本文關(guān)鍵詞：生物質(zhì)碳量子點的制備與應(yīng)用研究

  更多相關(guān)文章： 生物質(zhì) 碳量子點 氮摻雜 熒光傳感 能量轉(zhuǎn)移

【摘要】：碳量子點,是一種近年來受到廣泛關(guān)注的新型“零維”碳材料,通常呈直徑少于10納米的球狀結(jié)構(gòu),具有獨特的熒光性、光學(xué)穩(wěn)定性、水溶性、生物相容性等優(yōu)點。與傳統(tǒng)金屬半導(dǎo)體量子點和有機染料相比,碳量子點既保持了優(yōu)異的熒光性能,又克服了光穩(wěn)定性差、毒性高、制備工藝復(fù)雜等缺點,因此,自2006年被首次報道以來迅速成為國內(nèi)外的研究熱點。特別是以再生資源生物質(zhì)為原料制備的“綠色”碳量子點,因其原料來源廣泛、合成步驟簡單、無需使用強酸或有機溶劑,且光學(xué)性能優(yōu)異,十分適合規(guī)模化生產(chǎn)而顯示出重要的社會和經(jīng)濟價值。碳量子點已被研究者認為是替代半導(dǎo)體量子點和有機染料的理想材料,在生物成像、疾病治療、光電裝置、催化、傳感、油墨等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本論文以多種生物質(zhì)天然多糖及其單糖和寡糖為原料,通過一步水熱碳化的方法,制備出多種生物質(zhì)碳量子點。所獲得的生物質(zhì)碳量子點具有納米尺寸(10nm)、強熒光性、水溶性、高穩(wěn)定性、低毒性和生物相容性等。進一步,研究生物質(zhì)碳量子點在細胞成像、熒光傳感和納米增強材料等領(lǐng)域的應(yīng)用,深入探討雜元素摻雜對生物質(zhì)碳量子點熒光性能影響和熒光猝滅現(xiàn)象的內(nèi)在機理,為新型熒光碳量子點的開發(fā)和生物質(zhì)資源的高值化利用提供理論依據(jù)。具體的研究內(nèi)容主要包括:1.以不同分子結(jié)構(gòu)、組成和分子大小的天然生物質(zhì)(主要包括聚吡喃糖衍生物、聚呋喃糖和聚氨基葡萄糖等)為原料,通過一步水熱合成法,制備多種生物質(zhì)碳量子點,探討生物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)對碳量子點熒光性能的影響。發(fā)現(xiàn),從不含氮的生物質(zhì)原料中制備的碳量子點量子產(chǎn)率普遍低于5%,而從含氮的生物質(zhì)原料(葡氨糖、殼寡糖、殼聚糖)制備的碳量子點量子產(chǎn)率普遍超過10%,最高可達16%,說明少量氮元素的存在能明顯增強生物質(zhì)碳量子點熒光性能。進一步利用強酸氧化法對生物質(zhì)碳量子點制備所產(chǎn)生的殘渣副產(chǎn)物進行處理,通過改變處理條件,獲得了發(fā)光顏色從藍光到黃光范圍內(nèi)的多色發(fā)光碳量子點,并對其熒光性能進行了初步研究。2.為提高不含氮生物質(zhì)碳量子點的熒光性能,選取堿溶性木聚糖為原料,以氨水同時為溶劑和外源性氮摻雜劑,通過一步水熱合成法研究氮摻雜對生物質(zhì)碳量子點形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和熒光性能的影響,發(fā)現(xiàn)氮摻雜后的碳量子點粒徑從19 nm減少到7 nm左右,形成大量酰胺基團,而且量子效率從2%顯著提高到13%。系統(tǒng)探究了氨水濃度、pH值、溶劑和不同摻雜劑等條件下木聚糖碳量子點的熒光性能變化,分析發(fā)光機理。通過細胞毒性實驗,檢驗氮摻雜前后木聚糖碳量子點的生物毒性,并將氮摻雜后的木聚糖碳量子點成功應(yīng)用于體外細胞成像,表現(xiàn)出較好的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力。3.