新型荧光氮掺杂碳量子点的合成及应用

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万方数据中图分类号：UDC：学校代码：10055密级：公开彘恐犬淫硕士学位论文新型荧光氮掺杂碳量子点的合成及应用Thesynthesisofnovelfluorescentnitrogen—dopedcarbonquantumdotsandtheirapplications论文作者互萱苣申请学位堡堂亟±学科专业坌逝丝堂研究方向丝堂篮壁南开大学研究生院二零一四年五月 万方数据南开大学学位论文使用授权书根据《南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法》，我校的博士、硕士学位获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在《著作权法》规定范围内的学位论文使用权，即：(1)学位获得者必须按规定提交学位论文(包括纸质印刷本及电子版)，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文，并编入《南开大学博硕士学位论文全文数据库》；(2)为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；(3)根据教育部有关规定，南开大学向教育部指定单位提交公开的学位论文；(4)学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所及其万方数据电子出版社和中国学术期刊(光盘)电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。论文电子版提交至校图书馆网站：http：／／202．113．20．161：8001／index．htm。本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。作者暨授权人签字：南开大学研究生学位论文作者信息年月日论文题目新型荧光氮掺杂碳量子点的合成及应用姓名石茜茜学号2120110618答辩日期2014年5月23日论文类别博士口学历硕士一硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口院／系／所化学学院专业分析化学联系电话15222119175Emailshiqian．275．on@163．com通信地址(Ihlj编1：天滓市南开区卫滓路94号南开大学化学楼南楼317室备注：是否批准为非公开论文否注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写(一式两份)签字后交校图书馆，非公开学位论文须附《南开大学研究生申请非公开学位论文审批表》。 万方数据南开大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：非公开学位论文标注说明(本页表中填写内容须打印)年月日根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本说明为空白。论文题目申请密级口限制(≤2年)口秘密(≤10年)口机密(≤20年)保密期限20年月日至20年月日审批表编号批准日期20年月日南开大学学位评定委员会办公室盖章(有效)注：限制★2年(可少于2年)：秘密★lO年(可少于10年)：机密．20年(可少于20年) 万方数据摘要中文摘要本论文主要研究了水热法制备氮掺杂碳量子点及其在分析检测和生物体内的成像应用，主要分为如下三个部分：第一部分：绪论。综述了荧光纳米材料的分类、基本性质；碳量子点的基本性质、合成方法及其应用。此外，还对本论文的选题意义及创新性进行了简单的介绍。第二部分：以合成的氧化石墨为前体，采用与氨水混合超声的方法实现氮元素的掺杂，在水热条件下得到量子尺寸的氮掺杂石墨烯量子点洲一GQDs)。本工作合成的氮掺杂石墨烯量子点表现出传统碳量子点的荧光性质，最大荧光发射波长为454rim。与对照相比，掺杂氮元素后的石墨烯量子点荧光增强，发射峰蓝移。并且铜离子对N．GQDs有荧光猝灭效应，据此得出了相应工作曲线，线性响应范围为0．5．50gM。第三部分：以便宜易得的EDTA为原料、采用一锅法合成了高产率、高水溶性的荧光氮掺杂碳点洲．Cdots)。EDTA既是碳源，又是氮源，结合不同水热时间下样品的X射线光电子能谱(XPS)和荧光数据以及文献报道，本工作提出了碳点形成的分解．聚合．碳化机理。不同于葡萄糖，EDTA有限的聚合实现了高产率制备N．Cdots，产率达到78％。本工作还合成了不含氮元素的裸碳点和包覆的氮掺杂碳点，通过它们研究了碳点的荧光机理，优化了碳点的光学性能。本工作以斑马鱼为模型，研究了碳点的体内荧光成像，证明了该氮掺杂碳点用于生物成像的低毒性和好的适用性，有望作为低毒探针应用于临床中。关键词：水热法，氮掺杂，石墨烯量子点，碳点，荧光成像 万方数据 万方数据目录中文摘要⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1Abstract⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯I工．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯III第一章绪论．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．1荧光纳米材料．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．11．1．1无机发光量子点⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯．．．．．11．1．2复合荧光纳米微球⋯⋯．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．⋯⋯．．．．．21．1．3贵金属纳米团簇⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯．．．．⋯⋯．．⋯．31．1．4荧光碳纳米点．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯．．⋯⋯．⋯．．．．41．2碳量子点简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41．2．1碳量子点概述．⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．⋯⋯．41．2．2碳量子点的分类．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．51．2．3碳量子点的制备．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯61．2．3．1燃烧／酸／热氧化法．．．．．．．⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61．2．3．2水热法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．⋯．⋯．71．2．3．3电化学法．．．⋯⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91．2．3．4超声和微波法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．91．2．4碳量子点的应用⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．111．2．4．1分析检测应用⋯⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．u1．2．4．2光催化．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．121．2．4．3生物成像．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．131．3本论文工作内容及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14参考文献⋯．．⋯⋯．⋯．．⋯⋯．．．⋯．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．16第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索⋯⋯⋯⋯⋯．．20 万方数据目录2．1引言⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．202．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．202．2．1仪器和试剂⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．202．2．2氧化石墨的合成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．212．2．2氮掺杂石墨烯量子点的合成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．2l2．2．3对多巴胺的电化学催化性能考察⋯．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．222．2．4检测铜离子⋯，．⋯⋯⋯．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．⋯．⋯．．222．3实验结果与讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．232．3．1产物的结构和构成表征．．．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．232．3．2产物的形貌表征．，．．．．．，．，．．．⋯．，．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．⋯．．242．3．3产物的荧光性质．⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．252．3．4对多巴胺的电催化性能考察．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．．．⋯．．．．．⋯．．262．3．5检测铜离子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．262．4结j沦⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯27参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．28第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用⋯⋯．293．1引言⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．293．2实验部分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．