荧光碳纳米点的制备及其在离子检测和细胞成像中的应用

发布时间：2020-11-16 10:16

　　 碳纳米点是一个新兴的碳纳米材料家族的成员,是一种球形或准球形的而且尺寸小于10 nm的碳纳米材料。由于其独特的性质,碳纳米点具有许多潜在的应用价值,从而吸引了许多在纳米科学和纳米技术研究领域的科研人员。虽然碳纳米点在化学传感及生物成像等方面已有报道,但存在对离子检测的灵敏度较低、选择性较差,且荧光量子产率较低,发光波长短等问题,进一步应用受到限制。以期得到荧光量子产率高、长波长发光的碳纳米点并应用于超灵敏检测金属离子,本论文合成了四种不同的碳纳米点,经研究发现不仅提高了其荧光量子产率或发射波长,同时在离子检测方面也得到了改善,进一步应用到细胞成像。具体如下:(1)以天然物质合成的碳纳米点其荧光量子产率一般都很低(10%),本文以红心萝卜为原始反应物,采用水热法制备了大小均匀的荧光碳纳米点,其荧光量子产率高达13.6%,分析了反应温度和时间对合成碳纳米点荧光性质的影响。通过紫外-可见光吸收谱、荧光光谱、透射电镜、X-射线光电子能谱、傅里叶红外光谱对合成的高荧光量子产率的碳纳米点进行表征,结果表明合成的碳纳米点具有石墨性质,表面含有丰富的氨基,羟基和羰基等基团,拥有良好的荧光性质且可以被Fe~(3+)特异的猝灭荧光。进一步这种现象被用来开发一种简单的荧光检测Fe~(3+)的方法,其线性检测范围从0.02到40μmol·L~(-1),检出限计算为0.13μmol·L~(-1),随后扩展应用到实际水样中Fe~(3+)的检测,达到满意效果。最终,采用宫颈癌细胞SiHa为模板,将低毒性、强荧光的碳纳米点应用于细胞多色成像,同时通过荧光猝灭在细胞中实时监测Fe~(3+)的存在,展示了其多样化应用的潜力。(2)选择天然物质金银忍冬果实为原料,采用一步水热法合成了能够发绿光的碳纳米点(G-CDs),分析了反应温度和时间对合成G-CDs荧光性质的影响,推断在合适的反应温度和时间下,合成得到的G-CDs具有最优化的N掺杂及表面缺陷等特点,从而得到高质量的发绿光的碳纳米点。经表征其表面主要包括NH_2和OH以及C=O基团,水溶性好,荧光稳定。合成的G-CDs能够专一、灵敏的识别Fe~(3+),检测范围是0.1-10μmol·L~(-1),检出限为0.08μmol·L~(-1),经荧光寿命测定表明识别Fe~(3+)过程中有快速的电子转移,即G-CDs表面基团处于激发态的电子可以发生转移至Fe~(3+)的空的d轨道,导致一系列的非辐射的电子/空穴重组,从而使得合成的G-CDs荧光发生明显下降。此外,合成的G-CDs应用于实际样品中Fe~(3+)的检测,效果满意;应用于荧光绘画,现象明显;最后由于其低毒性,不仅应用到了细胞多色成像,而且在活细胞中可以通过荧光变化检测Fe~(3+)。(3)进一步采用化合物为原料,旨在快速合成高QY的碳纳米点。以柠檬酸三胺和三亚乙基四胺为原料,经过优化反应条件,一步微波法快速制备氮掺杂发光碳纳米点(N-CDs),此法简单、低廉及省时。该碳纳米点具有高荧光量子产率(29.83%),且水溶性良好。对制备好的N-CDs的结构和光学性能进行了表征,结果显示其具有强发光性质、良好的生物相容性和光学稳定性。与其他纳米材料相比,所制备的N-CDs具有优异的光学性能和对Cu~(2+)高敏感检测性能,对Cu~(2+)的检测范围为0.01-11μmol·L~(-1)且检出限低至4.5 nmol·L~(-1),进一步分析Cu~(2+)对N-CDs荧光的猝灭归因于Cu~(2+)与N-CDs表面胺基之间形成的胺铜复合物,通过内滤效应导致荧光猝灭,且应用到了自来水样中的Cu~(2+)检测。此外,合成的N-CDs被应用于绘制荧光图案,现象明显。最后,采用肝癌细胞SMMC-7721为模板,将合成的低毒、高荧光的N-CDs应用于活细胞荧光成像和细胞中Cu~(2+)的检测,表明合成的N-CDs具有广泛应用的潜力。(4)以柠檬酸三胺和盐酸甜菜碱为原料,一步水热法合成了高荧光量子产率(46.01%)的氮掺杂碳纳米点(NCDs),经测试最佳的反应条件是200℃下反应5 h。合成的碳纳米点具有良好的光学稳定性,发射波长独立性质(荧光发射峰在445 nm),可进一步作为一种新型的探针灵敏的检测H~+(线性范围pH=1.98-5.02),推测在此过程存在质子化或去质子化作用;同时可用于Hg~(2+)的专一灵敏检测(检出限低至1.69 nmol·L~(-1)),通过对比加入Hg~(2+)前后荧光寿命,说明此过程是静态猝灭,初步推断是合成的NCDs表面含有大量的羟基或羧基基团可以和Hg~(2+)通过螯合作用结合形成了复合物。最后使用合成的高荧光、低毒的NCDs,采用激光共聚焦扫描电镜技术分别研究了在人肝癌细胞SMMC-7721中H~+和Hg~(2+)的检测。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O657.3;O613.71;TB383.1
【部分图文】：

图 1-1 碳纳米点的化学结构[3]Fig.1-1 Chemical structure of carbon nanodots[3]有不确定性。现将碳纳米点主要的三种结构总结构采用激光烧蚀方法，以聚合物 PEG200N为原料合点，如图 1-2，合成的碳纳米点分散均匀且尺寸均米点的环半径平方比分别对应于{111}、{220}、{明其具有类金刚石的结构。

图 1-1 碳纳米点的化学结构[3]Fig.1-1 Chemical structure of carbon nanodots[3]有不确定性。现将碳纳米点主要的三种结构总结构采用激光烧蚀方法，以聚合物 PEG200N为原料合点，如图 1-2，合成的碳纳米点分散均匀且尺寸均米点的环半径平方比分别对应于{111}、{220}、{明其具有类金刚石的结构。

采用凝胶电泳方法可分离得到发光碳纳米点，粒径主要集中在 1 nm 左右，且均匀分散，FTIR 表征其表面含有羧基官能团，元素分析测试合成碳纳米点含有 C、H、N 和O 等元素。图 1-3 上图是电弧放电烟灰制得材料的 PAGE 图；左下图是合成材料的 AFM 图，右下图为合成碳纳米点的粒径分布图[1]Fig.1-3 Upper: The PAGE results for the arc-discharge soot; bottom: the AFM image (left) and featureheight distribution (right) of the CNDs from the arc-discharge soot[1]1.2.1.2 激光烧蚀法Sun 等[17]课题组通过对碳靶向物进行激光烧蚀的方法合成碳纳米点，具体条件是在氩气的保护下，于 900 ℃、75 kPa 的高温高压下进行。如图 1-4（a），使用激光烧蚀方法对碳粉混合物通过有机物 PEG1500N进行钝化合成，可得到在溶液或固体两种形态下发射荧光的碳纳米点。随后，Hu 等[23]报道了采用了激光烧蚀的方法在不同有机溶剂中对碳纳米材料（石
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本文编号：2886032