選取天然氨基多糖殼聚糖為原料,合成量子效率高達15.26%的高熒光性殼聚糖碳量子點,詳細研究殼聚糖碳量子點的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成和熒光性能。以水相中的殼聚糖碳量子點為熒光探針,在水溶液中實現(xiàn)了對Fe3+、Mn7+和Cr6+(分別為CrO42-和Cr2O72-)等高價態(tài)金屬離子的強熒光響應(yīng),對應(yīng)的猝滅常數(shù)分別為5530、20275、5080和7270 M-1,并構(gòu)建高效熒光傳感體系。再利用Fe3+的還原性及其對殼聚糖碳量子點熒光的選擇性猝滅,構(gòu)建“off-on”熒光傳感體系,定量分析抗壞血酸、Ti3+、谷胱甘肽等還原性物質(zhì),有望應(yīng)用于水污染物和抗氧化劑的定量分析。4.選取不同取代基的硝基苯類爆炸物為熒光猝滅劑,深入研究生物質(zhì)碳量子點的熒光猝滅機理。發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)碳量子點對硝基苯酚類爆炸物有強熒光響應(yīng)性,且不隨硝基個數(shù)增加而明顯變化,對硝基甲苯類爆炸物熒光響應(yīng)性較弱且隨硝基個數(shù)增加而減弱。通過電子能級、光譜重疊、熒光壽命和供體-受體距離等分析,推斷該類熒光猝滅現(xiàn)象應(yīng)遵循能量轉(zhuǎn)移機理而非大多數(shù)文獻中認為的電子轉(zhuǎn)移機理。另外,利用具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機發(fā)色分子對生物質(zhì)碳量子點的熒光猝滅研究和光譜電化學(xué)研究,進一步證實能量轉(zhuǎn)移機理在熒光猝滅過程中起主導(dǎo)作用。本項工作對碳量子點的發(fā)光機理研究提供重要的證據(jù)。5.利用生物質(zhì)碳量子點表面具有豐富官能團的特點,構(gòu)建生物質(zhì)碳量子點-海藻酸水凝膠體系和生物質(zhì)碳量子點-納米纖維素水凝膠體系。通過選取不同單糖結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)(葡萄糖、D-木糖、葡氨糖)為原料制備生物質(zhì)碳量子點,研究不同結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)碳量子點對兩個水凝膠體系機械性能的增強作用。發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)碳量子點在保持原有的熒光性能前提下,能夠有效增強水凝膠的機械性能。將這些熒光水凝膠應(yīng)用于Fe3+和納米金的傳感。結(jié)果表明水凝膠能夠作為生物質(zhì)碳量子點的優(yōu)良載體,對生物質(zhì)碳量子點在藥物傳遞和疾病診斷上的潛在應(yīng)用具有重大的意義。
【關(guān)鍵詞】：生物質(zhì) 碳量子點 氮摻雜 熒光傳感 能量轉(zhuǎn)移
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O657.3;TQ127.11
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-15
• 第一章 緒論15-39
• 1.1 碳量子點15
• 1.2 碳量子點的性能15-22
• 1.2.1 化學(xué)結(jié)構(gòu)16
• 1.2.2 光學(xué)性能16-20
• 1.2.3 電子轉(zhuǎn)移性能20-21
• 1.2.4 生物學(xué)性能21-22
• 1.3 光致發(fā)光機理22-23
• 1.3.1 共軛 π 域引起的能級躍遷22