2．1仪器和试剂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．2．2碳点的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯303．2．2．i由EDTA制备氮掺杂碳点⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．303．2．2．2裸碳点和包覆的氮掺杂碳点的制各．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．，．．．．，．．．303．2．3以斑马鱼为模型的氮掺杂碳点生物探针⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．313．2．3．】斑马鱼体内荧光成像⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．．．．．3i3．2．3．2斑马鱼胚胎的生物毒性研究．．⋯．．．．．．．，，．．．．．⋯．．．．．．⋯．．．．．．，，，．．3I3．2．4氮掺杂碳点的固体荧光⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．2．5量子产率测定实验⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯313．3实验结果与讨论⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．323．3．1产物基本形貌及结构表征．．．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．32IV 万方数据目录3．3．2产物光学性质表征．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．333．3．3碳点形成机理探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．353．3．4碳点荧光机理及修饰的影响探究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．383．3．5斑马鱼作模型的体内荧光成像⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．403．4结论⋯⋯．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．．．41参考文献⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．．⋯⋯．．43致谢⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯46作者简介及硕士期间科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47V 万方数据第一章绪论1．1荧光纳米材料荧光(fluorescence或photoluminescence)是指当以某一特定波长的光照射某种荧光物质时，该物质吸收光能后进入激发态，并且立即退激发，发射出比入射光的波长更长(即能量低于入射光)的发射光；而一旦停止入射光的照射，发光现象也随之立即消失。简而言之，荧光就是一种光致发光的冷发光现象。荧光性质涉及到的相关参数主要有以下几种：发射光谱、激发光谱、荧光强度、荧光量子产率、斯托克斯(Stokes)位移等【1-6，29。91。在荧光分析技术中，荧光强度常被用来作为指示信号，提供被研究对象的信息。在环境保护、生物医学等领域中，荧光分析技术已成为分析环境中的重金属离子污染，研究生物大分子构型及纳米载药体系中纳米材料进入生物内环境机制过程中不可或缺的工具m’481。尤其是在生物医学领域的应用，近年来获得了很大发展，它已成为人们观察生物体的“第三只眼”。而合成荧光性能优良、生物相容性好并且适于大规模生产的荧光纳米材料成为荧光分析技术发展和进步的关键。常见的荧光材料有如下几种：有机染料、无机发光量子点、复合荧光纳米微球、贵金属纳米团簇和荧光碳纳米点。其中后四种由于其粒子尺寸在纳米级，被称为荧光纳米材料。荧光纳米材料由于其超小的尺寸及优秀的光电性能，成为研究者所青睐的新一代荧光材料。1。1．1无机发光量子点无机发光量子点即半导体量子点，它是一种由IIB．VIB族或者IIIB．VB族元素组成的核壳结构的、包含数百个数千个原子的无机纳米粒子Il’21。目前研究较多的主要是CdX(X=S、Se、Te)。量子点的制备方法根据其所用材料的不同，有以下两种方法：～、采用胶体化学方法，在有机体系中以金属有机化合物为前体制备[31；二、在水溶液中直接合成目标量子点14剖。以金属有机化合物作为前体合成的量子点具有晶体结构好、发光效率高的优点，但是其水溶性较差， 万方数据第一章绪论因而限制了它在生物医学领域的应用。而水溶液中合成的量子点显示良好的水溶性，从而解决上述问题。自上个世纪90年代以来，制备技术持续改进，量子点在生物学研究方面的应用也随之越来越广泛。与传统的有机染料相比，无机发光量子点具有许多优点I7J：(1)荧光强度高且光稳定性好。量子点比Rhodamine6G的荧光强度高20倍，稳定性比它高100倍以上。(2)具有宽的荧光激发谱和窄的荧光发射谱，而且可以通过调节量子点的尺寸大小实现荧光发射波长在某一范围内的变动。与此相比，传统有机荧光染料的激发波长范围窄，不同荧光染料需要用多种波长的激发光来激发，给实际的研究工作带来了诸多不便。(3)荧光寿命长、抗光漂白能力强。基于上述优点，量子点成为一种较理想的荧光探针。但是，不管是采用胶体化学法还是水相合成法，所用的原料都含有重金属镉离子，会对环境造成污染。而且，为了克服量子点毒性大的缺点，后期需要对其表面进行后修饰，以防在生物应用过程中出现泄露。1．1．2复合荧光纳米微球复合荧光纳米微球主要包括两种：高分子荧光纳米微球和复合荧光二氧化硅纳米微球181。前者是以聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸酯类、聚丙烯酰胺类等聚合高分子材料为微球主体，表面键合或吸附荧光物质，如罗丹明、荧光素、菁色素等得到荧光纳米微球峭J。后者是由功能性的内核、可生物改性的二氧化硅壳和修饰在硅壳表面上的生物分子构成，是具有明显核．壳结构的新型荧光纳米粒子，其核内的荧光材料可以是量子点、有机染料、稀土发光材料等。如图1．1所示，TEOS水解得到硅球，将发荧光的量子点和具有磁性的氧化铁纳米粒子包裹在内部一J，得到兼具荧光和磁性的二氧化硅纳米微球。TEOS。QDs．MPsMagnetS●●Ir图1．1量子点．氧化铁．二氧化硅复合荧光纳米微球 万方数据第一章绪论由于复合荧光二氧化硅纳米微球是采用油包水(W／O)反相微乳液方法形成内核，然后硅烷化试剂在微乳液体系中水解，通过形成三维网状结构的硅壳进行包壳。因此，采用不同的硅烷化试剂可以选择性地合成出表面带不同官能团的核壳型纳米微球。进而可以在硅纳米球表面进行各种生物大分子的后续修饰，如：抗体、肽片断、生长因子等，从而实现对生物体中细胞的特异性识别、分离和检测。1．1．3贵金属纳米团簇贵金属纳米团簇(noblemetallicnanoclusters，NMNCs)是A昏Au、Pt等贵金属的荧光分子级聚集体，它通常由几个到几十个原子组成。与量子点类似，量子尺寸效应使得可以通过调节团簇的粒径大小来改变其光学性质，因而它们的荧光发射光谱在可见到近红外光区范围内也是可调的，如图1．2所裂101。图1．2控制还原剂和Au3+的比例合成荧光发射在500．640nm区域的金纳米粒子Ag、Au、Pt等贵金属团簇具有化学惰性，它们的粒径一般在5nllq以下，并且纳米团簇的保护基团的生物毒性低，这使得贵金属纳米团簇容易进入生物体内并且有良好的生物相容性。此外，它的荧光光稳定性强、斯托克斯位移较大且长时间无闪烁，这显著改善了其作为荧光标记材料的性能。十多年来，国内外研究者们对Au、Ag等纳米团簇的合成方法进行着不断地探索，做出了很大的改进【11。13J。合成NMNCs的方法目前有很多种，根据保护基团的不同可以把它分为模板法和单分子层保护法。其中，模板法是目前最常用的方法之一，是指以某种材料作为基质或模型来合成具有特殊立体结构或特殊功能的贵金属纳米团簇的方法。单分子层保护法是指表面修饰或组装单层分子而获得具有某种特定功能的贵金属纳米团簇。一圈晶红琴X0‘●一≮一≯，，＼蛰贯，哼越稀 万方数据第一章绪论近年来贵金属纳米簇在合成、改性方面有了很大提高，开始由简单合成向应用方面拓展，例如将其用于细胞标记、生物传感、生物小分子和大分子的检测等。1．1．4荧光碳纳米点荧光碳纳米点是指尺寸在10nln以下、外观恰似点状物的碳纳米材料，也可以被称为碳量子点。2004年，研究者在纯化单壁碳纳米管时用制备电泳技术首次得到了碳量子点[14]。在人们的印象中，碳一直是一种黑色的材料，直到近几年，越来越多的人认识到它还具有荧光和水溶性。碳量子点由于其卓越的物理特性，引起了生物传感、催化和生物成像应用研究领域的极大观注。作为一种新发现的荧光量子点，碳量子点具有低毒性和高生物相容性等特点【15，16]。因此，开发新型荧光碳纳米点的合成方法，探索其光学性质机理，拓展其化学、生物和医学应用具有重要的学术价值和实际意义。1．2碳量子点简介1．2．1碳量子点概述碳元素是组成生物体的重要基本元素之一，碳材料的开发应用一直是研究的热点。碳元素以多种同素异形体存在：金刚石、石墨、富勒烯(也称巴基球)、碳纤维、蜡石、石墨烯等。碳量子点(carbonquantumdots)，由少量碳原子构成，它三个维度的尺寸均为纳米级(通常在10nlTI以下)。它是一种准零维材料，由于粒径小，量子局限效应(quantumconfinementeffect)显著。近年来对碳量子点的合成、性质研究和应用探索方面取得了很大进展。从蜡烛烟灰得到的碳量子点，对其进行核磁(NMR)检测发现其仅有sp2杂化而无饱和的sp3杂化碳原子，说明碳量子点是一种共轭体系【17】。由于其强的、可调的光致发光性质，它被广泛应用于能源和催化领域。而且，除了常见的下转换荧光，碳量子点还具有极好的上转换荧光特性，这便于在太阳光照条件下，基于碳点的光催化体系的开发。与传统的有机染料和半导体量子点相比，碳量子点无毒，对环境的危害小，4 万方数据第一章绪论造价便宜，并且在高水溶性、强化学惰性、易于功能化、抗光漂白性和良好的生物相容性方面具有非常显著的优势[181。研究者还发现，在水溶液中，碳量子点的荧光可以被电子给体或电子受体有效地猝灭。这个现象表明，受光激发的碳量子点是很好的电子受体或给体。碳量子点的这种光诱发的电子转移特性为光能转换、光伏设备开发等相关应用【l91提供了机遇。另外，还可以利用这种性质制作碳量子点纳米探针来检测离子和小分子俐。1．2．2碳量子点的分类碳量子点是准零维材料，一般认为尺寸在10nln以下。目前所研究的碳量子点分为两类，即石墨烯量子点(graphenequantumdots，GQDs)和碳点(carbondots，Cdots)。石墨烯量子点一般由石墨或氧化石墨得到，它一般具有石墨烯的类蜂窝状结构，但表面连有含氧基团。众所周知，石墨是一种由六原子碳环构成的呈蜂窝状排列的片层结构，同一层的碳原子以sp2杂化轨道成键，而层与层之间是范德华力。破坏层间的范德华力，将石墨剥离成单层之后，就得到了石墨烯的平面薄膜。它是一种只有一个碳原子厚度的二维材料。