类石墨烯量子点的制备及其荧光性能研究

发布时间：2020-10-09 04:04

　　类石墨烯量子点是一类与石墨烯量子点具有相似结构和性质的新型量子点材料。该类量子点不仅保留了其二维结构材料的原有性能,同时还展现出一系列新的或者更为优越的物理化学性质,特别是稳定的光致发光性能和生物相容性,使其在生物传感、细胞成像、癌症治疗等生物医学领域引起了广泛关注。研究发现,材料的性能主要取决于其特殊的结构和制备方法,量子点的尺寸、形貌及结构会显著影响其荧光性能及细胞毒性。目前,对于类石墨烯量子点的研究,大多存在制备产率低、使用有毒溶剂、尺寸及形貌无法控制,产物光学性质较差,细胞毒性研究较少等问题,极大地限制了进一步的应用。因此,改进和开发制备方法,拓展类石墨烯量子点的制备技术,实现量子点结构形貌的可控制备,较好的提升其光学性能及生物相容性,使其在更多领域获得更为广泛的应用,仍然具有十分重要的意义。基于以上原因,本文提出了一种简单、绿色、高效的溶剂热方法,通过优化实验条件,分别制备出具有优良荧光性能的二硫化钼、氮化硼和氧化钨量子点材料,对其形貌、结构进行表征和讨论,研究其光学性能和细胞毒性,并进一步将其应用于细胞的荧光成像及金属离子的检测。主要结果总结如下:(1)以二硫化钼(MoS_2)粉末为原料,在NaOH存在下,通过溶剂热处理法制备了二硫化钼量子点(MoS_2 QDs)。形貌及结构表征结果表明,MoS_2 QDs分布均匀,尺寸大小在3-9 nm之间,平均尺寸为5.5 nm,具有良好的结晶度。光学测试结果显示,MoS_2 QDs具有良好的光致发光特性,最大发射波长461 nm,在紫外光照射下能够显示出明亮的蓝色荧光,量子产率为7.5%。MTT测试表明,MoS_2QDs水分散液具有良好的生物相容性和低毒性,可直接应用于HeLa细胞的荧光成像。该方法有望实现MoS_2 QDs的大规模制备,也为合成其它二维层状类石墨烯材料量子点提供了理论依据。(2)以无水乙醇为溶剂,采用溶剂热法处理氮化硼粉末(h-BN)原料,一步同时实现了氮化硼纳米片(BNNSs)和氮化硼量子点(BNQDs)的制备。通过一系列表征手段观察研究了BNNSs的结构和形貌特征,结果显示,BNNSs具有良好的水溶性和稳定性,厚度约为1 nm,表明氮化硼粉末被有效剥离成单层或者少层的纳米片结构。通过透射电子显微镜和荧光光谱讨论了BNQDs的形态结构及光学性质。结果显示,所制备的BNQDs平均尺寸约为5.1 nm,荧光量子产率高达15.7%。具有可变的荧光发射特征和良好的生物相容性,可作为一种生物成像探针应用于HeLa细胞多色荧光标记中。BNNSs优良的水溶性和BNQDs稳定的荧光性使得纳米氮化硼在生物应用领域具有极大的发展潜力。(3)通过溶剂热法设计合成了可用于Fe~(3+)检测和细胞荧光成像的氧化钨量子点(WO_3 QDs)荧光探针。所制备的WO_3 QDs表现出突出的光致发光特性和较高的荧光稳定性,量子产率达到13.6%。MTT结果显示该材料在较低浓度时细胞毒性较低,可应用于体外细胞的荧光成像中。同时WO_3 QDs在与Fe~(3+)接触时会发生荧光淬灭现象,对Fe~(3+)表现出较高的选择性和灵敏度,可以作为一种有效的荧光探针实现Fe~(3+)的快速、高效检测。该项工作为Fe~(3+)的分析测定开辟了新的道路,WO_3 QDs荧光探针未来有望应用于更多实际环境及生物医学领域中Fe~(3+)的监测。(4)以钨酸铵水合物为钨源,以聚乙烯吡咯烷酮为还原剂和有机改性剂,采用一步水热法实现了缺陷氧化钨量子点(WO_(3-x) QDs)的合成。实验结果表明,该方法所制备的WO_(3-x) QDs不仅具有光致发光特性,同时表现出良好的光致变色性能。在紫外线或者日光的照射下,可以快速的发生光致变色反应,溶液在5 min内迅速由浅黄色变为深蓝色,静置在黑暗环境中,该样品又可以在5 min内变回到初始的浅黄色溶液,变色过程完全可逆。这种高效的光致变色性能,优异的可逆性和良好的循环稳定性,使得WO_(3-x) QDs在传感和光致变色材料领域具有较大的实际应用潜力。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ127.11;TB383.1
【部分图文】：

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图 1-1 来源于二维材料的类石墨烯量子点示意图[22]ure1-1 Schematic diagram of graphene-like quantum dots materia维层状类石墨烯材料被转化成零维材料时，即该材料

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