石墨烯量子点-稀土上转换光学探针的制备及应用研究
发布时间：2021-04-17 14:07
石墨烯量子点和稀土上转换纳米粒子是两种极具特色的发光材料。石墨烯量子点是横向尺寸为1-10 nm的小片石墨烯,具有优异的生物相容性、低细胞毒性和稳定的光学性质,目前已被广泛应用于光学传感、生物成像等领域。然而,石墨烯量子点功能性单一的缺陷使其在生物分析方面的应用受到了限制。不同于石墨烯量子点,稀土上转换纳米粒子在低能量的近红外光激发下能够产生高能量的紫外、可见及近红外光,具有背景荧光小、穿透能力强、生物组织损伤小等特点。但是,稀土上转换纳米粒子荧光量子产率低、水分散性差的缺陷给它在生物医学方面的应用带来了不便。因此,将石墨烯量子点与稀土上转换纳米粒子复合,实现两者性能的优势互补是极其必要的。针对石墨烯量子点功能性单一的问题,设计合成了组氨酸-D-青霉胺双功能化石墨烯量子点。组氨酸的引入不仅使石墨烯量子点具有改善过氧化物酶催化活性的能力,还为之后与稀土材料的复合奠定了基础。D-青霉胺的存在则提高了石墨烯量子点的荧光发射能力。所合成的石墨烯量子点平均尺寸约为3.6 nm,由1-2层石墨烯纳米片组成。将石墨烯量子点作为光学探针,构建了用于啶虫脒含量测定的荧光传感平台。首先,富含G的DNA探针...
【文章来源】：江南大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点之间的结构差异[19]
江南大学硕士学位论文2图1-1石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点之间的结构差异[19]Fig.1Schematicillustrationofstructuraldifferencesbetweengraphene,grapheneoxide,graphenequantumdotsandcarbonquantumdots[19]1.1.1制备方法如图1-2所示，GQDs的合成主要有自上而下和自下而上两种方法。前者是通过化学、电化学或物理化学的方法切割或分解碳材料。后者是利用有机小分子的热解或碳化、芳香小分子的逐步化学融合形成GQDs。图1-2石墨烯量子点的合成方法[19]Fig.1-2Synthesismethodsofgraphenequantumdots[19]（1）自上而下法自上而下法主要是利用化学或物理的方法将大块前体材料，如大的碳纳米管或石墨烯片层，切割成适当大小的石墨烯量子点。通过氧化或插层的方法分离前体材料的同时，也使材料的碳晶格产生缺陷。然后，利用化学还原或超声处理等方式将前体材料晶格缺陷处的碳碳键断裂，从而将GQDs从前体材料中分离出来。通过改变合成方法和调整反应条件，实现GQDs性质的调控。自上而下法主要包括水/溶剂热法、电化学剥离法、酸氧化法、液相剥离法和微波辅助合成法。水/溶剂热法是合成GQDs最常用的方法之一。Pan等人首次以微米尺寸的氧化石墨烯作为前体材料，采用简易水热法合成了蓝色发光的GQD[20]。Fang等人以氧化石墨烯为原料、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，通过溶剂热法制备了绿色发光的氮掺杂石墨烯量子
第一章绪论3点（Nitrogen-dopedgraphenequantumdot,N-GQD），其荧光量子产率为23.1%[21]。所制备的N-GQD具有出色的生物相容性和良好的溶剂分散性，能够作为荧光探针应用于活细胞中Al3+的定量检测。与水/溶剂热法相比，电化学剥离法可以通过对外加电位的控制实现前体材料的选择性氧化。此外，电化学剥离不需要使用有毒的氧化剂或还原剂，可以在环境条件下进行。He等人利用单步电化学剥离法从低成本的焦炭中剥离出大量的GQD[22]。图1-3是GQD的合成示意图。通过调节电解液中的水含量和所施加的电流密度实现了GQD发射波长的精准调控，从而使GQD具有多色发光的特性。这种方法的产率高达42.86%，可应用于GQD的大批量生产。酸氧化法将带负电荷的含氧基团引入到GQDs中，导致GQDs的石墨结构带有缺陷。同时，酸氧化法可以从低成本的前体材料中大规模的制备亲水性GQDs，但反应中过量的酸性氧化剂难以彻底去除。Peng等人以廉价的炭纤维作为原料，经过酸氧化剥离制备出尺寸范围为1-4nm的GQD[10]。所合成GQD的尺寸随反应温度的变化而变化，并且通过改变反应条件可以相应地控制其带隙和发射波长。液相剥离法主要包括超声辅助液相剥离和微波辅助液相剥离。超声波为大分子的分解提供了必要的能量，从而避免了氧化剂的使用，为规模化生产GQDs提供了新途径。Lu等人以乙炔黑为碳源、N-甲基-2-吡咯烷酮为反应溶剂，利用超声波辅助液相剥离技术实现了GQD的大批量生产[23]。微波辅助液相剥离法不仅可以缩短反应时间，而且可以提高产率。Nair等人使用间歇微波辅助的超声氧化法快速（30min内）制备了结晶度高、尺寸可调的GQD，产率高达75-81%[24]。同时，该方法制备的GQD具有优异的生物相容性、良好的水分散性和较高的光学稳定性，可作为活细胞成像的光学探针。图1-3?
