本文關鍵詞：生物質碳量子點的制備與應用研究

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【摘要】：碳量子點,是一種近年來受到廣泛關注的新型“零維”碳材料,通常呈直徑少于10納米的球狀結構,具有獨特的熒光性、光學穩(wěn)定性、水溶性、生物相容性等優(yōu)點。與傳統(tǒng)金屬半導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、制備工藝復雜等缺點,因此,自2006年被首次報道以來迅速成為國內外的研究熱點。特別是以再生資源生物質為原料制備的“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,且光學性能優(yōu)異,十分適合規(guī)�；a而顯示出重要的社會和經濟價值。碳量子點已被研究者認為是替代半導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、油墨等多個領域具有廣泛的應用前景。本論文以多種生物質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,制備出多種生物質碳量子點。所獲得的生物質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,研究生物質碳量子點在細胞成像、熒光傳感和納米增強材料等領域的應用,深入探討雜元素摻雜對生物質碳量子點熒光性能影響和熒光猝滅現(xiàn)象的內在機理,為新型熒光碳量子點的開發(fā)和生物質資源的高值化利用提供理論依據(jù)。具體的研究內容主要包括:1.以不同分子結構、組成和分子大小的天然生物質(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,制備多種生物質碳量子點,探討生物質分子結構對碳量子點熒光性能的影響。發(fā)現(xiàn),從不含氮的生物質原料中制備的碳量子點量子產率普遍低于5%,而從含氮的生物質原料(葡氨糖、殼寡糖、殼聚糖)制備的碳量子點量子產率普遍超過10%,最高可達16%,說明少量氮元素的存在能明顯增強生物質碳量子點熒光性能。進一步利用強酸氧化法對生物質碳量子點制備所產生的殘渣副產物進行處理,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碳量子點形態(tài)結構、化學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用于體外細胞成像,表現(xiàn)出較好的生物醫(yī)學應用潛力。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)結構、化學組成和熒光性能。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,對應的猝滅常數(shù)分別為5530、20275、5080和7270 M-1,并構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,有望應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,深入研究生物質碳量子點的熒光猝滅機理。發(fā)現(xiàn)生物質碳量子點對硝基苯酚類爆炸物有強熒光響應性,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)象應遵循能量轉移機理而非大多數(shù)文獻中認為的電子轉移機理。另外,利用具有更復雜結構的有機發(fā)色分子對生物質碳量子點的熒光猝滅研究和光譜電化學研究,進一步證實能量轉移機理在熒光猝滅過程中起主導作用。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.利用生物質碳量子點表面具有豐富官能團的特點,構建生物質碳量子點-海藻酸水凝膠體系和生物質碳量子點-納米纖維素水凝膠體系。通過選取不同單糖結構的生物質(葡萄糖、D-木糖、葡氨糖)為原料制備生物質碳量子點,研究不同結構的生物質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用于Fe3+和納米金的傳感。結果表明水凝膠能夠作為生物質碳量子點的優(yōu)良載體,對生物質碳量子點在藥物傳遞和疾病診斷上的潛在應用具有重大的意義。
【關鍵詞】：生物質 碳量子點 氮摻雜 熒光傳感 能量轉移
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 化學結構16
• 1.2.2 光學性能16-20
• 1.2.3 電子轉移性能20-21
• 1.2.4 生物學性能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 納米復合物28-29
• 1.5 碳量子點的應用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、意義和研究內容36-39
• 1.6.1 選題目的與意義36-37
• 1.6.2 研究內容37-39
• 第二章 生物質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 生物質碳量子點的綠色合成40
• 2.2.3 生物質碳量子點的熒光性能表征40
• 2.2.4 綠色合成副產物的表征40-41
• 2.2.5 強酸氧化副產物制備多色發(fā)光碳量子點41
• 2.2.6 副產物碳量子點的熒光性能表征41
• 2.3 結果與討論41-48
• 2.3.1 生物質碳量子點的熒光性能41-45
• 2.3.2 殼聚糖碳量子點副產物的形態(tài)結構和化學組成45-47
• 2.3.3 副產物碳量子點的熒光性能47-48
• 2.4 小結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)結構表征50
• 3.2.4 化學組成表征50-51
• 3.2.5 熒光性能表征51
• 3.2.6 電化學性能表征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)結構53-54
• 3.3.3 氮摻雜木聚糖碳量子點的化學組成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)結構表征65
• 4.2.4 化學組成表征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”傳感體系的構建66
• 4.3 結果與討論66-74
• 4.3.1 殼聚糖碳量子點的形態(tài)結構66-67
• 4.3.2 殼聚糖碳量子點的化學組成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70-71
• 4.3.6“off-on”熒光傳感體系的構建及其對抗氧化劑的傳感71-74
• 4.4 小結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 光譜電化學分析77
• 5.3 結果與討論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)色分子的熒光響應及其光譜重疊86-88
• 5.3.7 殼聚糖碳量子點的光譜電化學分析88-90
• 5.4 小結90-91
• 第六章 生物質碳量子點-水凝膠體系的構建及其性能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 生物質碳量子點的綠色合成92
• 6.2.3 生物質碳量子點的表征92
• 6.2.4 生物質碳量子點-海藻酸水凝膠體系的制備92
• 6.2.5 生物質碳量子點-納米纖維素水凝膠體系的制備92
• 6.2.6 生物質碳量子點-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 結果與討論93-104
• 6.3.1 三種單糖碳量子點的形態(tài)結構93-94
• 6.3.2 三種單糖碳量子點的化學組成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-水凝膠體系的構建及其形態(tài)結構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用101-104
• 6.4 小結104-106
• 結論與展望106-109
• 參考文獻109-126
• 攻讀碩士學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