但是用物理或化学方法得到大面积、高产率的单层石墨烯还存在困难【21’22]，文献中报道的多为数层(一般小于5层)[23-25】，也称之为石墨烯。例如，Sul261等用电化学剥落的方法制备了1~4层的石墨烯：Wang[z7】等用氧化石墨烯键合适配体实现了凝血酶的检测。二维的石墨烯堆叠得到三维的石墨，卷曲得到线状的一维碳纳米管，断裂即成为零维(或准零维)的石墨烯量子点【28J，如图1．3所示。与石墨烯量子点稍有不同，文献中报道的碳点是由烟灰或者各种有机碳源等物质得到的粒径小于10nn]的碳量子点，晶格与石墨烯量子点稍有不同，有的甚至呈现无定形状态【291。 万方数据第一章绪论舔蜃·簧。《渤崤7图1．3石墨各种形态的示意图。石墨烯是一种可以构建其他各种维度碳材料的二维材料。由它可以包裹或断裂成零维的巴基球或量子点，可以卷曲成一维的碳纳米管，或者堆叠成三维的石墨【28l。1．2．3碳量子点的制备现有的碳量子点合成方法主要有自上而下(Top．down)和自下而上(Bottom．up)两大类方法。前者主要包括弧光放电法、激光烧蚀法、等离子体处理、电化学方法等，此种方法直接从碳材料上剥离出碳点，由于同时得到许多非碳点物质，需要凝胶电泳、渗析等方法纯化。后一种方法主要是以蜡烛灰烬、分子等作为碳点来源，分为氧化法(包括燃烧氧化、酸氧化、加热合成法)、水热法、超声和微波法等。其中，氧化法、水热法、电化学法、超声和微波法，由于合成步骤简单、产物中有较多的含氧基团便于修饰，成为目前制备碳量子点研究最多的主要方法。下面对上述几种方法做详细介绍。1．2．3．1燃烧／酸／热氧化法燃烧法、加热合成法、酸氧化法都属于氧化法。Mao等人【30】在2007年报道用燃烧法制备了碳点。他们是用铝箔收集蜡烛燃烧后的烟灰，与氧化剂混合回流12h后，用聚丙烯酰胺凝胶电泳分离后得到碳点。这种直接用燃烧法得到的产物中含有许多非碳点物质，需要凝胶电泳、渗析等方法纯化，而且水溶性一般较差；鉴于表面羧基、羰基对碳点性质的重要性，得到的样品需要在HN03等氧化剂中回流，经透析纯化得到量子尺寸的碳点。Chen等人【3l】在镁取代的多孔磷酸铝分子筛上结合模板或负载有机物分子，6纛；，一一一一一一一一一一 万方数据第一章绪论成功地通过加热分解的方法获得了荧光碳点，其激发波长覆盖紫外光区的大部分范围。而且，可以通过控制加热条件实现荧光发射波长的可控调节。Ray等人【32】采用硝酸氧化炭黑的方法得到了发绿色荧光的碳量子点。通过在水．乙醇一氯仿的溶液中高速离心的方法来分离不同尺寸的碳点，最终获得了2-6nln粒径分布的碳点，并将它应用于了细胞成像。但是，这个实验方案得到的碳量子点的荧光产率很低，大约为3％。1．2．3．2水热法水热法是由地质学家在19世纪中叶，模拟自然界成矿作用而开始研究的，近年来成为研究发光材料领域中的又一新兴合成方法。此方法主要是在一定温度和压力下，在溶液中进行物质的化学反应的一种制备方法。Han等人133】研究了水热反应对氧化石墨的影响，他们发现在高温水蒸汽作用下，氧化石墨很容易被侵蚀而断裂成孤立的点，如图1．4所示。他们的研究为通过水热法制备碳量子点提供了理论依据。Pan等人【34]报道了用水热法将石墨烯片层“切割”得到强蓝色荧光的石墨烯量子点，其荧光量子产率(quantumyield，QY)达到6．9％。水溶性的、晶格间距为3nnl的结晶较好的石墨烯量子点也由水热法得到了135|。该石墨烯量子点的原子力显微镜测试表明它的高度分布在1．5．1．9hill之间，说明由水热法得到的石墨烯量子点仅包含2．3层石墨烯层。近年来兴起的“绿色方法”制取碳量子点也多采用水热法。Liu等人【36】把草置于水热反应釜中加热，得到了氮掺杂碳点，并将它用于了Cu2+的检测。Zhu等人【37】也用生活中常见的绿色碳源——豆浆，水热法合成了碳点，如图1．5所示。结合文献报道，总结水热法的优点有以下几点。(1)采用低中温液相控制，能耗较低，对不同反应的适用性广。(2)反应在液相中的快速对流中进行，产物的物相均匀、产率高、纯度高。(3)无须高温煅烧处理，工艺相对简单，可直接得到粒径分布窄的纳米粒子，而且产物分散性良好。(4)水热过程中的反应温度、压力、水热时间以及溶液体系的pH值、所选用前驱体的种类和浓度等对反应速率、生成物的晶形、粒子尺寸和形貌等都有很大影响，可以通过控制以上实验条件实现对产物性能的剪裁。(5)由于水热反应始终在密闭条件下进行，可通过控制气氛而形成所需要的 万方数据第一章绪论合适的氧化还原反应条件，实现其他手段难以达到的某些物相的生成和晶化。A曼霹意_燕露B图1．4(A)：水蒸汽对氧化石墨的侵蚀示意图；(B)：随水蒸汽刻蚀时间增长，氧化石墨断裂成孤立的点过程中的原子力显微镜(AFM)图。比例尺200nm。)图1．5豆浆为前体水热法合成碳点囤 万方数据第一章绪论。，譬奄謇番擘凄敬一。夕≯o害掌零承一0／●NuC图1．6电化学法制备的富氧氮掺杂石墨烯量子点边缘可能的氢键存在形式1．2．3．3电化学法电化学法一般使用石墨类材料作为工作电极，选用不同的电解液来得到碳量子点。Li等人p剐将石墨烯膜作为工作电极，Ag／AgCl作为参比电极，Pt丝为对电极，以四丁基高氯酸铵(TBAP)为电解液(同时也是氮源)，用循环伏安扫描的方法得到了富氧基团的含氮石墨烯量子点。如图1．6所示，石墨烯量子点具有类似石墨烯的结构，但其表面有缺陷，边缘连有更多的含氧基团。值得注意的是氮元素掺杂进入了碳骨架中，替代了其中的某些碳原子。粒子尺寸、表面缺陷和氮的掺杂共同引起了该氮掺杂石墨烯量子点荧光的蓝移。文中还报道了，用该方法制备的氮掺杂石墨烯量子点除了具备特殊的荧光性质外，还对氧化还原反应(ORR)有电催化效果。此前，该课题组还发现了以石墨为工作电极，Ag／AgCl为参比电极，Pt丝为对电极，使用pH7．0的磷酸缓冲溶液作电解质的石墨烯量子点的电化学制备方法【391。用该方法制备的碳量子点表面也有含氧基团，使得产物具有水溶性，并且为进一步的表面功能化提供了便利。与燃烧、酸氧化等方法相比，电化学法只需一步就可制备水溶性较好的碳量子点，具有简单易行的特点。1．2．3．4超声和微波法超声法就是指将反应溶液置于实验室用超声机中，利用超声波的作用得到9 万方数据第一章绪论纳米级的碳量子点的方法。Ma等人【401用葡萄糖为碳源，氨水作为氮源，300W超声24h得到了氮掺杂碳点，如图1．7所示。因为超声波能使反应液中产生高低压交替的剧烈扰动，可以使得真空水泡瞬间产生和崩塌，从而产生高速的液体冲撞力、松团(反凝聚)作用和流体动力学切变力。因而中间产物可在此过程中碳化，最终形成碳点。oH图1．7氨水和葡萄糖超声法制各氮掺杂碳点的原理示意图微波是频率在300MHz．300GHz之间，即波长在1mm．100cm范围内的电磁波。微波加热的原理是：直流电源使微波发生器中的磁控管产生交变电场作用在处于微波场的物体上，电荷分布不平衡的小分子吸收电磁波而使极性分子以25亿次／秒以上的速率转动和碰撞，这样，极性分子随外电场的变化而摆动、产生热效应；又因为分子本身在不断地进行着热运动，相邻分子之间也存在着相互作用，这就使得分子随电场变化的摆动受到了阻碍，从而产生了类似摩擦的效应，使一部分能量转化为热能，造成分子运动加剧，这有利于分子进一步电离或者处于反应的准备状态，因此微波加热物质的温度可以在很短的时间内迅速升高【4¨。与传统加热方式有明显差异，微波是物质在电磁场中由介质损耗而引起的体加热，微波进入物质内部，与物质相互作用，使电磁场能转化为物质的热能，造成内高外低的温度梯度。也就是说，微波加热过程中内部粒子的运动除遵循热力学规律之外，还受电磁场影响；温度越高，粒子活性越大，受电磁场影响也越强烈。微波法是近年来迅速发展的材料合成新兴方法，该方法具有快速、高效、受热均匀等特点【421。Zhu等人【43】将聚乙二醇和低聚糖置于500W的微波中仅加热几分钟就得到了荧光碳点，并且该碳点还具有电化学发光的性质。10、、、、1，／一少’『叭眇9§ 万方数据第一章绪论1．2．4碳量子点的应用纳米科技是-VJ新兴并迅速发展的交叉学科，涉及化学、物理、材料、能源、信息、环境、生物、医学等各个领域。纳米科技的产物之一——碳纳米材料，由于它所含元素的无毒性及特有的光电性质，为我们展示了更广阔的应用前景。二维的石墨烯具有极高的电子传输速率，当把它转变为零维的碳量子点后，碳量子点除具有特殊的电子传输性质外，还具有边缘效应和量子局限效应。除此之外，碳量子点还兼具表面化学性质、优越的光稳定性、在极性溶剂中好的溶解性，并且在整个近红外区和紫外区都有强的光学吸收，这使得碳量子点作为光学传感器有很实用的前景。另一方面，由于碳量子点是很好的电子给体或受体，还可作为荧光离子探针。与有机荧光染料、量子点相类似，碳量子点与重金属离子作用时会引起荧光的改变，通过这种荧光的改变可以定量检测金属离子。对于荧光离子探针，最广泛被人接受的～种机理是光诱导电子转移(photoinducedelectrontransfer,PET)。基于此机理的典型的荧光探针是荧光基团(Fluorophore，电子受体)和识别基团(Receptor，电子给体)通过连接基团(Spacer)相连构成。荧光基团是可以发荧光的基团，碳量子点表面含有的羰基、含氮基团等可作为识别基团与重金属离子螯合，使荧光基团和识别基团被隔开，从而显示出荧光信号的变化I州。1．2．4．1分析检测应用利用碳量子点在紫外和近红外光区可以发射强烈、稳定的荧光的性质，可将它作分析检测应用。目前文献报道的主要有：(1)作为荧光探针检测离子、小分子；(2)在表面修饰相应基团后作为口H传感器。：品。篮oo二：惑●c岫m蕾∞曲t·Elh奄Biothiol。图1．8碳点作为荧光探针检测H∥+和生物巯基化学合物示意图Zhou等人f45』用水热法合成了荧光碳点，并首次采用无修饰的、免标记的荧 万方数据第一章绪论光碳点实现了对H92+的检测，线性检测范围O．40p,M，检测限达到4．2nM；他们又利用S与H92+的强作用力，H92+与巯基结合后，原来猝灭的荧光得到恢复，实现了对生物巯基化合物半胱氨酸、同型半胱氨酸和谷光甘肽的检测，如图1．8所示。实验中，检测响应时间和可逆恢复时间都很短，分别为5min和1min。另外，Yuan等人【46】以氮掺杂的碳纳米棒为基质、采用循环伏安法，实现了对多巴胺的检测。在干扰物抗坏血酸的存在下，该方法对多巴胺的线性检测范围为0．008gM．159M，检测限8．9×10叫M。||‰§J飞图1．9碳点一苯二甲酰亚胺．叠氮化合物的复合物对小分子H2S的响应示意图碳量子点的水溶性和生物相容性很好，对它进行修饰后可进行多种物质的分析检测。Mao等人【4‘7】利用聚苯胺对pH的敏感响应，制成了对pH灵敏响应的碳点．聚苯胺复合物荧光传感器。Shi等人148】在以柠檬酸为碳源合成的碳点上采用包覆剂连上-NH2基团，再连接对pH敏感和不敏感的异硫氰酸荧光素和罗丹明B，制成了双标记的碳点复合物，最终将该复合物用于了Hela细胞中的pH检测。Yu等人149】合成了“碳点．苯二甲酰亚胺．叠氮化合物”的复合物(如图1．9)，在该溶液体系中加入H2S后，溶液的荧光由蓝色变为绿色，荧光发射峰由425nnl红移至526nlTl，并且随H2S的量改变而荧光强度也灵敏地随之改变。1．2．4．2光催化一个好的光催化剂首先要可以利用可见或近紫外光，其次还需造价便宜、环境友好。碳点由于具有上转换光学性质，同时原料便宜易得、合成过程简便，成为制造光催化剂的宠儿。将碳量子点与催化剂如Ti02，ZnO，A93P04等制成复合物，碳量子点吸收可见光将其转化为能量更高的紫外光，基于这种上转换性质，从而激发催化剂的电子／空穴对。产生的电子／空穴对进而与氧化剂／还原剂(通12嗥H 万方数据第一章绪论常是02／OH。)反应产生自由基(例如·02-,．OH)，最终导致光催化底物的分解。如Yu等人【501用一步水热法制备了“氧化锌．