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摘 要

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1碳点的简介 1

1.2碳点的光学性能 1

1.2.1碳点的吸收特性 1

1.2.2碳点的荧光特性 1

1.2.3碳点的上转化发光性 2

1.3碳点的制备方法 2

1.3.1自上而下 2

1.3.2自下而上 4

1.4碳点的应用 5

1.5本论文的研究思路 7

第二章 实验部分 8

2.1实验仪器 8

2.2实验药品 8

2.3荧光碳点的水热合成 9

2.4荧光碳点的表征 9

2.4.1荧光光谱分析 9

2.4.2荧光碳点的傅里叶红外光谱分析 9

2.4.3荧光碳点的寿命检测 10

2.4.4荧光碳点的量子产率测量 10

2.4.5碳点的透射电镜分析 10

2.5荧光碳点的应用 10

2.5.1喷墨打印 10

2.5.2气喷纺丝 10

第三章 实验结果与讨论 11

3.1水杨酸-邻苯二胺-DMF体系中碳点的制备和表征 11

3.2孔雀石绿-硼酸-水体系中碳点的制备和表征 13

3.3荧光碳点的应用 16

3.3.1喷墨打印 16

3.3.2气喷纺丝 17

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 24

荧光碳点的水热合成、光学性质及其应用

摘要

碳点是一种直径小于10 nm的零维碳纳米材料，由于其具有良好的荧光性质、易于表面修饰和生物毒性低等优点，在喷墨印刷、生物成像，细胞检测等多方面有着广阔的应用前景。本论文采用一锅水热法来合成碳点，以水杨酸和邻苯二胺为原料，DMF为溶剂制备了具有绿色荧光的碳点；以孔雀石绿和硼酸为原料，水为溶剂制备了具有蓝色荧光的碳点。利用荧光光谱、红外光谱（FT-IR）、透射电子显微镜（TEM）等手段对合成的碳点进行了表征，结果表明水杨酸-邻苯二胺-DMF体系中制备的碳点发射波长为520 nm，荧光绝对量子产率为15%，荧光寿命为4 ns；孔雀石绿-硼酸-水体系中制备的碳点具有蓝色荧光，绝对量子产率为27%，荧光寿命为5 ns。最后，探讨了荧光碳点在喷墨打印和气喷纺丝领域的应用。

关键词：碳点 水热合成 荧光 墨水打印 气喷纺丝

Hydrothermal Synthesis, Optical Properties and Application of Fluorescent Carbon Dots

ABSTRACT

Carbon dots, a kind of zero-dimensional carbon-based nanomaterial with a diameter less than 10 nm, have a broad application prospect in inkjet printing, biological imaging, cell detection and other aspects owing to their good fluorescence properties, easy surface modification and low biological toxicity. In this thesis, carbon dots were synthesized by one-pot hydrothermal method. Carbon dots with green fluorescence were prepared with use of salicylic acid and o-phenylenediamine as raw materials and DMF as solvent. Meanwhile, carbon dots with blue fluorescence were prepared with use of malachite green and boric acid as raw materials and water as solvent. The synthesized carbon dots were characterized by fluorescence spectra, Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), transmission electron microscopy (TEM), etc. The results show that the carbon dots obtained from the salicylic acid-o-phenylenediamine-DMF system show an emission peak at 520 nm, absolute quantum yield of 15.12%, and fluorescence lifetime of 4 ns. Whereas, the carbon dots prepared from the malachite green- boric acid -water system show blue fluorescence with absolute quantum yield of 27.24% and decay lifetime of 5 ns. The applications of fluorescent carbon dots in inkjet printing and air jet spinning were also discussed.

Key words：Carbon quantum dots; Hydrothermal synthesis; Fluorescence; Inkjet printing; Air jet spinning

1. 绪论

1.1碳点的简介

碳点是一种新型的零维荧光纳米材料。因为碳量子点具有独特的荧光性能，水溶性良好以及比较低的细胞毒性备受科学家们的瞩目。碳点的粒径一般小于10 nm, 是一种球形或准球形的纳米颗粒，与传统的荧光材料相比，碳点更具光漂白性，稳定性更强，是一种优异的荧光材料。

1.2碳点的光学性能

1.2.1碳点的吸收特性

碳点能够吸收的光一般位于紫光到绿光之间的区域，同时碳点的吸收峰一般有两个。主峰对应的使碳核中的芳香碳的吸收峰，这是由芳香碳（或C=C键）的π-π＊跃迁，另一个峰是碳点表面的官能团的n-π跃迁所带来的 ^[1]。

1.2.2碳点的荧光特性

激发依赖性是大多数荧光碳点普遍表现出来的基本荧光特性。随着激发光波长的不断变化，发射光的波长也会随之不断改变。也就是说可以通过使用不同波长的光束激发碳点，使其发射的荧光颜色做出改变。目前碳点的发光机理还没有定论，已知的可能影响碳点荧光特性的因素有以下几点：1.碳点内核的尺寸大小2.碳点表面状态影响3.碳点内核尺寸与表面状态共同影响^[2]。

除此之外，碳点也表现出类似半导体的电致发光特性。同时碳点可以结合许多纳米材料如纳米石墨烯片，纳米铂颗粒等增强其电致发光性可应用于检测领域^[3]。

1.2.3碳点的上转化发光性

除了传统的光激发荧光发射，有些报道同样也明确提出了碳点具有上转换荧光发射的荧光特性。这种性质尤其被广泛应用于体内的生物成像研究，因为在生物成像方面，在红外区域通常是首选观测区域，因为在此区域内的成像较为清晰，并且改进的光子组织渗透和减少背景自发荧光。部分碳量子点被观测到上转换荧光发射，有团队以石墨棒为工作电极通，并对溶液通电，使用电化学剥离得到了碳点。将制备所得的碳点用500-1000 nm的波长的激发光进行激发，325-425 nm的发射峰展现出显著的上转换荧光特性。jia等人课题组的研究证明了保持在90°c的恒定温度下加热抗坏血酸溶液制备得到的碳点，除了具有常规的光激发荧光发射，还显示出表现良好的上转换荧光发射，他们用800-1000 nm的近红外区域激发波长的激发光照射所得的碳点时，碳点发射出波峰为540 nm的绿色荧光。

1.3碳点的制备方法

自上而下法是合成碳点最早使用的一大类方法，而另外一种自下而上的碳点合成方法现在也被广泛的应用。两种方法各有优劣。自上而下法较为简单，经济实惠。自下而上法更易于进行表面修饰^[4]。

1.3.1自上而下

通过对大颗粒的含碳物质使用或物理或化学的方法进行剥离，将其分离成为较小的碳点的方法被称为自上而下的制备方法。自上而下制备碳点的方法有化学氧化法，激光消融法，还有一种使用较少的方法是电化学合成法^[5]。

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