杂原子掺杂荧光碳点的制备及其多功能应用
碳点，由于其独特的性质，如光致发光性、生物相容性、电化学等特性，被广泛应用于环境和生物传感、生物医学、发光二极管及信息安全防伪等方面。目前所报道的碳点合成方法存在制备过程复杂，高能耗和耗时，荧光量子产率低等问题。因此，开发快速、高效且环保的合成方法具有重要的意义。杂原子掺杂技术作为调节碳点荧光性质最有效的手段，为开发高性能荧光碳点并拓展其在某些特定领域的应用提供了技术支撑。本论文通过水热法和酸碱中和反应设计制备了四种性能优异的杂原子掺杂多功能碳点，对其性能进行了分析研究，并将其应用于金属离子和小分子的分析检测、生物成像、抗氧化和抗菌以及荧光防伪等多个领域。主要内容包括： 第一章：概述了碳点的结构、光学性质、制备方法及发光机理。并综述了碳点的荧光性能调控和其在分析检测，抗菌，生物成像和荧光防伪等领域的研究进展。 第二章：以邻苯二酚为碳源，三乙烯四胺为氮源，通过一步水热法制备了一种绿色荧光N-CDs，对所制备N-CDs的结构和性能进行详细研究，表明N-CDs具有良好的发光性能，可用于Fe3+和抗坏血酸(AA)的双功能传感。Fe3+与N-CDs表面官能团之间的静态猝灭作用，使N-CDs荧光被猝灭。同时，AA的加入将Fe3+还原为Fe2+，使N-CDs的荧光恢复。N-CDs作为一种简便、无标记的纳米荧光探针，用于Fe3+和AA的测定，检出限为58.82nM和0.236μM，并且已成功地应用于自来水中Fe3+和新鲜水果中AA的分析。制备的N-CDs毒性小，生物相容性好，可用于活细胞内Fe3+和AA的传感，扩大了N-CDs的应用范围。 第三章：以邻苯二甲酸为碳源、乙二胺作氮源和浓磷酸作磷源，通过酸碱中和反应快速制备了氮磷双掺杂碳点(N,P-CDs)。该方法无需外加热源，可快速合成大量的N,P-CDs，避免了高温、复杂的操作和较长的反应时间。N,P-CDs具有优良的发光性能，能作为无标记的多功能荧光传感平台用于Mn7+的检测、温度传感和细胞成像。基于内滤效应(IFE)，Mn7+能够有效地猝灭N,P-CDs的荧光。该N,P-CDs探针被用于茶叶和中草药中Mn7+的测定。而且，N,P-CDs由于其可忽略的细胞毒性，也被应用到细胞成像及细胞内Mn7+的半定量检测。此外，在25～80℃范围内，N,P-CDs纳米探针的发射强度随温度增加呈线性可逆变化，灵敏度为?1.79%℃，拓展了碳点在多传感方面的应用。 第四章：以葡萄糖为碳源，乙二胺(EDA)和浓硝酸为双氮-掺杂剂，采用酸碱中和反应合成了多功能N-CDs。N-CDs具有良好的抗氧化能力，对DPPH的有效抑制浓度明显低于抗坏血酸。抑菌实验阐明，N-CDs对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现显著的抗菌活性。此外，N-CDs还具有良好的荧光特性，量子产率为14.2%，在较宽的pH范围内具有稳定的荧光特性，对离子强度有很高的耐受性，可作为荧光纳米探针应用于槲皮素的检测。由于N-CDs的氨基和槲皮素的3-羟基之间的静电相互作用使N-CDs荧光猝灭，构筑了N-CDs纳米探针成功地用于人血清和尿液中槲皮素的检测。 第五章：以甲基蓝为唯一原料，采用水热法合成了荧光量子产率高达60%的绿色荧光氮硫共掺杂碳点(N,S-CDs)。由于甲基蓝含有-NH-和-SOx-，故可作为氮硫共掺杂剂引入CDs中。制备的N,S-CDs具有大的Stokes位移(～130nm)和激发波长独立性荧光行为，可用于H2S传感、生物成像和防伪。通过动态猝灭作用，构筑了免标记的荧光纳米探针用于H2S的检测，线性范围为0.5-15μM，检测限为46.8nM，且应用于实际样品中H2S的测定。N,S-CDs还用于PC12细胞和斑马鱼的生物成像研究，以及细胞中的H2S的监测。此外，N,S-CDs溶液分散在聚乙烯醇中，制备出高荧光聚合物薄膜。制备的N,S-CDs/PVA薄膜显示出双模荧光特性，可用作潜在的纳米防伪材料。
碳量子点;杂原子掺杂;荧光传感器;生物成像;发光机理
山西大学
硕士
环境科学
董川
2021
中文
TP212.14
2021-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）