碳点"复合物，其催化效果要优于氮掺杂的Ti02和纯ZnO纳米粒子，其光催化原理如图1．10所示。．／’、、(b)’nIl图1．10ZnO—Cdots复合物光催化原理示意图1．2．4．3生物成像荧光纳米分子影像新技术的特点之一是光学成像，因为光学成像可实时可视化研究病原微生物(如病毒等)与宿主相互作用，可以最直接真实地揭示相关生命活动过程。而以往对于这个过程的了解，主要是在体外进行监测。故在活细胞及活体内对病原微生物生命活动过程进行高分辨、高灵敏、实时、原位、动态研究必将成为生命科学研究的热点，对病原微生物学乃至整个生命科学研究都有重大意义。光学成像包括拉曼成像、荧光成像、光声成像，以及其他一些基于非线性光学的生物成像。其中基于碳量子点的荧光成像得到了广泛的关注、研究。碳量子点依赖尺寸的光学和电子学的性质，通过改变粒子尺寸，激发与发射光谱能够被连续地调节，因此在生物医学成像中应用前景广阔。要使碳量子点的荧光成像实现最终的实时、原位监测活体对病原微生物的生命活动，研究该纳米粒子的生物学效应以及它与生物体相互作用的毒理学效应，是研究碳量子点荧光成像必须关注的问题。与微米颗粒相比，纳米特性是决定纳米颗粒的特殊理化性质与特殊生物学效应的关键因素【5¨。例如，纳米尺寸效应，纳米粒子的尺寸与生物体系的细胞器、蛋白、DNA大小相当，加之反应活性极强，因此容易进入细胞，预计将容 万方数据第一章绪论易与蛋白分子或者DNA发生相互作用。因此，研究到达靶器官的纳米粒子与靶分子、靶细胞之间的相互作用及规律，揭示其与纳米特性之间的关系，是阐明纳米生物学效应的关键。例如，研究不同纳米参数的纳米粒子进入细胞的方式和跨膜机制：进入血液循环系统的不同参数的纳米粒子在何种生物水平激活凝血系统，如何影响血液细胞的功能；研究不同参数的纳米粒子是否会引起免疫系统的识别和非常规免疫应答；研究纳米粒子对细胞生长行为及细胞问通信系统的影响；探索不同尺寸的纳米颗粒与与靶器官、靶细胞或靶分子相互作用的特殊机制，以及对生命过程潜在的有益的影响。研究纳米尺度的物质与生物体相互作用所产生的生物学和毒理学效应，其内容包括如下四个方面【5l】：①系统地研究纳米材料与生命过程相互作用的共性规律，如生物屏障对纳米粒子的防御能力，纳米粒子进入体内的关键途径和机制：进入体内后纳米粒子的特殊行为，在各种体液环境下纳米粒子的动态变化和它引发的生物体内局部微环境的变化及其与疾病的关联；特殊生物化学行为所引发的纳米毒理效应，建立体内纳米粒子的实时、定量检测的创新性方法。②研究不同纳米粒子、不同剂量、不同暴露途径下的毒代动力学、作用靶器官的变化、引发的机体应激反应等，即研究和寻找纳米材料毒性的生物标志物。⑨研究构建纳米安全性模型或半经验模型，发展相应地纳米生物效应数值分析方法。④探索能否实现纳米生物效应的模型预测。碳量子点本身不含有毒元素；裸的碳量子点或经修饰后含有羟基、羰基等水溶性基团，便于进入生物体内环境而流通通畅；具有与量子点相媲美的光稳定性、无闪烁等荧光特性。因此，碳量子点成为生物荧光成像领域极具应用前景的纳米材料。1．8本论文工作内容及意义碳量子点作为一种新发现的量子点材料，具有低毒和生物相容性高等特点。开发新型碳量子点合成方法，探索其光学性质机理，拓展其化学、生物和医学应用具有重要的学术价值和实际意义。本工作的内容主要分为以下两个部分：第一部分，使用改进的Hummers法合成的氧化石墨，与氨水相互作用，达到掺氮的目的，在水热条件下使其达到量子尺寸，并对粗制的石墨烯量子点进行透析离心等纯化后，研究其荧光性质，探究了其电催化活性和用于重金属铜 万方数据第一章绪论离子的定量检测。第二部分，利用EDTA作为碳源和氮源，一步水热合成氮掺杂碳点。该法合成的碳点，所含极性基团多，因此可大大提高碳点的水溶性，经过过滤、干燥后研究其荧光性质，并将其用于生物荧光成像，研究了碳点的毒理作用和生物效应。此外，还利用X射线光电子能谱(XPS)、荧光和紫外等光谱手段探究水热过程中碳点生成的机理。同时制备了裸碳点和和包覆的氮掺杂碳点，通过研究其紫外、荧光等光学性质，讨论了荧光机理。本论文合成了两种不同的氮掺杂的碳量子点，通过对形成机理、荧光机理的探讨，有利于指导合成高产率、光学性能优良的碳量子点；将合成的碳量子点尝试用于分析检测和生物成像领域，展示了碳纳米材料广阔的应用前景。 万方数据第一章绪论参考文献[1】MichaletX，PinaudFF，BentolilaLA，eta1．Quantumdotsforlivecells，invivoimaging，anddiagnostics．Science，2005，307(5709)：538-544．【2】HarrisDK，AllenPM，HartHS，eta1．Synthesisofcadmiumarsenidequantumdotsluminescentintheinflared．JoumaloftheAmericanChemicalSociety,2011．133(13)：4676．4679．【3】MurrayCB，NorrisDJ，BawendiMCtSynthesisandcharacterizationofnearlymonodisperseCdE(E=sulfur,selenium，tellurium)semiconductornanocrystallites．JournaloftheAmericanChemicalSociety,1993，】15(19)：8706-8715．【4】NaddoT，CheY’Zhangw：eta1．Detectionofexplosiveswithafluorescentnanofibfilfilm．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2007．129(22)：6978—6979．【5】LiJ，KendigCE，NesterovEE．Chemosensoryperformanceofmolecularlyimprintedfluorescentconjugatedpolymermaterials．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2007，】29(511：1591l一15918．[6】TuR，LiuB，WangZ，eta1．Amine—cappedZnS—Mn”nanocrystalsforfluorescencedetectionoftraceTNTexplosive．Analyticalchemistry，2008，80(9)：3458—3465．【7】KlostranecJM，ChanWCW．Quantumdotsinbiologicalandbiomedicalresearch：recentprogressandpresentchallenges．AdvancedMaterials，2006，18(15)：l953-1964．【8】王绪美．荧光纳米材料的合成制备、性质表征和应用研究【博士学位论文】．吉林：吉林大学，2012．【9】NumponInsin，JosephB．Tracy，HakhoLee．Incorporationofironoxidenanoparticlesandquantumdotsintosilicamicrospheres．ACSNano，2008，2(2)：197-202．【10】HuangCC，LiaoHYShiangYC，etai．Synthesisofwavelength-tunableluminescentgoldandgold／silvernanodots．JournalofMaterialsChemistry,2009，l9(6)：755．759．【1】]WuZK，JosephSH，JinRC．One-potsynthesisofatomicallymonodisperse，thiol-functionalizedAu25nanoculusters．JournalofMaterialsChemistry,2009，19(5)：622-626．【12】GuoC，IrudayarajJ．FluorescentAgclustersviaaprotein-directedapproachasaHg(11)ionsensor．Analyticalchemistry,201l，83(8)：2883—2889．【13】GonzalezBS，RodriguezMJ，BlancoC，eta1．OnestepsynthesisofthesmallestphotoIuminescentandparamagneticPVP-protectedgoldatomicclusters．Nanoletters，2010，10(10)：4217-422】．[14】XuX，RayR，GuY，eta1．Electrophoreticanalysisandpurificationoffluorescentsingle-walledcarbonnanotubefragments．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2004，l26(40)：l2736·l2737．[15】XuY，WuM，LiuY，eta1．Nitrogen-dopedcarbondots：afacileandgeneralpreparation16 万方数据第一章绪论method，photoluminescenceinvestigation，andimagingapplications．Chemistry-AEuropeanJournal，2013，19(7)：2276·2283．【16】XuY，WuM，FengXZ，eta1．Reducedcarbondotsversusoxidizedcarbondots：photo—andelectrochemiluminescenceinvestigationsforselectedapplications．Chemistry—AEuropeanJournal，2013，】9(20)：6282-6288．【】7】WangX，QuK，XuB，eta1．Multicolorluminescentcarbonnanopartieles：Synthesis，supramolecularassemblywithporphyrin，intrinsicperoxidase-likecatalyticactivityandapplications．NanoResearch，2011，4(9)：908—920．【l8】JoaquimC．GEstevesdaSilva,HelenaM．R．eta1．Analyticalandbioanalyticalapplicationsofcarbondots．TrendsinAnalyticalChemistry．2011，30(8)：1327-1336．[19】LiY，HuY，ZhaoYeta1．Anelectrochemicalavenuetogreen—luminescentgraphenequantumdotsaspotentialelectron—acceptorsforphotovoltaics．AdvancedMaterials，2011，23(6)：776-780．[20】YuC，LiX，ZengF，eta1．Carbon-dot·basedratiometricfluorescentsensorfordetectinghydrogensulfideinaqueousmediaandinsidelivecells．ChemicalCommunications，2013，49(4)：403-405．【21】PanD，ZhangJ，LiZ，eta1．