论文部分内容阅读
石墨烯量子点(GQDs),尤其是掺杂GQDs由于其宽波段的吸收、良好的化学稳定性、高的抗光漂白性和优良的生物相容性,已经被作为荧光探针广泛地应用于生物成像、光学传感器和光电设备等领域。目前的研究发现掺杂可以有效地调控GQDs的荧光性能。但是,掺杂如何调控GQDs发光机理仍然需要进一步阐明。本论文研究了掺杂元素对GQDs荧光性能的影响,揭示了掺杂GQDs荧光发射的机制。这些研究结果可为通过掺杂实现GQDs荧光性能的调控、细胞的荧光成像提供理论基础,主要研究内容如下:(1)采用电解法制备了未掺杂石墨烯量子点(UGQDs)、氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)和硼掺杂石墨烯量子点(BGQDs),通过透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)等表征手段,发现所制备的UGQDs、NGQDs和BGQDs具有相同的尺寸、化学组成和缺陷。紫外可见吸收光谱(UV-Vis)研究表明,UGQDs、NGQDs和BGQDs具有三个吸收带,分别为对应于石墨烯sp2杂化碳的π-π*电子跃迁、边界碳原子的π-π*电荷转移和表面含氧官能团no2p-π*电子跃迁,相比于UGQDs的吸收带,NGQDs的吸收带发生蓝移,BGQDs的吸收带发生红移。荧光激发光谱(PLE)研究进一步发现,在NGQDs和BGQDs中还额外存在nN2p-π*和nB2p-π*电子跃迁,并且no2p-π*电子跃迁所对应的吸收带相比于UGQDs分别发生了蓝移和红移。我们通过荧光发射光谱(PL)和时间分辨荧光光谱技术证实有两个发光中心(标记为band Ⅰ和band Ⅱ)存在于GQDs中,其中band Ⅰ是由碳核sp2杂化碳的π-π*电子跃迁产生,表现为激发独立的荧光特性;而band Ⅱ的荧光起源于N/O/B基团的n-π*电荷转移和GQDs的碳核和边界碳原子的π-π*电荷转移,表现为激发依赖的荧光特性。通过考察UGQDs、NGQDs和BGQDs在不同质子化溶剂中的PL行为,发现由碳核和边界碳原子的π—π*电荷转移引起的荧光发射峰占据了主导地位,并且该峰的位置受到掺杂元素的影响,NGQDs蓝移,BGQDs红移。本章还结合密度泛函理论(DFT)和电化学方法,进一步研究了掺杂原子对GQDs电子结构的影响规律,结果表明N掺杂导致NGQDs电子云分布更加离域,带宽变宽,而B掺杂导致BGQDs电子云分布更加定域,带宽变窄,从而使得NGQDs的荧光发射峰蓝移,BGQDs的荧光发射峰红移。(2)采用电解法制备了不同N含量的NGQDs,研究了 N掺杂含量对NGQDs荧光性能的影响。我们在不同的制备条件下(如离子强度、电压及含N电解质浓度等),制备了一系列NGQDs。UV-Vis、Raman、XPS、PL、PLE等光谱表征结果发现,在离子强度为0.01-4mol/Kg时,随着离子强度的增加,所制备的NGQDs的浓度也随着增加;在电压为3-7 V,随着电压的增加,所制备的NGQDs的含氧量也相应增大;而改变含N电解液浓度(四甲基氢氧化铵,0.05-1mol/L),可以有效地调控NGQDs的含N量,并影响所得NGQDs的荧光量子产率,研究发现,N电解液浓度为0.1 mol/L时制备得到的NGQDs,其含N量为4.9%,荧光量子产率最高(12.7%)。我们进一步研究了该NGQDs的稳定性,结果表明NGQDs具有较强的荧光稳定性、抗光漂白性、抗盐性。相比于其他制备方法,该方法非常简单,并且在水相中进行,获得的NGQDs在水相中分散性高,且细胞毒性实验表明NGQDs具有良好的生物相容性和低细胞毒性。因此,我们将该NGQDs应用于HeLa(人宫颈癌细胞)细胞的荧光成像,成像效果良好,并可通过选择不同的荧光激发波长,获得细胞的多色荧光成像。