氮掺杂石墨烯量子点在环境和生物样品分析中的应用研究

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姜黄素(Cur)、植酸(PA)和2-巯基苯并噻唑(MBT)的检测在环境和生物样品分析中具有重要意义。石墨烯量子点(GQDs)是一种新颖的零维(0D)碳纳米材料,具有较强的光致发光性,对细胞低毒性,有良好的生物相容性和水溶性等特性,因而被广泛应用于环境和生物样品中有毒物质的分析检测。研究表明,杂原子掺杂可以有效地调节GQDs的固有特性,氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)可以有效地调节电子、表面和局部的化学特性,能提高对目标化合物的测定灵敏度和选择性。本论文以柠檬酸和尿素作为原料,通过一步水热合成法制备了N-GQDs,并对其形貌及光学性质进行了表征,并依据其特性构建了几种基于N-GQDs的新型荧光传感器,用于对环境水样和生物样品中Cur、PA和MBT的检测,结果令人满意,具体研究内容如下:1.构建了一种新型荧光传感器,实现了在水样和尿样中定量检测Cur。采用尿素作为氮源,柠檬酸作为碳源,通过一步水热合成法制备了N-GQDs,用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、拉曼光谱仪、透射电子显微镜(TEM)、荧光光谱和紫外-可见吸收(UV-vis)光谱对合成的N-GQDs进行了表征,结果显示,我们已成功地合成了表面富含羧基、羟基和氨基,粒径均一且分布均匀的N-GQDs。Cur有较宽的吸收带,N-GQDs的激发和发射光谱都与Cur的吸收带重叠,能产生内滤效应,Cur能显著地猝灭N-GQDs的荧光,据此,构建了一种基于N-GQDs的新型荧光传感器用于对Cur的检测,Cur分别在0.1-9μmol L-1和10-50μmol L-1的浓度范围内呈良好的线性关系,检出限(3σ/k)是75.6 nmol L-1,该方法成功地应用于水样和尿样中Cur的检测,加标回收率为97.0%-104%,结果令人满意。2.构建了一种新型荧光传感器,实现了在尿样中定量检测PA。Fe3+由于与N-GQDs表面的羟基和羧基发生了光致电子转移(PET)导致N-GQDs的荧光被显著猝灭,当PA加到N-GQDs/Fe3+体系中,PA与Fe3+发生络合作用,从而使Fe3+从N-GQDs表面释放出来,量子点的荧光得以恢复。据此,构建了一种基于N-GQDs/Fe3+体系用于检测PA的新方法。在优化的实验条件下,测定PA的线性范围为0.2-2.5μmol L-1,检出限(3σ/k)为60 nmol L-1,该体系成功地应用于尿样中PA的检测,加标回收率为95.0%-103%,结果令人满意。3.构建了一种新型荧光传感器,实现了在水样中定量检测MBT。Cu2+能与量子点表面的特定官能团结合,形成N-GQDs/Cu2+络合物,使量子点的荧光猝灭,当加入MBT时,Cu2+与MBT表面的巯基存在强作用力,使得Cu2+从N-GQDs表面解离下来,使量子点的荧光快速恢复。据此,构建了一种用于快速检测实际水样中的MBT的新方法。在优化的实验条件下,MBT在0.4-40μmol L-1范围内呈良好的线性关系,检出限(3σ/k)为0.1μmol L-1,该方法可以成功地应用于实际水样中MBT的检测,加标回收率为95.0%-101%,结果令人满意。
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