Hydrothermalroutefortuninggraphenesheetsintoblue·luminescentgraphenequantumdots．AdvancedMaterials，2010，22(6)：734-738．【22】LuJ，YangJ，WangJ，eta1．One-potsynthesisoffluorescentcarbonnanoribbons，nanoparticles，andgraphenebytheexfoliationofgraphiteinionicliquids．ACSnano，2009，3(8)：2367—2375．[23】SuCYLuAY，XuY，eta1．High—qualitythingraphenefilmsfromfastelectrochemicalexfoliation[J]．AcsNano，2011，5(3)：2332-2339．【24】ChenX，WuGChenJ，eta1．Synthesisof“clean”andwell-dispersivePdnanoparticleswithexcellentelectrocatalyticpropertyongrapheneoxide．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011，133(11)：3693-3695．【25】WangH，ZhangQ，ChuX，eta1．Grapheneoxid·peptideconjugateasanintracellularproteasesensorforcaspase·3activationimaginginlivecells．AngewandteChemieInternationalEdition．2011，50(31)：7065-7069．【26】Ching-YuanSu，Ang—YuLu，YanpingXu，ela1．High—qualitythingraphenefilmsfromfastelectrochemicalexfoliation．ACSNano，2011，5(3)：2332-2339．[27】WangXYGaoA，LuCC，eta1．AnelectrochemiluminescenceaptasensorforthrombinusinggrapheneoxidetoimmobilizetheaptamerandtheintercalatedRu(phen)’”probe．BiosensorsandBioelectronics，2013，48：120-】25．【28】ChenX，WuGJiangY，eta1．Grapheneandgraphene-basednanomaterials：thepromisingmaterialsforbrightfutureofelectroanalyticalchemistry．Analyst，2011，136(22)：4631-4640．【29】AmitJaiswal，SiddharthaSankarGhosh，ArunChartopadhyay．OnestepsynthesisofC·dotsbymicrowavemediatedcaramelizationofpoly(ethyleneglyc01)．ChemicalCommunications，20】2，48f3)：407—409．17 万方数据第一章绪论[30]LiuH，YeT，MaoC．Fluorescentcarbonnanoparticlesderivedfromcandlesoot．AngewandteChemieInternationalEdition，2007，46(34)：6473—6475．[31]XiuY，GaoQ，LiGD，eta1．Preparationandtunablephot01uminescenceofcarbogenicnanoparticlesconfinedinamicroporousmagnesium-aluminophosphate．InorganicChemistry,2010．49(131：5859-5867．[32]RaySC，SahaA，JanaNR，eta1．Fluorescentcarbonnanoparticles：synthesis，characterization，andbioimagingapplication．TheJournalofPhysicalChemistryC，2009，113(43)：18546-18551．[33]HanTH，HuangYK，TanATL，eta1．Steametchedporousgrapheneoxidenetworkforchemicalsensing．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011，133(39)：15264·15267．[34]PanD，ZhangJ，Liz，eta1．Hydrothermalrouteforcuringgraphenesheetsintoblue—luminescentgraphenequantumdots．AdvancedMaterials，2010，22(6)：734-738．[35]ZhangB，LiuC，LiuY．Anovelone-stepapproachtosynthesizefluorescentcarbonnanoparticles．EuropeanJournalofInorganicChemistry,2010，2010(28)：4411．4414．[36]LiuS，TianJ，WangL，eta1．Hydrothermaltreatmentofgrass：Alow-cost，greenroutetonitrogen·doped，carbon—rich，photoluminescentpolymernanodotsasaneffectivefluorescentsensingplatfonnforlabel-freedetectionofCu(II)ions．AdvancedMaterials，2012，24(15)：2037．2041．[37]ZhuC，ZhaiJ，DongS．Bifunctionalfluorescentcarbonnanodots：greensynthesisviasoymilkandapplicationasmetal-freeelectrocatalystsforoxygenreduction．ChemicalCommunications，2012，48(75)：9367-9369．[38]LiY，ZhaoY，ChengH，eta1．Nitrogen-dopedgraphenequantumdotswithoxygen-richfunctionalgroups．JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011，134(1)：15—18．[39]LiY，HuY，ZhaoY，eta1．Anelectrochemicalavenuetogreen-luminescentgraphenequantumdotsaspotentialelectron-acceptorsforphotovoltaics．AdvancedMaterials，2011，23(6)：776—780．[40]Maz，MingH，HuangH，eta1．One·stepultrasonicsynthesisoffluorescentN-dopedcarbondotsfromglucoseandtheirvisible—lightsensitivephotocatalyticability．NewJ．Chem．，2012，36(4)：861-864．[41]钱鸿森．微波加热技术及应用．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1985．[42]张俊英，张中太．材料导报，2001，15(5)：21．[43]ZhuH，Wangx，LiY’eta1．Microwavesynthesisoffluorescentcarbonnanoparticleswithelectrochemiluminescenceproperties．ChemicalCommunications，2009(34)：5118·5120．[44]DeSilvaAP，GunaratneHQN，GunnlaugssonT，eta1．Signalingrecognitioneventswithfluorescentsensorsandswitches．ChemicalReviews，1997，97(5)：】515-1566．[45]ZhouL，LinYHuangZ，eta1．Carbonnanodotsasfluorescenceprobesforrapid，sensitive，andlabel．freedetectionofHg斗andbiothiolsincomplexmatrices．ChemicalCommunications，2012，48(8)：1l47—1】49．[46]YuanD，Yuanx，ZhouS，eta1．N—dopedcarbonnanorodsasultrasensitiveelectrochemical18 万方数据第一章绪论sensorsforthedeterminationofdopamine．RSCAdvances．2012．2(2¨：8157．8163．[47]MaoY，BaoY，YanL，eta1．pH—switchedluminescenceandsensingpropertiesofacarbondot-polyanilinecomposite．RSCAdvances，2013，3(16)：5475—5482．f48]ShiwLiX．MaH，eta1．AtunabieratiometricpHsensorbasedoncarbonnanodotsforthequantitativemeasurementoftheintracellularpHofwholecells．AngewandteChemieInternationalEdition，2012．124(26)：6538．6541．[49]、，uC，LiX，ZengF，ela1．Carbon—dot—basedratiometricfluorescentsensorfordetectinghydrogensulfideinaqueousmediaandinsidelivecells．ChemicalCommunications，2013，49(4)：403-405．[50]YuH，ZhangH，HuangH，eta1．ZnO／carbonquantumdotsnanocomposites：one—stepfabricationandsuperiorphotocatalyticabilityfortoxicgasdegradationundervisiblelightatroomtemperature．NewJournalofChemistry,2012，36(41：1031．1035．[51]中国科学院．未来10年中国学科发展战略·纳米科学．北京：科学出版社，2011．56．60．19 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索2．1引言石墨烯是由石墨剥落的只有一个碳原子厚度的单层碳材料。它具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。量子点指的是粒子半径小于本身的波尔半径，一般10nm以下的都被称为量子点。