论文总字数：16014字

摘 要

本论文主要研究Pb² 对碳点水溶液的荧光淬灭的影响，以柠檬酸为本次实验的碳源，尿素作为反应的钝化剂，采用水热法进行制备，得到水溶性好且光稳定性强的碳点。首先，通过对碳点的FTIR、XRD、UV-Vis表征，推测出我们所合成的碳点表面所含官能团以及碳点的凝聚结构。其次，探讨所制备碳点的最佳激发波长以及水溶液中碳点浓度对其荧光性能的影响。接着，研究不同pH环境对水溶液中碳点荧光性能的影响。最后，探究Pb² 浓度对水溶液中碳点荧光性能的淬灭影响。最终得出结论：在我们所测范围内，Pb² 对碳点荧光性能有重要的影响，且Pb² 浓度越大，淬灭效果越强。

关键词：Pb² ；碳点；荧光；淬灭；水热法

Study on the Effect of Pb² on Fluorescence Quenching of Carbon Dots Aqueous Solution

Abstract

In this paper, the quenching effect of Pb² on the fluorescence properties of carbon dots was studied. Citric acid was used as the carbon source in this experiment, urea was used as the passivator of this reaction, and the carbon dots with good water solubility and strong light stability were prepared by hydrothermal method.Firstly, by FTIR, XRD and UV-Vis characterization of carbon dots,the functional groups and the condensed structure of carbon dots have been confirmed.Secondly, the influence of the excitation wavelength and concentration on the fluorescence property of carbon dots also have been tested.Then, the effects of different pH environments on the fluorescence properties of carbon dots were studied. Finally, the quenching effect of Pb² concentration on the fluorescence properties of carbon dots was investigated.Finally, it was concluded that Pb² has an important influence on the fluorescence properties of carbon dots in the range of our measurements.The higher the concentration of Pb² is, the stronger the quenching effect on carbon dots is..

Key words: Pb² ;Carbon Dots,;Fluorescence; Quenching

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 引言 1

1.1 碳点的相关概述 1

1.2 碳点的常用制备方法 1

1.2.1 硝酸回流法 1

1.2.2 模板法 1

1.2.3 微波合成法 2

1.2.4 水热法 2

1.2.5 电弧切割法 2

1.2.6 激光消融法 2

1.2.7 电化学氧化法 2

1.3 碳点的应用 3

1.3.1 碳点在生物方面的相关应用 3

1.3.2 碳点的光催化应用 3

1.3.3 碳点在离子检测方向的相关应用 3

1.3.4 碳点在其它方向上的应用 3

第二章 实验部分 4

2.1 实验仪器与试剂 4

2.2 主要实验流程 4

2.3具体实验制作步骤 5

2.3.1 碳点的制备 5

2.3.2 确认最适激发波长 5

2.3.3 确认最适碳点浓度 6

2.3.4 探究pH对碳点荧光强度的影响 6

2.3.5 探究铅离子（Pb² ）对碳点荧光的淬灭影响 7

2.3.6 反应时间对碳点荧光强度的影响 7

2.3.7 碳点的紫外吸收检测 8

第三章 实验结果与讨论 9

3.1 产品的检测表征 9

3.1.1 产品的红外检测图谱分析 9

3.1.2 碳点的XRD检测图谱分析 10

3.2 碳点的荧光性能分析 10

3.2.1 确认最适激发波长 11

3.2.2 确认最适碳点浓度 12

3.2.3 pH对碳点溶液的荧光强度的影响 15

3.2.4 Pb² 浓度对碳点溶液的荧光强度的影响 17

3.2.5 反应时间对碳点荧光强度的影响 19

3.3 碳点的紫外可见吸收光谱 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

致 谢 22

参考文献（References） 23

引言

1.1 碳点的相关概述

碳点（carbon dots,CDs）又被称为碳量子点，是在本世纪初发现的一种新型碳纳米材料。具有碳源广泛、光稳定性强、制备简便、亲水性好、易于修饰、细胞毒性低、继承了碳纳米材料良好的生物相容性、荧光性能优异这些优点^[1]。而成熟的表征手段揭开了纳米材料独特理化性质的神秘面纱，独特的理化性质使其被发现之后就成为荧光纳米材料新秀，因此，碳点在分析检测、体内外成像、疾病诊断、生物传感、纳米医学及光电催化等领域中具有良好的应用前景^[2]。广泛的应用前景使得纳米材料的重要性日益凸显，使得越来越多的人对碳点进行研究。

虽然，碳点的应用前景很广泛，可是目前，对于碳点的研究还处于初级阶段，实验方案和理论研究都很不成熟^[3]。也正是因为这些不成熟，吸引着大量科研工作者们对其研究的热情。

1.2 碳点的常用制备方法

由于人们对碳点研究的进步，从碳点的发现在现在的在各领域的合成应用，碳点的合成方法也慢慢开始朝着操作简单、步骤少、合成过程相对安全、合成所需条件也是很容易在一般实验室就是能达到的方向发展^[4]。碳点的合成方法已有较多文献报道，目前合成碳点的方法主要分为两大类：bottom-up（自下而上）和top-down（自上而下）两种方法^[5]。从字面上看，我们可以知道自下而上是指碳点的形成主要来自称为碳源的引物，它主要包括硝酸回流法、模板法、微波合成法、水热法等^[5]。而同样，我们可以知道从高到低就是指将碳点从相对来说比较大的碳结构材料中形成或剥离出碳点出来，如碳点的电弧切割法以及激光消融法、电化学氧化法。

