室温下荧光碳量子点的制备及其分析应用研究文献综述
2020-06-03 21:57:45
文 献 综 述
一、.研究目的与意义
目前应用较为广泛的荧光探针主要有量子点和基于有机染料或稀土化合物的分子荧光探针。传统的半导体量子点含有重金属元素而具有细胞毒性和环境污染性，基于有机染料或稀土化合物的分子荧光探针光稳定性较差，容易发生光漂白现象，无法满足长期的实验需求。因此寻找一种新型的、光稳定性好、毒性低的荧光探针及研究其应用领域具有重要而深远的意义。碳量子点是一类在光照下能发出荧光的粒径小于10nm[1]的近球体结构纳米粒子，其由两部分构成，核心是以sp2杂化碳原子为主要部件的碳纳米颗粒。碳量子点作为新型荧光纳米材料，具有光稳定性好、水溶性好、无光眨眼、上转换荧光发射、低生物毒性等优点，克服了大部分纳米荧光材料的弊端。在生物标记、活体成像领域、离子检测领域、药物释放、光电子器件等领域得到广泛的应用。
二、研究进展
1.在应用方面国内外研究进展：
碳点具有较强的荧光性质，表面具有丰富的含氧基团，功能化容易，而且低毒，具有宽且连续的激发光谱，可实现一员激发多重发射，因而可以用于生物医学领域的荧光标记，Cao[2]等将碳点应用到人体乳腺癌细胞的成像中碳点可作为金属探针用于离子检测，Zhai[3]等用微波法合成的碳点可检测Hg2 ，Hu等[4-5]通过水热法合成了荧光碳量子点，并利用其表面活性官能团进行离子检测，探讨了荧光探针在铁离子检测中的应用,此外还有铅离子[6]的检测，这在铅污染的社会环境中具有重大意义。Guo和Wang[7]等人将200、300、400摄氏度下制备的多色荧光碳点，用单色波长的紫外光激发，碳点发出蓝色、橙色、白色荧光，其荧光效率可达47%。在化学传感领域，利用碳点对pH值、温度等信号的不同响应，可以实现pH传感以及温度传感等功能。Ginannelis研究组制备的碳点在pH位于4至12范围内时荧光强度表现稳定，当pH下降时，荧光强度迅速降低，利用碳点荧光强度对pH敏感性的差异，来实现pH值检测的传感功能。Wang[8]等人利用氨调制水热法制备的荧光碳点，同时结合绿色和红色稀土发光材料粉末制备了性能优良的暖白光LED,在电流驱动下发出符合国际照明委员会规定的光源要求，具有实际应用价值。Wang[9]通过热解有机硅与柠檬酸的混合体系制备有机硅烷修饰CDs，利用Cu离子对SiO2荧光猝灭作用及L-Cys的结合能力，建立基于荧光猝灭-恢复法机理的L-CYs检测新方法用于药物食品等检测。此外，碳点还在荧光油墨印刷、光催化等领域体现出重要作用，虽然碳点在以上各领域的研究发展表现出巨大潜力，但其在应用中的很多方面都有待提高。
2.在制备方面国内外研究进展：
目前碳量子点的合成方法主要分为自上而下和自下而上法。自上而下法是指将颗粒尺寸大的石墨、石墨烯、碳纳米管、碳黑等通过物理或化学方法切割成纳米级粒径的碳量子点，如电弧放电法，激光消融法，电化学法。自下而上法是指将小分子通过裂解、团聚等一系列化学反应得到粒径更大的碳量子点，再通过离心、透析、电泳或其他分离技术来进行分离和纯化，如水热法，化学氧化法，微波合成法，热分解发等。
电弧放电法是最初发现荧光的经典方法。2004年Xu等[10]在电泳分离纯化由电弧放电处理烟灰得到的单臂碳纳米管（SWCNTs）时，发现了具有荧光性能的碳纳米颗粒对荧光组分颗粒进行元素分析得出碳点主要由碳与氧元素组成。Sun[11]等采用碳粉为原料，先和粘合剂混合并进行热压，经过分级干燥然后缓慢冷却等一系列步骤制成碳靶，将碳靶在流动的氩气和900摄氏度的水蒸气中用激光消融后在硝酸中回流12小时得到碳点。但是这种方法制备过程繁琐耗时不适于大规模制备碳点.电化学合成法：Zhou课题组[12]采用三电极体系，将多壁纳米管（MWCNTs）作为碳源，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝作为对电极，含四丁基胺高氯酸盐（TBAP）的已腈溶液为电解质溶液进行电化学反应，将MWCNTs逐步剥离下来，经蒸发透析等步骤纯化后得到碳点，该方法产率较低且不能在水溶液中进行。Yang等[13]人用葡萄糖和聚乙二醇，通过微波热解法合成荧光碳点；Zuo[14]在室温下以PEG-400为碳源和钝化剂放置10分钟再提纯即可得到碳点粉末;Liu[15]通过氧化石墨的化学方法制备氧化石墨烯纳米材料，但碳量子点都不稳定需要在合成过程中需要加入钝化剂来维持。微波法：Zhu等[16]将PEG-200和碳水化合物混合均匀后在500W的微波炉中反应若干时间可得到荧光碳点。Wang[17-18]等利用柠檬酸作为唯一碳源，将一水合氨作为表面氮源前躯体，用热水法制备了单分散性好且量子产率高达40%的高性能荧光碳点。Wang[19]以葡萄糖和无水柠檬酸在AL（NO3）钝化下采用水热法制备了碳量子点;Pan等[18-20]人利用400摄氏度管式炉，对乙二胺四乙酸（EDTA）盐进行一步法热解，得到蓝光发射碳点。Dong[21]利用反向微乳液法和水热法制备碳量子点，以碳量子点为还原剂制备CQDs/Ag复合催化剂。目前，科学研究人员对碳点的研究依然主要集中于开发新的碳点制备方法及其应用。