石墨烯量子点(graphenequantumdots)作为一种碳量子点，兼具了石墨烯的优点且具有量子尺寸效应，具有大的比表面积、高的电子传输效率、优越的机械灵活性和热／化学稳定性。使用改进的Hummers法可以合成氧化石墨。氧化石墨不稳定[1l，在温和的加热条件下容易发生反应从而被还原。据此，可以用氨水与含有众多含氧基团的氧化石墨先在超声条件下使后者剥离、部分还原，将氮元素掺杂进入碳骨架，再用水热方法使其还原、粒径变小，从而达到量子尺寸，得到氮掺杂的石墨烯量子点。据文献报道，重金属离子由于自己独特的电子结构，可以和荧光碳量子点表面的某些基团络合，带来荧光的猝灭【2，⋯41。在本工作中尝试了将合成的石墨烯量子点用于铜离子的定量检测。此外，文献中报道，氮元素的掺杂可以带来显著的电催化效果[31，因此我们还考察了制备的石墨烯量子点对多巴胺的电催化效果。2．2实验部分2．2．1仪器和试剂主要仪器：超声机，购自宁波新芝生物科技股份有限公司，型号为SBl200。透析袋，截流分子量3500，MD34rnln，产地美国。透射电子显微镜图像由TecnaiG2F20，FEICo．(美国)测量，加速电压为200kV。红外表征使用布鲁克公司的TENSOR27傅立叶变换红外光谱仪。产物溶液状态的荧光均用HitachiFL一4500 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制各及应用探索分子荧光光谱仪(日立公司，日本)测定。LK98BII型微机电化学分析系统(兰力科高科技有限公司，天津)。采用传统的三电极体系：铂丝电极为对电级；Ag／AgCI／KCI(饱和)为参比电极；直径2ITIIn的玻碳电极为工作电极，实验过程中会对其表面进行修饰。使用前对玻碳电极进行处理：用0．3和O．5lam的氧化铝粉末打磨成镜面并用超纯水冲洗后，电极在0．5MH2S04溶液中于一0．3---+1．0v电压范围内进行循环伏安扫描至出现可重现的循环伏安曲线。主要试剂：高纯水(18．2MQcm)采用WaterPro水纯化系统(LabeoneoCorporation，KansasCity，Mo，USA)制作。合成所用试剂：石墨粉(45pm)购自河南内乡县板厂；浓H2S04、浓氨水(25％)购自北京化工厂，30％H202购白天津市北方天医化学试剂厂；K2S208、KMn04购白天津市福晨化学试剂厂，P20，购自天津市化学试剂六厂，且均为分析纯。2．2．2氧化石墨的合成以石墨粉为原料，采用改进的Hummer’S法【4J制备氧化石墨(GO)。具体做法是：洗净烘干的100mL三颈瓶在机械搅拌装置上固定好，依次称取石墨粉0．3g、K2S208O．5g、P2050．5g(注意：P205易吸潮，要快速称取)，小心快速地加入三颈瓶底部，用5mL浓H2S04冲洗粘在避上的固体药品。打开机械搅拌，调至中高速，反应瓶置于油浴中，待温度稳定至80℃时开始计时。80℃油浴反应4h后撤去油浴，继续搅拌到反应体系冷却至室温。加入50mL高纯水，过滤、洗涤。此步是石墨的预氧化过程。将预氧化产物重新置于洗净烘干的三颈瓶中，加入12mL浓H2S04，冰浴，搅拌。称取1．5gKMn04慢慢加入，于20～25min加完，保温35℃，反应2h。分两次加入蒸馏水，先滴加25mL蒸馏水，然后继续加入70mL蒸馏水(慢慢加入，但不必滴加)。滴加30％H202至溶液变为明亮的黄色。上述过程，一直保持中高速机械搅拌。粗产物过滤，用lL稀盐酸(V：V=I：10)洗涤多次。洗涤后的棕黄色黏稠液体用截流分子量为3500的透析袋透析3天，每半天换一次水。得到的即为氧化石墨分散液，冷冻干燥后得到黄褐色固体。2．2．2氮掺杂石墨烯量子点的合成冷冻干燥后的氧化石墨加入蒸馏水，配制成lmg／mL的分散液。取5mL该 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索分散液加入100pL浓氨水，超声(300W40kHz)20h，记作“GO-N”；另取5mL氧化石墨分散液加入100pL浓氨水，相同环境下静止放置20h，此为对照组，记作“GO．N对照”。20h后将两个样品置于截流分子量3500的透析袋中，透析3天，每半天换一次水。透析过程由于样品的渗透压不同，导致透析袋内溶液的含水量不同，浓度会出现差别。所以，将透析后的样品于55℃旋蒸，一方面可以进一步除去残留的氨，另一方面旋蒸后得到固体便于下一步准确定量。取各自旋蒸后的固体10mg，分别加入10mL蒸馏水，移入容积为30mL的聚四氟乙烯为内胆的密封高压釜内，110℃下水热24h。水热产物用0．22gm的水相滤膜过滤以除去大的颗粒，滤液即为氮掺杂石墨烯量子点溶液，分别记为“N．GQDs”和“N．GQDs对照”。溶液超声10min后，测荧光。2．2．3对多巴胺的电化学催化性能考察因为最终合成的氮掺杂石墨烯量子点产率很低，考虑用水热前的半成品“GO．N”进行对多巴胺的电化学催化实验，步骤如下：(1)用蒸馏水配制浓度为10mM的多巴胺(DA)浓溶液，迅速用pH5．8的PBS缓冲溶液稀释至1mM、500I．tM、100gM、50pM不同浓度的DA溶液。f2)4根玻碳电极用氧化铝粉末打磨，使电极在铁氰化钾溶液中扫描时的峰位差小于80mV，再在0．5MH2S04溶液中于一0．3一1．0V电压范围内进行循环伏安扫描至出现可重现的循环伏安曲线。用这些裸玻碳电极对上述各浓度DA样品进行循环伏安扫描。参数设置为：扫描电压范围：一0．2～0．6V，扫速：50mV／s，灵敏度：10uA。(3)取“GO—N”5“L滴涂在电极上，空气中放置2h，让其自然风干后，重复上步实验操作，测定新配的上述浓度的DA溶液。2．2．4检测铜离子水热后的氮掺杂石墨烯量子点样品，旋蒸浓缩2．2倍。用逐级稀释法配制不同浓度的cu2+溶液。每个离心管中加入o．8mL石墨烯量子点浓缩液和等体积的Cu2+溶液(或蒸馏水)，使最终待测样品中的Cu2+浓度依次为0，0．5／aM，1gM，5pM，10“M，15pM，50laM，100gM，500gM，1mM，快速测定它们的荧光。 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索先测空白样品，其余样品现配现测。2．3实验结果与讨论2．3．1产物的结构和构成表征实验中氧化石墨(GO)合成的成功与否，对最终氮掺杂石墨烯量子点的形成至关重要。因此，对制备的氧化石墨进行了红外表征。如图2．1所示，由于原料石墨只含有碳元素，而对它进行两步氧化后得到的黄褐色固体，在3494cm‘1处出现了宽峰，证明成功地将石墨中的部分碳氧化成了．OH和．COOH；1630cm’1和1518cm。处出现吸收，证明氧化产物中含有C—O．C和C—H结构。所以，我们成功地制备了氧化石墨。图2．1氧化石墨的红外谱图元素分析是对物质元素组成定量的重要手段。对氧化石墨和水热前的半成品(氧化石墨和氨水超声透析后的样品(GO．N)和此步的对照样品(GO．N对照))进行元素分析，测定结果如表2．1所示。氧化石墨可以认为不含氮元素。“GO—N”和“GO．N对照”的氮元素的质量百分含量分别为4．65％和3．46％，说．oc■_=严c■c■_I卜 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索明水热前氨水已经和氧化石墨发生了反应。和氧化石墨相比，对照组样品“GO—N对照”增加了氮元素，含量为3．46％，这是是因为1)氨和氧化石墨表面的羧基发生了化学反应：2)氧化石墨在与氨水混合放置过程中，存在一部分物理吸附。与对照组样品相比，实验组样品“GO．N”的含氮量为4．65％，比对照组高，这说明氨分子除了物理吸附、与羧基发生反应外，还包括相当于上述氨总量的约1／3掺杂进入了石墨的碳骨架中。这与我们实验前的设想是符合的：通过氧化石墨与氨水的超声，可以实现“氮掺杂”这一过程。表2．1水热前样品的CHN元素分析结果2．3．2产物的形貌表征氧化石墨在与氨水超声后，粒径仍为微米级，还不是目标石墨烯量子点。经过水热反应后，投入的原料大部分碳化形成团聚的“烟灰物”，用0．22Ixm的水相滤膜过滤，粒径大于0．22lam的粒子被除去，得到无色的澄清溶液。超声10min，取5止滴在超薄碳支持膜上，用透射电子显微镜(TEM)观测其形貌。如图2．2所示，水热后的碳纳米粒子分散良好，且粒径均在10nin以下，平均粒径为2．9nnl。说明通过水热成功地将碳材料的粒径变小，达到了量子级别。图2．2左下角为高倍TEM图，从图中可以观测到晶格的存在。因此，本实验成功的制备了氮掺杂的石墨烯量子点m．GQDs)。但是，文献报道的用氧化石墨水热法合成氮掺杂石墨烯或石墨烯量子点的产率都很低【5，叫，一般小于10％，而本实验制备的石墨烯量子点产率低于1％。 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索图2．2水热后产物N．GQDs的透射电镜图2．3．3产物的荧光性质水热后的实验组和对照组在超声10min后测其荧光。据文献报道，碳量子点的荧光光谱宽，且与激发波长有关【_71，其最大激发波长一般在320．380nln之间。如图2．3A所示，当激发波长从320nin、340nln到360nin按顺序增大时，“N．GQDs”的荧光发射峰红移，并且强度降低，最大激发波长为320nnl，对应的最大发射波长为454ntn，强度为1648。而“N．GQDs对照”水热产物的最大激发波长比实验组的波长要长，为340nin，对应的最大发射波长为463nlTl，强度为1091，远小于实验组的荧光强度。与对照组相比，激发波长相同的条件下N．GQDs的荧光发射蓝移，这与文献报道的结果也是一致的【9’l01。由于实验组和对照组的最强发射都在460nn'l附近，固定发射波长为460nin，如图2．3B所示，与前面的结果一致，N—GQDs的最大激发波长是小于对照的。荧光现在被认为是从LUMO到HUMO轨道的跃迁。LUMO．HUMO轨道的能隙随碳量子点的尺寸增大而降低，因而不同碳量子点粒子的混合物有不同的激发和发射谱峭J。另外，硼、氮、硫等杂原子的掺杂也会引起激发和发射谱的改变19'10J。以上荧光实验表明，一方面氮元素的掺杂会使荧光发射峰蓝移，这是由于氮具有高的电子亲和性一J，造成了氮掺杂位点处的电荷累积，引起了荧光发射25 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索峰蓝移；另一方面，由于氮的掺杂带来了荧光的增强。图2．3水热后产物N—GQDs和N-GQDs对照的荧光谱图：A．产物的荧光发射谱图B．产物的荧光激发谱图2．3．4对多巴胺的电催化性能考察氮元素的掺杂通常会产生更好的电催化活性【3】，因此考察了水热前样品的电催化性能。如实验步骤2．2．3所示，将水热前的“GO．N”和“GO．N对照’’样品滴涂在玻碳电极上，以多巴胺．磷酸缓冲溶液为底物，用循环伏安法考察制备的两个样品对不同浓度多巴胺的催化性能。实验发现，该电极体系对多巴胺在50gM．5009M的浓度范围里呈线性响应。但是，与裸电极相比，电极在滴涂样品后，电信号无明显增强，即电化学检测的灵敏度并无明显提高。2．3．5检测铜离子不加铜离子的氮掺杂石墨烯量子点N．GQDs为空白对照；加入铜离子，当铜离子的浓度在O．1mM浓度范围内变动时，图2．4A显示，随着铜离子浓度的增加荧光强度降低。这是因为重金属离子含有空轨道，是好的电子受体，当金属离子与碳量子点靠近时发生了电子转移，导致了体系的荧光猝灭【11J41。图2．4B显示，铜离子在O．5．50gM的浓度范围内，荧光强度的减小值与铜离子浓度呈线性关系，线性相关系数为0．995。 