碳基纳米材料的制备与发光检测应用

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荧光纳米碳点是一种继富勒烯、碳纳米管及石墨烯之后另一种新型碳纳米材料,其颗粒直径在10纳米以下时具有良好的水溶性,由于其具有良好的化学惰性、生物低毒性、易于功能化和抗光漂白性光稳定性等优异性能,已在当代纳米材料家族中占据重要地位。自从2004年以电化学法制备的碳点出现明亮多彩的发光现象后,世界各地的研究小组开始对荧光碳点的合成和应用进行了深入的研究,最近几年的研究报道了各种方法制备的荧光碳点以及其在在生物荧光成像、光催化、纳米传感等领域的应用。本文从荧光碳点的实际应用的需求出发,通过多种荧光碳点的制备工艺及修饰过程,筛选或创造的使用不同的合成方式,制备了具有不同发光性能的荧光碳点。通过HRTEM、SEM、FTIR、XPS、XRD、PL等多种手段分析荧光碳点的微观结构、化学成分、结晶状态、荧光性能,光稳定性等物理性能。在此基础上,将其应用于光致发光检测、化学发光及白光LED。基于荧光碳点的独特光学性能,本文制备了多种荧光碳点,考察其独特的光学性能和化学性能。论文的具体工作如下:  (1)以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为表面钝化剂,通过水热法,可以大量获得高量子产率的荧光碳点,通过乙醇溶剂筛选,可以获得一种在紫外灯下具有宽发射谱的荧光碳点。该荧光碳点的平均粒径在6nm左右,荧光量子产率可达。经TEM/HRTEM观察,该荧光碳点为无定形碳结构,可观察到石墨(112)衍射条纹。在将该荧光碳点溶于去离子水后,在紫外光下可观察到蓝色荧光,同时在自然光下,该荧光碳点具有红色颜色,在加入过氧化氢后,碳点溶液在紫外光下荧光转变为绿色,同时自然光下颜色由红色转变为绿色,利用这两种现象,本文开发出一种基于荧光碳点的纳米检测器,通过荧光与比色两种方式,利用光致发光光谱与吸收谱变化实现定量化学分析检测。  (2)以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,分别使用水、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为表面钝化剂,使用水热法分别制备出在紫外光下具有蓝色、绿色、红色的荧光碳点,通过使用不同有机溶剂提取纯化,获得不同发光性能的荧光碳点。该荧光碳点的平均粒径在6nm左右,荧光量子产率可达。经TEM/HRTEM观察,该荧光碳点为无定形碳结构,可观察到石墨(112)衍射条纹。在将该荧光碳点溶于无水乙醇后,在紫外光下可观察到蓝色、绿色、黄绿色荧光。使用此三种荧光碳点作为发光体,利用双草酸酯(CPPO)/过氧化氢(H2O2)化学发光体系,可实现明亮的、肉眼可见的长时间化学发光。基于该化学发光现象,可建立有效的化学发光检测体系。同时,课题组以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,使用微波法制备出在紫外光下具有蓝色、绿色的荧光碳点,通过离心提纯后,溶于无水乙醇,利用双草酸酯(CPPO)/过氧化氢(H2O2)化学发光体系,可实现明亮的、肉眼可见的长时间化学发光,该实验方法有望取代传统荧光染料。  (3)以柠檬酸钠为碳源,尿素为氮源,使用水、N,N-二甲基乙酰胺(DMF)为表面钝化剂,使用溶剂热法制备荧光碳纳米点,利用不同的方式将该荧光碳点制备为荧光粉,可以有效阻止或假若荧光碳点的自淬灭效应,实验制备的碳纳米粉在提纯烘干后,在紫外光下仍具有明亮的发光,在紫外光照射下可保持长时间的发光性能,是一种良好的荧光粉,有望于制作白光LED器件。
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