本文编号：3143582
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【学位级别】：硕士
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石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点之间的结构差异[19]
江南大学硕士学位论文2图1-1石墨烯、氧化石墨烯、石墨烯量子点和碳量子点之间的结构差异[19]Fig.1Schematicillustrationofstructuraldifferencesbetweengraphene,grapheneoxide,graphenequantumdotsandcarbonquantumdots[19]1.1.1制备方法如图1-2所示，GQDs的合成主要有自上而下和自下而上两种方法。前者是通过化学、电化学或物理化学的方法切割或分解碳材料。后者是利用有机小分子的热解或碳化、芳香小分子的逐步化学融合形成GQDs。图1-2石墨烯量子点的合成方法[19]Fig.1-2Synthesismethodsofgraphenequantumdots[19]（1）自上而下法自上而下法主要是利用化学或物理的方法将大块前体材料，如大的碳纳米管或石墨烯片层，切割成适当大小的石墨烯量子点。通过氧化或插层的方法分离前体材料的同时，也使材料的碳晶格产生缺陷。然后，利用化学还原或超声处理等方式将前体材料晶格缺陷处的碳碳键断裂，从而将GQDs从前体材料中分离出来。通过改变合成方法和调整反应条件，实现GQDs性质的调控。自上而下法主要包括水/溶剂热法、电化学剥离法、酸氧化法、液相剥离法和微波辅助合成法。水/溶剂热法是合成GQDs最常用的方法之一。Pan等人首次以微米尺寸的氧化石墨烯作为前体材料，采用简易水热法合成了蓝色发光的GQD[20]。Fang等人以氧化石墨烯为原料、N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，通过溶剂热法制备了绿色发光的氮掺杂石墨烯量子
第一章绪论3点（Nitrogen-dopedgraphenequantumdot,N-GQD），其荧光量子产率为23.1%[21]。所制备的N-GQD具有出色的生物相容性和良好的溶剂分散性，能够作为荧光探针应用于活细胞中Al3+的定量检测。与水/溶剂热法相比，电化学剥离法可以通过对外加电位的控制实现前体材料的选择性氧化。此外，电化学剥离不需要使用有毒的氧化剂或还原剂，可以在环境条件下进行。He等人利用单步电化学剥离法从低成本的焦炭中剥离出大量的GQD[22]。图1-3是GQD的合成示意图。通过调节电解液中的水含量和所施加的电流密度实现了GQD发射波长的精准调控，从而使GQD具有多色发光的特性。这种方法的产率高达42.86%，可应用于GQD的大批量生产。酸氧化法将带负电荷的含氧基团引入到GQDs中，导致GQDs的石墨结构带有缺陷。同时，酸氧化法可以从低成本的前体材料中大规模的制备亲水性GQDs，但反应中过量的酸性氧化剂难以彻底去除。Peng等人以廉价的炭纤维作为原料，经过酸氧化剥离制备出尺寸范围为1-4nm的GQD[10]。所合成GQD的尺寸随反应温度的变化而变化，并且通过改变反应条件可以相应地控制其带隙和发射波长。液相剥离法主要包括超声辅助液相剥离和微波辅助液相剥离。超声波为大分子的分解提供了必要的能量，从而避免了氧化剂的使用，为规模化生产GQDs提供了新途径。Lu等人以乙炔黑为碳源、N-甲基-2-吡咯烷酮为反应溶剂，利用超声波辅助液相剥离技术实现了GQD的大批量生产[23]。微波辅助液相剥离法不仅可以缩短反应时间，而且可以提高产率。Nair等人使用间歇微波辅助的超声氧化法快速（30min内）制备了结晶度高、尺寸可调的GQD，产率高达75-81%[24]。同时，该方法制备的GQD具有优异的生物相容性、良好的水分散性和较高的光学稳定性，可作为活细胞成像的光学探针。图1-3?
本文编号：3143582
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