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制各及应用探索3000寻2000e91000O60001020304050concentratlon(1删)图2．4(A)铜离子对氮掺杂石墨烯量子点荧光的猝灭，铜离子浓度：0，0．5pM，1肛M，5州，10tiM，15}lM，50pM，100pM，500p．M，1mM。(B)铜离子浓度与荧光减小值的关系图：pH5．8磷酸缓冲溶液体系。2．4结论本工作成功地由氧化石墨与氨水超声、水热两步制备了水溶性的氮掺杂石墨烯量子点(N—GQDs)。与对照相比，掺杂氮元素后的石墨烯量子点荧光增强，发射峰蓝移。本工作还以多巴胺为底物考察了该量子点的电催化性能。最后，我们研究了重金属铜离子对N．GQDs的荧光猝灭效应，得出了相应工作曲线，线性响应范围为0．5-50p．M。 万方数据第二章氮掺杂石墨烯量子点制备及应用探索参考文献[1]HanTH，HuangYK，TanATL，eta1．Steametchedporousgrapheneoxidenetworkforchemicalsensing．JoumaloftheAmericanChemicalSociety,2011，133(39)：15264·15267．[2]QianZ，ZhouJ，ChenJ，eta1．NanosizedN·dopedgrapheneoxidewithvisiblefluorescenceinwaterformetalionsensing．JournalofMaterialsChemistry,201l，21(44)：17635-17637．[3]ShengZH，ZhengXQ，XuJY，eta1．Electrochemicalsensorbasedonnitrogendopedgraphene：Simultaneousdeterminationofascorbicacid，dopamineanduricacid．BiosensorsandBioelectronics．2012，34(1)：125-131．[4]YinS，ZhangY．KongJ，eta1．AssemblyofGrapheneSheetsintoHierarchicalStructuresforHigh—PerformanceEnergyStorage．ACSNano，201I，5(5)：3831·3838．[5]SaadA．Hasan，ElemK．Tsekoura，eta1．Evolutionofthecompositionandsuspensionperformanceofnitrogen-dopedgraphene．TheJournalofPhysicalChemistryC．2012．116：6530-6536．[6]PengJ，GaoW，GuptaBK，eta1．Graphenequantumdotsderivedfromcarbonfibers．NanoLeaers，20I2，12(2)：844—849．[7]EstevesdaSilvaJCGGon‘：alvesHMR．Analyticalandbioanalyticalapplicationsofcarbondots．TrACTrendsinAnalyticalChemistry,2011，30(8)：1327·1336．[8]LiH，HeX，KangZ，eta1．Water-solublefluorescentcarbonquantumdotsandphotocatalystdesign．AngewandteChemieInternationalEdition，2010，49(26)，4430·4434．[9]TetsukaH，AsahiR，NagoyaA，eta1．OpticallyTunableamino-functionalizedgraphenequantumdots．AdvancedMaterials，2012，24(39)：5333—5338．[10]DongY，PangH，YangHB，eta1．Carbon·baseddotsCO·dopedwithnitrogenandsulfurforhighquantumyieldandexcitation-independentemission．AngewandteChemieInternationalEdition，2013，52(30)：7800-7804．[11】QianZ，ZhouJ，ChenJ，eta1．NanosizedN—dopedgrapheneoxidewithvisiblefluorescenceinwaterformetalionsensing．JoumalofMaterialsChemistry,20】1，21(44)：17635—17637．【12]QuK，WangJ，RenJ，eta1．Carbondotspreparedbyhydrothermaltreatmentofdopamineasaneffectivefluorescentsensingplatformforthelabel-freedetectionofiron(III)ionsanddopamine．Chemistry—AEuropeanJournal，2013，19(22)：7243．7249．[13]ZhuS，MengQ，WangL，eta1．Highlyphotoluminescentcarbondotsformulticolorpatterning，sensors，andbioimaging．AngewandteChemieInternationalEdition，2013，125(14)：4045·4049．[14】WuPYanXRNi”-modulatedhomocysteine—cappedCdTequantumdotsasaturn—onphotoluminescentsensorfordetectinghistidineinbiologicalfluids．BiosensorsandBioelectronics，2010，26(2)：485．490．28 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用3．1引言碳点由于其卓越的物理特性【1。31，引起了生物传感、催化和生物成像应用研究领域的极大观注。研究人员使用各种各样的含碳的材料来制备碳点，如石墨【4．7】、碳纳米管⋯01、烟灰[11-131等；同时还使用了各种技术，如放电、激光刻蚀、化学和电化学氧化等。另外，分子前体的热分解和脱水也被使用来合成碳点。但是，到目前碳点的产率一直很低[4-21】。因而仍然有大规模合成碳点的需求。另一方面，碳点的形成和荧光机理还不明确。其一，据文献报道，在碳点中掺杂氮元素可以增强碳点的荧光，便于后续应用【14,15,22-24】。研究碳点的形成机理可以指导优化条件、简化制备过程，从而提高效率和产率。其二，提高碳点的荧光发射强度对于实际应用非常重要。在碳点应用方面，以往文献报道的多是将碳点应用于细胞成像【25’26J，通过成像研究碳点在生物体内毒性、转移和分布的情况还存在缺失，这延缓了将碳点用于临床的进程。乙二胺四乙酸二钠(EDTA)作为常用的含氮金属络合剂，具有便宜易得、无毒的特点，其在水热过程中有可能生成新的碳核、氮原子有可能重新排列，由此便可以达到不用钝化剂即可掺杂氮元素的目的。因此，本工作提出了用EDTA作为前体、采用一步水热法合成氮掺杂碳点(N．Cdots)的简便方法，使碳点的产率达到了78％。通过x射线光电子能谱(XPS)、荧光(FL)等手段跟踪了其形成过程，提出了碳点的形成机理，认为碳点形成过程中有限的聚合带来了它的高产率。本工作将制备的氮掺杂碳点用于斑马鱼体内成像，对它在斑马鱼体内的生物效应和毒理作用进行了研究，证明了该氮掺杂碳点用于生物体内荧光成像的低毒性和良好的生物相容性。3．2实验部分3．2．1仪器和试剂 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用主要仪器：透射电子显微镜图像由TecnaiG2F20，FEICo．(美国)测量，加速电压为200kV。碳点的粒径分布是由电镜图像上超过200个纳米粒子的计数获得。红外表征使用布鲁克公司的TENSOR27傅立叶变换红外光谱仪。X射线光电子能谱(AxisUltraDLD，英国KratosAnalyticalLtd．生产)。样品的固态和溶液状态的荧光均用HitachiFL．4500分子荧光光谱仪(日立公司，日本)测定。碳点的紫外．可见吸收光谱由日本岛津公司的UV-2450紫外．可见光谱仪获得，使用石英比色池：lcmxlcm。用装有数码相机的荧光显微镜(OlympusBX51，日本)观察喂食碳点的斑马幼鱼的形态。主要试剂：高纯水(18．2MQcm)采用WaterPro水纯化系统(LabeoneoCorporation，KansasCity，Mo，USA)制作。合成所用试剂：D．(+)．葡萄糖(购自Sigma)，乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、乙酸和乙二胺购白天津市北方天医化学试剂厂，乙醇胺购白天津市福晨化学试剂厂。所用试剂除特别说明外均为分析纯。3．2．2碳点的制备3．2．2．1由EDTA制备氮掺杂碳点称取lgEDTA，加入10mL去离子水，超声使其溶解而形成无色溶液。该溶液10mL移入容积为30mL的聚四氟乙烯为内胆的密封高压釜内，于200。C恒温下反应1～12h。自然冷却至室温，打开反应釜，得到黄色均一溶液，肉眼看无明显沉淀。之后用0．22lam的水相滤膜过滤以除去大的颗粒，滤液即为氮掺杂碳点溶液。最后将此溶液于冰箱一20℃下冷冻成固体后送去真空冷冻干燥，得到黄色固体。干燥的固体样品重新溶于水后即可方便地用于后面的各种应用。3．2．2．2裸碳点和包覆的氮掺杂碳点的制备作为对照，用不含氮元素的葡萄糖为碳源制备不掺杂氮的裸碳点；用EDTA作碳源，但是使用乙醇胺作包覆剂制备包覆的氮掺杂碳点。具体地，120mg葡萄糖(0．667mmole)或者248mg(0．667mmole)EDTA加乙醇胺100此分别溶于去离子水，定容为10mL水溶液。它们的无色溶液移入容积为30mL的聚四氟乙烯为内胆的密封高压釜内，于200。C恒温下反应12h。 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用3．2．3以斑马鱼为模型的氮掺杂碳点生物探针3．2．3．1斑马鱼体内荧光成像实验所用均为AB纯系斑马鱼。斑马鱼养殖于水循环系统中，温度维持在28．5oc，并严格控制每天14h光照／10h黑暗。雌性成年斑马鱼和雄性成年斑马鱼以l：2比例配对产卵，在自然孵化的大量鱼卵中挑选出正常发育的鱼卵，于28．5。C恒温箱中培养，阶段以受精后的小时数(hpf)计。所有涉及到斑马鱼的操作过程均被南开大学动物保健机构委员会认可为规范操作。所有收集到的鱼卵均在含有O．003％苯基硫脲(PTU，Sigma．Aldrich，St．Louis，MO，USA)的鱼水中培养72hpf，并且每天更换该培养液，其中PTU为色素抑制剂。72hpf的时候将上述AB纯系斑马鱼胚胎移入24孔板，每孔8．10个胚胎，加入碳点溶液。培养8h后用普通鱼水冲洗3次除去多余的碳点。将洗干净后的幼鱼胚胎置于载玻片并固定在荧光显微镜的载物台上，470．490nm波长的光激发、515nm光通道下收集荧光图象。3．2．3．2斑马鱼胚胎的生物毒性研究72hpf的AB纯系斑马鱼胚胎移入24孔板，每孔8．10个胚胎，加入0-5mg／mL不同浓度的碳点溶液孵化8h。收集胚胎检测碳点在斑马鱼体内的生物毒性。所有的毒性实验分别在相同实验条件下重复4次。3．2．4氮掺杂碳点的固体荧光200gL的氮掺杂碳点溶液(100mgmL。