泛函理论（）证实，石墨氮的掺杂使得碳点的带隙变窄，荧光发射红移。 議？丨，图水（溶剂）热合成不同发光的碳点（）（）微波法微波合成是近年来合成材料的热点，微波反应的优势在于加热速度快、热能利用率高、成本低，而且加热均匀所得产品质量高。 碳点的制备及其在生物传感器上的应用等人（，）在年用柠檬酸和尿素作原材料，常压微波作为反应器，功率反应分钟即可得到绿色荧光碳点，最佳激发波长为，相应的荧光发射峰在，它的荧光发射随着激发波长的变化而变化，最大荧光产率可达，而且毒性研究表明这种碳点显示无毒性或低毒性，其在工业上的应用具有巨大潜力等人（？，丨）直接将椰子水与乙醇丨混合，在功率以的微波辐射下分钟即可得到棕色碳悬浮液，分离提纯后的碳点溶液于和波长激发后显示蓝色和绿色的荧光发射。 随后在硫胺素的检测中，碳点显示出良好的稳定性和抗干扰性，并且成功应用在真菌细胞的生物成像实验中。 锤身锤綠？图丨微波处理椰子水合成碳点（）尚温热解法通过加热有机小分子，使其脱水、聚合、碳化成核随后形成更大的。 等人（，）将柠檬酸直接加热到，反应半小时后柠檬酸液化并碳化成橙色，表明已经形成，所得的最佳激发波长为，在的激发范围内，它的发射峰为不发生移动。 等人（，）把？与甘油混合，加热至保持分钟，在合成的同时被纯化处理，研究者在反应中加入介孔二氧化硅纳米粒子，保证了甘油脱水碳化生长成的均匀性，聚乙二醇衍生物的钝化处理增强了的发光、稳定性和生物相容性。 之后将纳米复合材料加载抗癌药物多柔比星（），成功实现了在细胞中的细胞成像和药物释放的研究应用。 海南大学硕士学位论文）？”一，參图髙温热解碳化柠檬酸合成石墨烯量子点或石墨烯（）超声法超声波发生器能产生高频震荡信号，使液体流动产生数以万计的气泡，气泡会随周边介质的振动而持续运动、变大或破碎，破碎时周围液体迅速冲入气泡而产生高温、高压，整个过程中释放出的能量会使有机小分子发生聚合、碳化最终生长成稳定的碳点。 等人，以，丨）根据这一原理，在葡萄糖溶液中加入强碱或强酸，超声小时一步合成碳点，获得的碳点的荧光性能均具有激发依赖性，而且在可见光区域至近红外光区域有较强的荧光发射，另外还具有上转换荧光性质，因此该碳点可应用于新型荧光标记、生物传感器、生物医学成像和药物运输等生物科学领域。 对比发现，自上而下法得到的碳点会保留较好的石墨结构，而且制备碳点的产率也较高，但是制备得到的碳点的荧光量子效率很低，而且反应条件会比较严苛，需要进行后处理，大大增加了实验的成本。 自下而上法简单易操作，实验成本低，所得的易修饰处理，可大大提高其荧光量子效率，但是所得碳点的石墨化程度不高，而且均匀程度不高，需要进一步纯化处理。 碳点的制备及其在生物传感器上的应用碳点的性质结构鏡图碳点的结构（，）的结构主要是由碳元素以和两种杂化形式形成的碳核和羟基（）、羧基（）等表面官能团组成。 由于前驱体的选择和合成的方法的不同，碳点的合成过程中会引入各种缺陷、杂原子和不同的官能团，这将会显著改变碳点的结构和物理化学性质。 光学性质（）光学吸收由于碳点的芳香结构中的共轭电子，使其在短波长区域可以有效的捕获光子。 在紫外光区域（）显示较强的光学吸收，吸收光谱的尾部可延伸至可见光区域。 一般来说，左右的宽峰是源于芳香结构中的跃迁，而左右的肩峰或在可见光区域的吸收一般源于表面或其他官能团引起的跃迁。 官能团和表面钝化处理引起结构和组成的差异会改变碳点的吸收特性。 海南大学硕士学位论文八！（）图丨不同反应溶剂对碳点吸收光谱和荧光光谱的影响（，）（）光致发光（）从的发光机制和实际研宄中发现，最迷人的特征之一是可由量子限域效应和共轭结构的边缘或表面效应来调控荧光发射。 