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碳点(carbon dots, CDs)是2004年问世的一种新型荧光纳米材料,粒径通常小于10nm,抗光漂白,生物相容性好。碳点的合成原料来源广泛,合成方法多样,可根据实际需求选择合适的碳源和合成方法,得到合适的碳点。并且通过碳点功能化、杂原子掺杂等途径,可改善碳点荧光量子产率以及调节表面状态,适于不同的用途。目前,碳点已广泛应用于化学、生物、医药、环境等领域。环境是人类赖以生存的基本介质,直接影响人类的身体健康和生存质量。当今社会快速发展,环境污染问题突出,因此环境污染物的检测及其去除引起人们广泛关注。
碳点作为一种性能优异的荧光探针,检测灵敏度高,操作简单,在环境污染物检测分析上已有一定应用。同时,某些碳点或其复合材料还具备去除污染物功能。但是,这些应用往往以单一模式存在,未能完全发挥碳点的使用性能。为降低环境污染物检测去除的成本,深入碳点的多模式应用,开发“一种碳点,多重应用”是目前相关研究领域的热点之一。
本文以环境污染物的检测和去除为目标,设计合成了三类N,S或N掺杂的碳点,并对碳点及相关微纳材料的多重应用开展了系统研究。具体内容如下:
第一章,以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,硫脲为硫源,水热合成了N,S共掺杂碳点,量子产率(QY)为22%。将该碳点与三聚氰胺甲醛树脂(MF)基质复合,形成荧光微球(MF-CDs)。MF-CDs用于Au3+的检测和吸附去除,检测线性范围拓宽至0.05~2μM,吸附容量提升至1mmol/g;而且,吸附到MF-CDs上的Au3+能原位还原为纳米金,作为催化剂降解4-硝基苯酚,催化性能在5次循环中保持稳定。本实验结果说明通过将游离碳点固载在MF上,可形成新型微纳荧光材料(MF-CDs)。作为荧光探针,MF-CDs能放大Au3+的检测信号及提高灵敏度;作为吸附剂,能提高Au3+的吸附容量;并且吸附后的Au3+可以回收循环使用,体现了MF-CDs的“绿色属性”。
第二章,以多巴胺为碳源,L-半胱氨酸为N,S源,水热制备了N,S共掺杂碳点,量子产率为4.6%。该碳点的光稳定性好,并对pH、温度及Cu2+敏感。当pH为5.4~7.4时,荧光强度随pH升高线性降低,R2为0.9996。温度为20~60℃时,荧光强度随温度升高线性降低,R2为0.9908。当Cu2+浓度为0.03~0.5μM时,线性方程为F/F0=1.36CCu2++0.9566,R2=0.9940,检测限为39nM。本章合成的N,S-CDs分别对pH、温度及Cu2+进行荧光传感检测,体现了碳点的多功能应用。
第三章,将对苯二酚分别与L-半胱氨酸和聚乙烯亚胺(Mw1800)作用,形成N,S共掺杂和N掺杂的非共轭聚合物点,标记为N,S-NCPDs和N-NCPDs。N,S-NCPDs和N-NCPDs不仅能实现对苯二酚的含量检测,而且具备pH传感效应。以N,S-NCPDs为例,N,S-NCPDs的荧光强度与合成过程中加入的对苯二酚浓度(0~100μM)线性相关,R2=0.9883。以N-NCPDs为例,pH6~10时,其荧光强度随pH的增大而线性增大,R2=0.9625。本实验将对苯二酚在温和、快捷的合成条件下,转变为可后续使用的荧光材料,同时能实现对苯二酚的含量测定。
第四章,对全文实验内容进行总结,指出不足之处及对今后的研究方向进行展望。
第五章,对近三年,碳点在环境污染物检测和去除方面的应用进行总结和展望。
碳点作为一种性能优异的荧光探针,检测灵敏度高,操作简单,在环境污染物检测分析上已有一定应用。同时,某些碳点或其复合材料还具备去除污染物功能。但是,这些应用往往以单一模式存在,未能完全发挥碳点的使用性能。为降低环境污染物检测去除的成本,深入碳点的多模式应用,开发“一种碳点,多重应用”是目前相关研究领域的热点之一。
本文以环境污染物的检测和去除为目标,设计合成了三类N,S或N掺杂的碳点,并对碳点及相关微纳材料的多重应用开展了系统研究。具体内容如下:
第一章,以柠檬酸为碳源,尿素为氮源,硫脲为硫源,水热合成了N,S共掺杂碳点,量子产率(QY)为22%。将该碳点与三聚氰胺甲醛树脂(MF)基质复合,形成荧光微球(MF-CDs)。MF-CDs用于Au3+的检测和吸附去除,检测线性范围拓宽至0.05~2μM,吸附容量提升至1mmol/g;而且,吸附到MF-CDs上的Au3+能原位还原为纳米金,作为催化剂降解4-硝基苯酚,催化性能在5次循环中保持稳定。本实验结果说明通过将游离碳点固载在MF上,可形成新型微纳荧光材料(MF-CDs)。作为荧光探针,MF-CDs能放大Au3+的检测信号及提高灵敏度;作为吸附剂,能提高Au3+的吸附容量;并且吸附后的Au3+可以回收循环使用,体现了MF-CDs的“绿色属性”。
第二章,以多巴胺为碳源,L-半胱氨酸为N,S源,水热制备了N,S共掺杂碳点,量子产率为4.6%。该碳点的光稳定性好,并对pH、温度及Cu2+敏感。当pH为5.4~7.4时,荧光强度随pH升高线性降低,R2为0.9996。温度为20~60℃时,荧光强度随温度升高线性降低,R2为0.9908。当Cu2+浓度为0.03~0.5μM时,线性方程为F/F0=1.36CCu2++0.9566,R2=0.9940,检测限为39nM。本章合成的N,S-CDs分别对pH、温度及Cu2+进行荧光传感检测,体现了碳点的多功能应用。
第三章,将对苯二酚分别与L-半胱氨酸和聚乙烯亚胺(Mw1800)作用,形成N,S共掺杂和N掺杂的非共轭聚合物点,标记为N,S-NCPDs和N-NCPDs。N,S-NCPDs和N-NCPDs不仅能实现对苯二酚的含量检测,而且具备pH传感效应。以N,S-NCPDs为例,N,S-NCPDs的荧光强度与合成过程中加入的对苯二酚浓度(0~100μM)线性相关,R2=0.9883。以N-NCPDs为例,pH6~10时,其荧光强度随pH的增大而线性增大,R2=0.9625。本实验将对苯二酚在温和、快捷的合成条件下,转变为可后续使用的荧光材料,同时能实现对苯二酚的含量测定。
第四章,对全文实验内容进行总结,指出不足之处及对今后的研究方向进行展望。
第五章,对近三年,碳点在环境污染物检测和去除方面的应用进行总结和展望。