1)滴涂在预先清洗好的载玻片上，滴涂面积2x2cm。冷冻干燥后，载玻片上就覆盖了干燥的固体碳点，立刻测量它的初始荧光值。然后，将其暴露在不同湿度下的周围空气中，每隔一段时间检测其荧光变化情况并做好记录。3．2．5量子产率测定实验使用0．1MH2S04作溶剂的硫酸奎宁溶液(在360nlTl激发下的已知量子产率为54％)作为标准物，按照以下方程计算碳点的量子产率：中、2msld(I。／I。td)(T1。／”。td)(A。ld／A、) 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用式中m表示量子产率，I表示紫外吸收强度的测量值，11表示溶液的折射率，A表示荧光发射强度的测量值。下标std指已知量子产率的荧光染料硫酸奎宁标准物。为了最大地减小再吸收效应，确保标准样品和待测样品在360nnl处的紫外吸收值均低于0．05。3．3实验结果与讨论3．3．1产物基本形貌及结构表征EDTA水热12h得到我们的氮掺杂碳点(N．Cdots)。我们用透射电子显微镜(TEM)研究它们的粒径和形貌。如图3．1所示，N—Cdots表现出良好的分散性(图3．1A)，并且通过大于200个粒子的统计，得出平均粒径是3．42nti!(图3．1B)。从图3．1A的高倍电镜小图可以清楚地观察到N—Cdots的晶格，测量其间距为o．21nnl，与石墨的(100)晶面相吻合。这证明了制备的N—Cdots的sp2碳结构的存在。为了研究制备碳点的官能团情况，我们还对其进行了傅立叶红外表征，如图3．1C所示。谱图中3423cm一处出现了宽峰，为O．H或N．H的伸缩振动峰；1632cmJ处的强吸收峰证明了C=O基团的存在。而1402和1081cm’1分别为C．O．C和C．NH．C的吸收峰。此外，x射线光电子能谱(XPS)是一种表面分析技术，采样深度为l～12nm，可对样品表面的微区选点分析，常被用来分析纳米材料。不同元素原子内壳层的结合能不同；同一元素化学结合状态以及化学环境不同，结合能也会不同，从而导致光电子峰出现位移。所以，可以通过XPS结果得知材料所含的元素及各元素原子的成键方式。XPS可以测定各元素的相对浓度，因此可在一定程度上作为定量分析的依据。图3．1D为N．Cdots的x射线光电子能谱宽谱，宽谱显示，本实验所制备的碳点含有碳、氧、氮、钠元素(XPS不能测定氢元素)。碳氧氮三种元素的相对百分含量分别为61．01％，28．05％，6．33％。将同种元素光电子能谱范围的图谱放大，即得到相应元素的XPS窄谱。表3．1中列出了不同水热时间的clS和N1S窄谱的拟合图。C1s拟合后在284．6．287．5．and289．4eV的三个峰归属于C．C／C=C，C—O，C=O。Nls拟合后在398．7eV和400．9eV的两个峰为吡啶氮，石墨氮或吡咯氮的峰[27,281。这些数据说明氮元素掺杂进入了碳点形 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用成了C=N键。因此，本实验所制备的N．Cdots含有包含C=N成分的芳香结构，并且在碳点的表面存在羰基、羧基和胺基基团。BaVerag尚dia1、et≥r：3．42nm]]厂1h300400500600700Wavelength(nm)图3．1N—Cdots的(A)透射电镜图(内部：高倍电镜图)(B)粒径分布(计数大于200个纳米粒子)(c)傅立叶变换红外光谱图(D)XPS谱图(E)紫外一可见和荧光光谱图：激发波长从320nm到520nm，以20啪为间隔。内部小图为在365niii紫外灯照射下的氮掺杂碳点溶液照片。3．3．2产物光学性质表征水热后的产物用0．22pm的滤膜过滤除去大粒子，超声10min后测其紫外吸收或荧光发射。在本实验所制备的N．Cdots的紫外．可见光谱图中观察到了显著的变化(图3．1E)。位于大约275nln处的吸收峰对应芳香sp2杂化的7c．兀木跃迁，证明了芳香环的存在‘11。位于大约330nnl处的吸收带与表面吸收有关15,7]。∞ocoQ们∞ko三L∞o巧孙惦∞的o 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用表3．1Cls和N1s拟合谱图：各种元素的成键结合能、含量；不同水热时间得到的产物在不同激发波长下荧光发射谱图。(A)1h；(B)4h；(C)8h；(D)12h。】h4h8h12hC1Sa．284．78eV：66．91％b．287．49eV：11．12％C．288．12eV：21．97％a．284．63eV：71．76％b．287．23eV：14．51％C．288．36eV：14．33％a．284．37eV：76．38％b．287．23eV：19．46％C．289．01eV：4．16％a．284．27eV：75．70％b．287．17eV：20．84％C．289．08eV：3．47％N1sBiftdingEnergy(oVI口。“o‘“口t“o‘gylev)鲫o。“口‘ⅢgYt。。，BindingEnergy(IV)a．398．37eV：27．20％a．398．35eV：40．79％a．398．38eV：37．27％a．398．39eV：36．52％b．400．85eV：72．80％b．400．73eV：59．21％b．400．60eV：62．73％b．400．55eV：63．48％一u_口o．型iEoZ1．00．80．60．4O．2雹400500600700800硝nm)图3．2以20P_ITi为间隔增大激发波长的归一划荧光谱图研究N．Cdots的荧光光谱图发现，此碳点溶液的荧光发射随激发波长的改变而改变，并且发射峰随激发波长的增大而红移(图3．1E和图3．2)，即展现出多彩的性质[7,14-15,29】。以20nnq为间隔逐渐增大激发波长的过程中，当激发波长在{；t一，{●l∞oi●l#●s^■kLF 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用320．360nm范围内改变时，荧光发射峰的强度也增强，此后发射峰的强度降低【lj，71。当激发波长为360B1TI时，在457nm出现最大荧光发射峰，对应的斯托克斯位移为97nlTl。在365nlTl紫外灯下可以观察到碳点溶液发出明亮的蓝色荧光。此外，我们还测定了N．Cdots的量子产率。按照文献所述，使用硫酸奎宁作为标准物测得该氮掺杂碳点的荧光量子产率为17．5％(表3．2)。表3．2N．Cdots的荧光量子产率3．3．3碳点形成机理探讨为了探究N—Cdots的形成机制，将EDTA在200℃水热1，4，8，12h。得到的产品在冷冻干燥后测其XPS谱图(表3．1)。在XPS的C1S谱中，289eV处的信号归属于羰基。随着水热时间的增长，由于去氧化反应【5’l21，羰基峰的强度从21．97％下降到3．47％。但是，284．4eV和287．2eV处的信号却都增强。这表明C．C／C=C和C．0基团的逐渐增加。由XPS图谱还可以得知，反应产生了吡啶氮和吡咯氮，表明反应过程中发生过重排，最终形成了掺杂氮元素的碳点。所有不同时间的水热产物都具有随激发波长变化而发射峰也改变的荧光性质，并且最强发射峰都在460nln附近(表3．1)。水热时间从1h增长到8h，产物的荧光最大发射强度增强；8h到12h，荧光强度相对稳定。这说明碳点在这个过程中逐渐形成了。而且水热时间由4h到8h，12h的碳点荧光在320nln激发下强度降低而在420nlll激发下强度增强，并且出现红移的现象。另一方面，碳点的荧光是具有尺寸效应的，并且随着粒径的增大会出现红移[7,8,18】。因此上述现象说明碳点粒径在水热过程中逐渐增大。但是，我们在对各不同水热时间产物逐级稀释的过程中，发现水热12h的碳点荧光强度下降得更慢(图3．3)；荧光也比水热8h的碳点更稳定。这是因为从8h到12hN—Cdots重排，使得碳点的表面能级阱趋于稳定，表面缺陷降低，形成了所谓的老化的碳点【7,8,18】。 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用B1600800400qnm)“nm)图3．3EDTA水热不同时间产物典型的(A)紫外和(B)在360nm激发下的荧光光谱图：所测样品均为水热原溶液稀释10倍。据此，本文提出了N．Cdots形成的机理，它的形成经历3个阶段：分解，聚合，碳化(图3．4)。如图3．4a，第一阶段，EDTA分解脱去一个或多个羧基形成含端胺基或羧基的有机物。这些含．NH2和．COOH的中间产物通过分子间酰胺键形成聚合物，从而形成大的网状聚合物【1-3,24】，此为第二个阶段，如图3．4b所示。也就是说，在形成碳点之前，前体经历了一个分解、重排过程，这与XPS的检测结果是相吻合的。为了进一步探究这个理论假设的合理性，我们设计了乙二胺和乙酸以摩尔比1：4在同样的条件下水热8h的实验，成功地得到了碳纳米粒子，并且发现它与以EDTA为前体得到的N．Cdots具有相似的多彩荧光特征，如图3．5所示。这证明了从EDTA的分解产物到氮元素整合、嵌入碳网络结构这个过程发生的可能性。之后，第二个阶段中形成的聚合物经历第三阶段，即碳化．老化的过程形成小的碳点，它们相互联结形成最终的氮掺杂碳点(N．Cdots)。与杨课题组以乙二胺和柠檬酸为原料【24J相比，本工作选用的EDTA同时含有胺基和羧基，这因而简化了制备过程；因此，诸如像乙二胺和柠檬酸的原料比例优化也就没有必要了124|。36O6284O21O一．：。曙一ooc矗D．Io-口《A 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用图3．4N—Cdots的分解、聚合、碳化形成机理。(a)EDTA的分解；(b)聚合生长过程；(c)碳化一老化，形成N—Cdots．400500600700800j．Inm)图3．5乙二胺和乙酸(摩尔比1：4)为前体水热8h后的荧光光谱图。图3．6EDTA不同水热时间产物过膜前(A)后(B)的照片37 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用图3．7以不同浓度的EDTA或葡萄糖投料，水热后产物照片：(A)100mgmL～EDTA，(B)24mgmL～EDTA，(C)50mgmL一1葡萄糖，(D)24mgmL‘1葡萄糖，(E)12mgmL’1葡萄糖表3．3文献中的碳点产率本工作制备的氮掺杂碳点产率为78％，比以前的文献报道的碳点产率都要高(表3．3)。上文提到的交联式的反应带来了如此高的产率。反应活性更强的伯胺基或仲胺基化合物从EDTA的分解中产生；胺基和羧基的分子间酰胺反应因为空间位阻而中断在某一个点。这样，有限的聚合导致了小尺寸碳点的形成，而不是像由葡萄糖最终只是得到碳化程度很高、产率却很低、水溶性很差的碳点12U，30J，如图3．5．3．7。3．3．4碳点荧光机理及修饰的影响探究_毒．■■■■勇。～继≯一I～～．，．■■■■■■■■I_f一叠秽萋懋I一一躐删一蠢一螺簟一然酬。熬∥一糕∥魂瀛鬻戆。缸魏。，_㈣。”⋯．．麓瓤麟鬏％』{}罐移豢滤㈤缆一一黪蹇黛叠-I鬟h冁，，^『盔辫“；黼F戆‰骥一 万方数据第三章高产率水溶性氮掺杂碳点的制备及生物成像应用为了说明掺杂氮元素和使用包覆剂的作用，本工作同时制备了裸碳点(bareCdots，不含氮元素)和包覆的氮掺杂碳点(passivatedN．Cdots)。裸碳点使用不含氮元素的葡萄糖作碳源制备，包覆的氮掺杂碳点是使用EDTA作碳源并且用乙醇胺作为包覆剂。本工作的主体实验用EDTA得到的碳点仍称之为“氮掺杂碳点(N．Cdots)”。三种产物的溶液调至中性，各种碳点溶液的pH差值三士0．2。产物的荧光强度为如下顺序：bareCdots