• 1.3.2 表面缺陷引起的輻射重合22-23
• 1.4 碳量子點的合成23-29
• 1.4.1“自上而下”法23-24
• 1.4.2“自下而上”法24-25
• 1.4.3 綠色合成25
• 1.4.4 尺寸控制25-26
• 1.4.5 表面鈍化和官能化26-27
• 1.4.6 雜原子摻雜27-28
• 1.4.7 納米復(fù)合物28-29
• 1.5 碳量子點的應(yīng)用29-36
• 1.5.1 生物成像29-30
• 1.5.2 疾病治療30-32
• 1.5.3 光電裝置32-33
• 1.5.4 催化33-34
• 1.5.5 傳感34-35
• 1.5.6 油墨35-36
• 1.6 選題目的、意義和研究內(nèi)容36-39
• 1.6.1 選題目的與意義36-37
• 1.6.2 研究內(nèi)容37-39
• 第二章 生物質(zhì)碳量子點的綠色合成與熒光性能及多色發(fā)光碳量子點的合成39-49
• 2.1 前言39
• 2.2 實驗部分39-41
• 2.2.1 實驗材料及試劑39-40
• 2.2.2 生物質(zhì)碳量子點的綠色合成40
• 2.2.3 生物質(zhì)碳量子點的熒光性能表征40
• 2.2.4 綠色合成副產(chǎn)物的表征40-41
• 2.2.5 強酸氧化副產(chǎn)物制備多色發(fā)光碳量子點41
• 2.2.6 副產(chǎn)物碳量子點的熒光性能表征41
• 2.3 結(jié)果與討論41-48
• 2.3.1 生物質(zhì)碳量子點的熒光性能41-45
• 2.3.2 殼聚糖碳量子點副產(chǎn)物的形態(tài)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成45-47
• 2.3.3 副產(chǎn)物碳量子點的熒光性能47-48
• 2.4 小結(jié)48-49
• 第三章 氮摻雜對木聚糖碳量子點熒光性能的影響及其在生物成像中的應(yīng)用49-64
• 3.1 前言49-50
• 3.2 實驗部分50-52
• 3.2.1 實驗材料及試劑50
• 3.2.2 氮摻雜木聚糖碳量子點的水熱合成50
• 3.2.3 形態(tài)結(jié)構(gòu)表征50
• 3.2.4 化學(xué)組成表征50-51
• 3.2.5 熒光性能表征51
• 3.2.6 電化學(xué)性能表征51-52
• 3.2.7 細胞毒性實驗和體外細胞成像52
• 3.3 結(jié)果與討論52-63
• 3.3.1 氮摻雜木聚糖碳量子點的合成52-53
• 3.3.2 氮摻雜木聚糖碳量子點的形態(tài)結(jié)構(gòu)53-54
• 3.3.3 氮摻雜木聚糖碳量子點的化學(xué)組成54-56
• 3.3.4 氮摻雜木聚糖碳量子點的熒光性能56-58
• 3.3.5 影響氮摻雜木聚糖碳量子點熒光性能的因素58-61
• 3.3.6 氮摻雜木聚糖碳量子點的電化學(xué)性能61-62
• 3.3.7 氮摻雜木聚糖碳量子點的細胞毒性檢測和體外細胞成像62-63
• 3.4 小結(jié)63-64
• 第四章 殼聚糖碳量子點對金屬離子的傳感及“off-on”傳感體系的構(gòu)建64-75
• 4.1 前言64
• 4.2 實驗部分64-66
• 4.2.1 實驗材料及試劑64-65
• 4.2.2 殼聚糖碳量子點的綠色合成65
• 4.2.3 形態(tài)結(jié)構(gòu)表征65
• 4.2.4 化學(xué)組成表征65
• 4.2.5 熒光性能表征65
• 4.2.6 金屬離子傳感65-66
• 4.2.7“off-on”傳感體系的構(gòu)建66
• 4.3 結(jié)果與討論66-74
• 4.3.1 殼聚糖碳量子點的形態(tài)結(jié)構(gòu)66-67
