奈米標記材料熒光碳點的製備探析論文

　　熒光，又作“螢光”，是指一種光致發光的冷發光現象。當某種常溫物質經某種波長的入射光***通常是紫外線或X射線***照射，吸收光能後進入激發態，並且立即退激發併發出比入射光的的波長長的出射光***通常波長在可見光波段***;而且一旦停止入射光，發光現象也隨之立即消失。具有這種性質的出射光就被稱之為熒光。在日常生活中，人們通常廣義地把各種微弱的光亮都稱為熒光，而不去仔細追究和區分其發光原理。以下是小編為大家精心準備的：奈米標記材料熒光碳點的製備探析相關論文。內容僅供參考，歡迎閱讀!

　　奈米標記材料熒光碳點的製備探析全文如下：

　　近年來，半導體熒光量子點因其優良的光電效能在生物、醫學及光電器件等領域得到了廣泛應用. 但是用於生物和醫學領域最成熟的量子點，大多是含重金屬鎘的CdTe，CdSe 和CdS 等量子點，限制了其在生物醫學領域的應用. 因此，降低和消除熒光量子點的毒性，一直是研究者密切關注的課題. 直到2006 年，Sun 等用鐳射消融碳靶物，經過一系列酸化及表面鈍化處理，得到了發光效能較好的熒光碳奈米粒子—碳量子點*** CQDs*** .

　　作為新型熒光碳奈米材料，碳量子點不僅具有優良的光學效能與小尺寸特性，還具有很好的生物相容性、水溶性好、廉價及很低的細胞毒性，是替代傳統重金屬量子點的良好選擇. 水溶性碳量子點因其表面具有大量的羧基、羥基等水溶性基團，並且可以和多種有機、無機、生物分子相容而引起廣泛關注，這些性質決定了碳量子點在生物成像與生物探針領域有更大的應用前景. Zhu H和王珊珊等將PEG - 200 和糖類物質的水溶液進行微波加熱處理，得到了具有不同熒光效能的碳量子點，雖然利用微波合成碳量子點可以合成修飾一步實現，但是與水熱法相比熒光量子的產率並沒有顯著地提高. 目前，該領域的科研工作主要集中在3 個方面: 碳量子點形成與其效能的機理特別是光致發光機理、如何簡單快速的製備出效能優異的碳量子點以及碳量子點如何成功高效地應用於實際之中.

　　本文采用單因素法分析影響熒光碳量子點合成的幾種因素，尋求高效能熒光碳量子點的最佳合成條件，並比較微波法和水熱法合成熒光碳量子點的優劣，為製備出高效能熒光奈米標記材料效能提供一定的實驗依據和科學方法.

　　1 實驗部分

　　1. 1 試劑與儀器

　　葡萄糖*** AR，中國醫藥集團上海化學試劑公司*** 、聚乙二醇*** PEG - 200，AR，中國醫藥集團上海化學試劑公司*** 、硫代乙醇酸*** TGA，AR，國藥集團化學試劑有限公司*** 、CS*** 大連鑫蝶*** 、牛血清蛋白*** BSA > 99%，德國默克公司*** 購自武漢凌飛生物科技公司*** ; 鹽酸*** HCl，AR，信陽市化學試劑廠*** ; 十二水合磷酸氫二鈉*** Na2HPO4·12H2O，AR，國藥集團化學試劑有限公司*** ; 二水合磷酸二氫鈉*** NaH2PO4·2H2O，AR，國藥集團化學試劑有限公司*** ; 氫氧化鈉*** NaOH，AR，國藥集團化學試劑有限公司*** .

　　熒光分光光度計*** LS55 型，PerkinElmer，American*** ; 紫外- 可見吸收光譜儀*** U - 3010 型，Hitachi，Japan*** ; 純水儀*** UP 型，上海優普實業有限公司*** ; 臺式電熱恆溫乾燥箱*** 202 - 00A 型，天津市泰斯特儀器有限公司*** ; 傅立葉紅外變換光譜儀*** VERTEX70 型，德國BRUKER 公司*** ; 透射電子顯微鏡*** JEM -2100UHR STEM/EDS 型，日本*** ; 微波反應器*** Milestone， Italy*** ; 電子天平*** METTER - TOLEDO，梅特勒- 託利多儀器*** 上海*** 有限公司*** ; 電動攪拌器*** DJIC - 40，金壇市大地自動化儀器廠*** ; 智慧恆溫電熱套*** ZNHW型，武漢科爾儀器裝置有限公司*** ; 數顯恆溫水浴鍋*** HH - S2s，金壇市大地自動化儀器廠*** ; 紫外燈.

　　所有光譜分析均在室溫下進行. 實驗中所用水為電阻率大於18 MΩ·cm 的高純水. 紫外- 可見吸光光度計設定為: 夾縫2 nm，掃描速度600 nm/min，掃描範圍200 ～ 600 nm; 熒光分光光度計設定為: 激發波長為350 nm，掃描範圍為350 ～ 650 nm，掃描速度600 nm/min. 激發夾縫: 10 nm，發射夾縫: 15 nm.

