基于水熱合成和梯度分離法探究碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理.pdf

1、碳量子點(diǎn)(Carbon quantum dots，簡稱CQDs)是碳納米材料中冉冉升起的璀璨新星。良好的生物相容性、小尺寸效應(yīng)等優(yōu)勢的存在讓碳量子點(diǎn)在光催化、元素檢測等方面，尤其是生物成像方面具有很好的應(yīng)用潛力。因而不斷優(yōu)化合成途徑，獲得光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良的碳量子點(diǎn)，進(jìn)而使之在醫(yī)學(xué)等方面大放異彩、造福人類，是眾多科研工作者的共同愿望。合成途徑的優(yōu)化需要以發(fā)光原理為指導(dǎo)進(jìn)行，但是目前關(guān)于碳量子點(diǎn)發(fā)射熒光的機(jī)理并沒有定論。這首先與碳量子點(diǎn)的多樣性

2、有關(guān)，不同途徑合成出的碳量子點(diǎn)在結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)上都有差異，因而在發(fā)光機(jī)理上也很難有一個(gè)統(tǒng)一的解釋。所以通常會(huì)將碳量子點(diǎn)進(jìn)行分類，研究某一類、或者只研究某一種碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理。本課題選擇以檸檬酸和乙二胺作為前驅(qū)物，采用水熱合成的方法制備得到碳量子點(diǎn)，然后在此基礎(chǔ)上分別通過調(diào)節(jié)合成方案和梯度分離的方法探究影響該方法所合成碳量子點(diǎn)發(fā)光的因素，并通過數(shù)據(jù)分析最終總結(jié)其發(fā)光機(jī)理。具體工作如下:
　　第一，在原有水熱合成反應(yīng)的基礎(chǔ)上，分別調(diào)

3、節(jié)合成反應(yīng)中的以下幾個(gè)因素:所使用碳源的結(jié)構(gòu)、碳源和氮源中-COOH/-NH2比，以及碳化反應(yīng)的時(shí)間長度。將上述不同合成方案中所合成產(chǎn)品進(jìn)行表征分析后發(fā)現(xiàn)前:碳源的羧基含量、羥基含量以及雙鍵存在與否，反應(yīng)物中氨基的相對含量，碳化反應(yīng)時(shí)間長度等因素都對產(chǎn)物碳量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，另外還嘗試將碳量子點(diǎn)置于不同的pH環(huán)境中，發(fā)現(xiàn)酸和堿的環(huán)境都會(huì)降低其量子產(chǎn)率。綜合分析這些信息，說明官能團(tuán)含量、碳化程度以及官能團(tuán)存在形式都是碳量子點(diǎn)發(fā)射熒光

4、的影響因素，同時(shí)也可能是決定因素。
　　第二，通過將水熱反應(yīng)制備出的碳量子點(diǎn)進(jìn)行有效分離，得到量子產(chǎn)率不同的組分，然后對各組分進(jìn)行尺寸、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)分析，發(fā)現(xiàn)量子產(chǎn)率最高的組分發(fā)射藍(lán)色熒光，其表面官能團(tuán)含量最多，同時(shí)電鏡下樣品襯度很低甚至尚未形成碳量子點(diǎn)形態(tài);而量子產(chǎn)率越低的組分，同樣發(fā)射藍(lán)色熒光，但是表面官能團(tuán)數(shù)量減少，電鏡下樣品襯度提高。說明該碳量子點(diǎn)發(fā)射的藍(lán)色熒光主要由表面分子態(tài)貢獻(xiàn)，隨著碳化程度的提高，表面官能團(tuán)數(shù)

5、量減少，因而影響熒光性能，同時(shí)核心結(jié)構(gòu)趨向于碳化成為石墨態(tài)的碳，對藍(lán)色光有吸收的作用，兩者共同作用下改變了碳量子點(diǎn)的量子產(chǎn)率。
　　在分離碳量子點(diǎn)的過程中，借助了梯度離心的手段，并在探索過程中建立了一種新的離心體系，我們稱之為“親水性梯度”離心體系。該離心體系所用梯度介質(zhì)是含水量不同的乙醇/水溶液，而被離心物質(zhì)則需要進(jìn)行預(yù)處理，即:將在水中難以沉降的碳量子點(diǎn)先進(jìn)行預(yù)團(tuán)聚，形成適宜的團(tuán)聚體后施以離心力，使之在不同含水量的乙醇水梯度介

6、質(zhì)中邊沉降邊解團(tuán)聚，直至沉降到離心管底部時(shí)恰好實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚體的完全解團(tuán)聚。通過對分離后組分的分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，認(rèn)為團(tuán)聚體實(shí)現(xiàn)解團(tuán)聚的依據(jù)是碳量子點(diǎn)表面親水性基團(tuán)含量不同所導(dǎo)致的親水性差異，從而將碳量子點(diǎn)按照親水性不同分離開來。
　　通過以上實(shí)驗(yàn)探索最終總結(jié)出本課題中所研究的以檸檬酸和乙二胺為前驅(qū)物水熱法合成的碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理，認(rèn)為其熒光主要是表面分子態(tài)在紫外光的激發(fā)下發(fā)射出藍(lán)色熒光，核心結(jié)構(gòu)碳化成石墨態(tài)之后對紫外光有吸收作用，二