• 4.3.2 殼聚糖碳量子點的化學(xué)組成67-68
• 4.3.3 殼聚糖碳量子點的熒光性能68-69
• 4.3.4 殼聚糖碳量子點對Fe3+的特異性熒光響應(yīng)69-70
• 4.3.5 殼聚糖碳量子點對其它高價態(tài)金屬離子的熒光響應(yīng)70-71
• 4.3.6“off-on”熒光傳感體系的構(gòu)建及其對抗氧化劑的傳感71-74
• 4.4 小結(jié)74-75
• 第五章 殼聚糖碳量子點對爆炸物的傳感及其基于能量轉(zhuǎn)移的熒光猝滅機理研究75-91
• 5.1 前言75
• 5.2 實驗部分75-77
• 5.2.1 實驗材料及試劑75-76
• 5.2.2 殼聚糖碳量子點的綠色合成76
• 5.2.3 硝基芳環(huán)類物的傳感76
• 5.2.4 供體發(fā)射光譜和受體吸收光譜重疊積分的計算76
• 5.2.5 殼聚糖碳量子點和硝基芳環(huán)類物的電子能級計算76
• 5.2.6 殼聚糖碳量子點和硝基芳環(huán)類物的供體-受體計算76-77
• 5.2.7 有機發(fā)色分子的傳感及光譜重疊積分的計算77
• 5.2.8 光譜電化學(xué)分析77
• 5.3 結(jié)果與討論77-90
• 5.3.1 殼聚糖碳量子點對硝基芳環(huán)類物的熒光響應(yīng)77-80
• 5.3.2 殼聚糖碳量子點在加入硝基芳環(huán)類物前后吸收光譜的變化80-81
• 5.3.3 殼聚糖碳量子點與硝基芳環(huán)類物的電子能級81-83
• 5.3.4 殼聚糖碳量子點與硝基芳環(huán)類物的光譜重疊83-84
• 5.3.5 硝基芳環(huán)類物引發(fā)殼聚糖碳量子點熒光壽命變化和供體-受體距離84-86
• 5.3.6 殼聚糖碳量子點對有機發(fā)色分子的熒光響應(yīng)及其光譜重疊86-88
• 5.3.7 殼聚糖碳量子點的光譜電化學(xué)分析88-90
• 5.4 小結(jié)90-91
• 第六章 生物質(zhì)碳量子點-水凝膠體系的構(gòu)建及其性能91-106
• 6.1 前言91
• 6.2 實驗部分91-93
• 6.2.1 實驗材料及試劑91-92
• 6.2.2 生物質(zhì)碳量子點的綠色合成92
• 6.2.3 生物質(zhì)碳量子點的表征92
• 6.2.4 生物質(zhì)碳量子點-海藻酸水凝膠體系的制備92
• 6.2.5 生物質(zhì)碳量子點-納米纖維素水凝膠體系的制備92
• 6.2.6 生物質(zhì)碳量子點-海藻酸/納米纖維素水凝膠體系的表征92-93
• 6.2.7 氨基葡萄糖碳量子點-海藻酸水凝膠對Fe3+的傳感和氨基葡萄糖碳量子點-納米纖維素水凝膠體系對納米金的傳感93
• 6.3 結(jié)果與討論93-104
• 6.3.1 三種單糖碳量子點的形態(tài)結(jié)構(gòu)93-94
• 6.3.2 三種單糖碳量子點的化學(xué)組成94-97
• 6.3.3 三種單糖碳量子點的熒光性能97-98
• 6.3.4 三種單糖碳量子點-水凝膠體系的構(gòu)建及其形態(tài)結(jié)構(gòu)98-100
• 6.3.5 三種單糖碳量子點對水凝膠機械性能和溶脹性能的影響100-101
• 6.3.6 三種單糖碳量子點在水凝膠中的熒光性能及其傳感應(yīng)用101-104
• 6.4 小結(jié)104-106
• 結(jié)論與展望106-109
• 參考文獻109-126
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果126-128
• 致謝128-129
• 附件129

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本文編號：820838