　　1. 2 碳量子點的製備

　　影響碳量子點熒光效能的因素較多，其主要因素有反應物摩爾比、反應溫度和反應時間. 為更好的控制實驗條件，提高碳量子點的效能，採用了三因素三水平的正交實驗方法. 該方法以較少的實驗次數完成多條件下最優選擇. 選擇碳源為葡萄糖，表面修飾劑為PEG，溫度分別選擇為150 ℃，160 ℃和180 ℃，時間分別選擇為1. 5 min，2. 5 min 和3. 5 min，PEG 與葡萄糖的摩爾比分別選擇為4，5和6. 此外在確定最佳條件時，除了考慮碳量子點的熒光強度之外，還要綜合考慮實驗條件、產物的毒性和生物相容性等因素.稱取葡萄糖2 g，將其溶解到3 mL 水中，與不同體積的聚乙二醇*** PEG - 200*** 混合，得到澄清溶液，然後放在微波反應器或電熱恆溫水浴鍋中，設定一定溫度和反應時間，微波輻射或水浴加熱，得到不同棕紅色的溶液，即碳量子點原液; 再將碳量子點原液於不同轉速下離心分離純化，測定比較其光學效能，最後選定在6000 r /min 轉速下離心分離純化，取上層清液，稀釋不同倍數用於表徵.

　　1. 3 碳量子點的表徵分析

　　將上述得到的碳量子點稀釋不同倍數後，分別用U - 3010 型紫外- 可見吸收光譜儀和LS55 型熒光分光光度計測試製得的碳量子點的光致發光效能.

　　紫外可見吸收光譜測定: 將製備好的碳量子點稀釋若干倍*** 激發波長處吸收值為0. 1*** ，先進行紫外掃描確定其吸收峰位置. 以碳量子點的紫外吸收峰波長為激發波長，激發和發射狹縫均為5. 0 nm，PMT 電壓設定為700 V，激發波長是290 ～ 350 nm 進行多次熒光發射光譜掃描，確定激發波長為350 nm 時，其熒光發射峰位置為435 nm 左右，碳量子點的熒光譜峰更好.

　　熒光光譜測定: 取2. 5 mL 左右的待測碳量子點溶液於熒光比色皿中，在室溫下用LS55 型熒光光譜儀檢測其熒光，激發波長為350 nm，激發和發射狹縫寬度均為5 nm，掃描波長範圍300 ～ 650 nm，掃描速度1 200 nm/min.

　　透射電子顯微鏡*** 加速電壓200 kV*** 觀察碳量子點樣品的微觀形態和尺寸; 將得到碳量子點原液等體積與無水乙醇混勻後滴在KBr 壓片上後放到臺式電熱恆溫乾燥箱中乾燥直到變幹，然後放於傅立葉紅外變換光譜儀中得到紅外譜圖.

　　2 結果與討論

　　2. 1 微波合成碳量子點的因素分析

　　本實驗選擇反應物摩爾比*** n*** 、反應溫度*** T*** 和反應時間*** t*** 3 種影響因素，每種因素選擇3 種不同的水平，即三因素三水平正交實驗方法安排試驗，探討微波法制備碳量子點時對其熒光強度的影響因素，找到最優的合成條件. 根據三因素三水平的條件，選擇正交表34 型.

　　碳量子點合成中，不同影響因素在不同水平下的趨勢變化,在同一因素下，隨著水平的變化，實驗指標也發生變化，根據圖中趨勢，可以得到微波合成碳量子點的最優條件是: PEG 與葡萄糖摩爾比為6，反應溫度為180 ℃，反應時間為2. 5 min，在此條件下合成的碳量子的熒光強度最好.從趨勢圖還可看出，微波輔助反應時間並不是越長越好，但反應時間小於3. 5 min 時，碳量子點的的熒光強度有隨反應時間減少而提高的趨勢.

　　由以上正交實驗的直觀分析得到了優化條件，然後在該條件下微波合成了熒光碳量子點,優化條件下製備的碳量子點與實驗組中最好的第9 號實驗條件下製備的碳量子點的熒光發射光譜.在其他條件相同的情況下，優化合成的碳量子點的熒光強度為234，遠遠大於第9 號實驗組的碳量子點的熒光強度153. 17.

　　改變前驅溶液pH 值*** 分別為3，7和9*** ，對實驗結果進行分析處理，隨著溶液pH 值的增加，碳量子點的熒光強度先減小再增加. 在前驅體為鹼性條件即pH = 9 時，所得碳量子點熒光強度最大，在酸性條件pH = 3 時次之，在中性條件pH = 7 時最小. 其原因可能是在葡萄糖-PEG 體系中，製備出來的碳量子點表面含有豐富的羥基和羧基官能團*** 在圖8 中得到了證明*** ，在酸性條件下，由於碳量子點表面大量羥基與H + 形成大量氫鍵，導致體系較為穩定，碳量子點能較好的分散，所以發出較好的熒光; 而在鹼性條件下，碳量子點表面的羧基與OH - 的相互作用致使體系較為穩定，碳量子點也能很好的分散; 但是在中性條件下，生成的碳量子點由於高的表面能而發生團聚，致使粒子粒徑增加，粒徑分佈變寬.