经过大量的实验，不同颜色的已经通过不同的方法被合成出来，从深紫外光到红光甚至是近红外光发射，最常见的是蓝光和绿光发射。 通常，的荧光光谱在整个波长范围内几乎都是对称的。 荧光光谱一般都较宽，主要是因为合成的尺寸分布较宽，表面状态不均一导致存在多种电子跃迁方式。 尽管目前关于的荧光机制的研究己经有很多，但还不完全清楚，主要是因为各种合成方法制备得到的均一性不好，不同方法得到的不一致，而且我们尚不清楚的具体结构。 目前较为普遍的说法，根据的结构，有以下几种（）等人（，）设计一种模型系统，通过堆积多环芳烃再现了的光学特性，荧光的激发依赖性是多环芳烃各个子集在不同波长处被激发，能量从能隙较大的多环芳烃向能隙较小的转移，因此荧光发射的尾部可以延伸到长波长处，所以他们认为的荧光发射主要源于碳核的多环芳香结构。 （）等人（此丨，以丨，）用稳态和时间分辨荧光光谱技术来研宄柠檬酸衍生的多荧光发射，证实了羧基胺基官能化的显示出三种发光状态短波长的荧光（）对应于处的碳核吸收，而大于处的荧光对应于和的两个表面态引起的。 这是由于官能团的的吸电子和取代特性，会发生电子转移以调节荧光强度和寿命，碳核或表面域产生的荧光受表面官能团性质的显著影响。 因此他们认为的荧光发射主要归因于碳核区域边缘或表面缺陷态。 （）等人（，丨）将柠檬酸和乙醇胺作前体在不同温度下热解合成，研宂发现在下，碳核才开始形成，较低温度下是分子荧光团在发光，碳点的制备及其在生物传感器上的应用温度持续升高（），发光才主要源于碳核的作用。 等人（，）的实验也证实，反应过程中生成的分子荧光团附着在上，并对的荧光强度和荧光寿命产生显著影响。 他们认为荧光发射主要是源于分子荧光团，但这些分子焚光团是附在上，还是独立存在于溶液中，这也是一直以来存在的争议。 焚光量子产率（，），又称焚光量子点效率，是指发射的光子数与吸收的光子数之比。 的荧光量子产率受合成方法和其表面化学状态的影响。 对于未钝化处理的，其荧光量子产率一般相对较低，是由于表面的羧基（）和环氧基团是吸电子基团可以作为表面的非辐射电子空穴复合中心从而降低碳点的电子云密度。 因此，将含有氨基的分子（如氨、烷基胺和苯胺等）或聚合物分子（如聚乙烯亚胺和胺封端的低聚聚乙二醇）通过表面修饰或钝化处理将碳点的羧基（）和环氧基团这类吸电子基团转变为和这类强给电子基团，减少羧基和环氧基团引起的非辖射复合，同时大大提高了碳点的电子云密度，有利于激发态电子与空穴的辐射复合，从而显著提高其荧光量子产率。 杂原子掺杂的碳点可以有效的调节它们的带隙和电子密度，増强了实际应用中碳点的化学活性和焚光量子产率。 ，与传统的荧光染料和半导体量子点相比，碳点具有很多优异的性能，对比见下表。 表有机荧光染料、半导体子点和联点的性质比较，性质有机荧光染料半导体量子点碳点吸收光谱离散峰，吸收集中在可紫外光区到可见光吸收在紫外区，修饰后在见光区区可见区发射光谱不对称，宽，半峰宽对称，窄，发射波对称，宽而连续，发射波长可调长可调斯克托斯位移窄窄宽量子产率高高低荧光寿命几纳秒（）几微秒（）纳秒（）毒性毒性大，生物相容性差毒性大，生物相容毒性低，生物相容性好性差稳定性遇光不稳定稳定性好，不易光稳定性高，不易光漂白漂白海南大学硕士学位论文（）上转换光致发光除了下转换荧光发射，也有许多文献报道表明部分具有上转换荧光性质。 上转换荧光发射，即吸收两个或多个低能量光子而辐射出一个高能量光子的现象，其荧光发射波长要比激发波长短（沾（奶（出丨，丨，丨）。 这种上转换荧光应用于生物成像是非常有利的，长波长的光（如）具