　　2. 2 微波法與水熱法的比較

　　在上述相同的優化條件下，分別採用微波法和水熱法2 種方法合成碳量子點，並對其光學效能進行初步比較.

　　2. 2. 1 碳量子點的紫外可見吸收光譜

　　2 種方式得到的碳量子點的紫外可見吸收光譜圖,兩者的吸收峰位置都是在280 nm 左右，吸收峰位置並沒有隨著加熱方式的變化而變化，這說明2 種加熱方式形成碳量子點的機制可能是一致的. 此外，在同等合成條件下，微波法制備的碳量子點的紫外可見吸收光譜強度小於水熱法的吸收峰強度.

　　2. 2. 2 碳量子點的熒光發射光譜

　　將微波優化合成得到的一組碳量子點稀釋後，依次增大激發波長，觀察其熒光發射波長變化. 微波合成碳量子點在不同激發波長*** 340 ～ 450 nm*** 下的熒光發射光譜,隨著激發波長的增大，熒光發射峰位置發生紅移，熒光強度也先增大後減小，其中，激發波長為350 nm 時，碳量子點的熒光發射強度最大. 因此，選擇350 nm 作為本實驗中碳量子點的激發波長.

　　2. 2. 3 碳量子點的熒光機理探討

　　碳量子點的熒光效能主要來源於2 種不同型別的發射，一種是其表面能的陷阱發射，另一種是其內在的狀態發射，即電子和空穴的重新結合產生的發射，也就是通常所說的量子點的量子尺寸效應所導致的碳量子點的TEM 圖射. 在本文中，一方面葡萄糖的高溫熱解生成的碳量子點，其表面能陷阱發射產生熒光; 另一方面，PEG 可以作為碳量子點的表面鈍化劑. 而在本研究中，前驅體是葡萄糖和PEG的混合物，因此，PEG 在此合成體系中，一方面發揮了穩定劑的作用，另一方面也發揮了表面修飾劑的作用，PEG 含有大量的羥基等基團，在鹼性條件下，羥基等官能團引入碳量子點表面，抑制了碳量子點的缺陷狀態發射，使得能夠產生熒光的電子和空穴的輻射結合更加便利，即內在的本徵態發射更加容易，進而提高了碳量子點的熒光強度.

　　2. 2. 4 碳量子點的TEM

　　從中可以看出，碳量子點與半導體量子點類似，外貌呈圓球形，分散性較好，尺寸分佈較均勻，平均粒徑在5 ～ 8 nm 左右，表明在葡萄糖熱解制備碳量子點的過程中，聚乙二醇作為分散劑和表面修飾劑起到了比較好的作用，能有效防止碳量子點團聚.

　　2. 2. 5 碳量子點的紅外光譜

　　不同方法制備的碳量子點的紅外光譜*** a. 微波法; b. 水熱法***在相同的優化條件下，微波法和水熱法。

　　2種方法得到的碳量子點的紅外譜圖峰位和峰形基本一致，只是吸收峰強度略有不同，這可能與碳量子點的濃度有關.

　　羥基伸縮振動譜帶出現在3 700 ～ 3 100cm - 1區域，在大多數含羥基的化合物中，由於分子間氫鍵很強，在3 500 ～ 3 100 cm - 1區域出現一條很強、很寬的譜帶. 在3 370cm - 1附近2 種方法制備的碳量子點都有寬化的吸收峰，是O - H 鍵的伸縮振動特徵峰，同時在指紋區1 101 cm - 1處和1 247cm - 1同出現較強的吸收峰，分別屬於C - O - C的對稱收縮和不對稱伸縮振盪，證明了羥基的存在; 同時在1 643 cm - 1處觀察到兩者的吸收峰，這是C = O的伸縮振動，證明了羧基的存在. 由此判斷，碳量子點表面帶有羥基和羧基官能團，這不僅增強了量子點的水溶性和生物相容性，更為後續的修飾該類碳量子點提供了有益的指導.

　　3 結論

　　通過正交實驗方法初步確定了微波法制備奈米熒光碳量子點的合適實驗條件為: 反應時間為2. 5 min，反應溫度為180 ℃，PEG 與葡萄糖摩爾比為6，pH = 9. 合成中影響因素從主到次順序為: 反應時間> 摩爾比> 反應溫度.同時發現極差R空白> R溫度，表明實驗過程中，還有其他重要的因素需要探討，其中，最可能忽略的因素是攪拌.

　　在相同優化條件下，水熱法合成的碳量子點的光學效能要略優於微波合成的，究其原因可能除了本文提到的是否使用攪拌裝置有關外，可能還與合成時碳量子點的生長速度、表面修飾程度和狀態等因素有關.這些因素的聯合作用，導致熒光碳量子點晶格缺陷沒有得到很好的控制，而表面缺陷、邊緣效應等又會導致陷阱電子或空穴對的產生，它們反過來又會影響量子點的發光性質，有待今後進一步實驗驗證. 總之，2 種加熱方式所製備的熒光碳量子點均具有較好的光學效能，可望用於熒游標記領域.