1.2.1 硝酸回流法

将干净的玻璃片放置在蜡烛火焰上方来收集蜡烛灰，然后利用硝酸将收集到的蜡烛灰在加热回流的条件下氧化，再经过离心、透析、凝胶电泳等多步纯化后，得到粒径小于2nm的荧光碳点。此方法的制备和分离过程比较复杂，而且得到的量子产率较低^[6]。

1.2.2 模板法

在碳点的合成方法中模板法是用的比较多的一种，主要的模板有：多孔碳，分子筛等。如果用多孔碳来合成碳点，可用柠檬酸做碳源，首先先制备小孔径的多孔二氧化硅球，然后将它加入到柠檬酸里去，（这样做的目的是为了控制柠檬酸的厚度，从而可以有效的控制碳点的粒径）与氯化钠，氯化锂等组成的混合溶液中进行超声分散后，放入恒温干燥箱中进行高温煅烧，最后除去模板^[5]，可以得到小粒径的碳点。但是这种方法的缺陷就在于最后一步去除模板的过程中，碳点的荧光性能会被所使用的强酸和强碱影响。

1.2.3 微波合成法

将聚乙二醇和糖（葡萄糖、果糖）的混合溶液放在一个500W的微波炉里加热2-10分钟，随着反应进行，溶液颜色由无色经浅黄向棕黑色转变，产物加水稀释后即可得到荧光碳点，得到的碳点其粒径大小和荧光性能可以通过改变微波加热时间来改变，利用微波法制备碳点的核心在于利用微波炉内大量的热可以在短时间内聚集，来促使碳源转变成碳点。这个方法由于反应效率高、合成时间短、操作简单而使得其成为制备碳点的常用方法之一。

1.2.4 水热法

我们所说的水热法^[7]就是指在寻找到合适的碳源后，将其放在高压反应釜中反应若干时间合成得到碳点的方法。如在本论文中采用就是水热法来进行实验的，采用柠檬酸作为碳源，用水作溶剂，在水热反应釜中，于180摄氏度下水热反应6个小时，等到自然冷却至室温后，进行冻干以除去溶液中的水，便可得到我们所需要的碳点。水热反应是用的最多的碳点制备方法之一，主要原因是它操作起来相对来说比较简单，且并不需要什么昂贵的仪器，方便在高校实验室制备，而其最大的好处在于它可以用的碳源种类十分的繁多。比如像自然中的含碳的材料都有可能被用作碳源，而这些自然界中自然存在的材料大多是无毒无害、价格低廉的环境友好型材料，这也符合当今绿色化学发展的要求^[8]。纵观水热法的这些好处，本论文也选用的这种方法。

1.2.5 电弧切割法

电弧切割法是通过收集电弧放电而得到所要的烟灰，然后用氨氮水和火碱对得到的烟灰进行初步处理，然后将得到的黑色悬浮液用溶胶电泳分离，得到含有碳点的混合物体系，再经过继续分离，得到在365nm的紫外灯的照射下会发出蓝绿色、黄色和橙色荧光的三种不同碳点^[9]。然而，这种方法的实验过程相对来说很繁锁，且产率也不高，最重要的一点是不好进行后期的纯化，基本上是不能完成后期纯化的，产物收集困难，所以，这种方法的实用性不高，不推荐采用这种方法。

1.2.6 激光消融法

在氩气的环境下，将石墨粉和黏土进行混合、烘焙、固化、退火处理，得到碳靶物放在75KPa、900摄氏度的以氩气为载体的水蒸气中，用Nd-YAG激光器消融碳靶物，得到碳纳米粒子初产物，再将其通过氨氮水回流氧化，并用有机物聚乙二醇（PEG）纯化处理，得到具有强荧光发射的碳点^[10]，荧光量子产率为4%-10%。该方法制备过程极其复杂且实验条件尤其苛刻，不建议采纳该方法。

1.2.7 电化学氧化法

以多壁碳纳米管作为工作电极，0.1mol/L的四丁氨高氯酸盐乙腈溶液作为支持电解液，利用三电极体系环伏安法处理工作电极，制备出由多壁碳纳米管脱落、积累而成的荧光碳点。该碳点发出蓝色荧光，粒径约为2.8nm，产率为6.4%，但是由于制备过程中使用了重金属电解液，因而限制了其在生物领域中的应用。

1.3 碳点的应用

1.3.1 碳点在生物方面的相关应用

在前面我们已知，碳点拥有无毒无害，绿色环保，同时其相对粒径又较好并且水溶性和光稳定性强等这些优点，已经成功地在一定程度上使得碳点慢慢替代了传统的半导体量子点从而成为了一种受到众多科研工者喜爱的新型绿色的生物标记用的试剂，就现在而言，碳点已经应用到了生物中，包括细胞成像，生物示踪，活体成像，药物追踪等多个领域^[11]。

1.3.2 碳点的光催化应用

纳米光催化剂在纳米科学领域一直是一个经久不衰的话题，研究者以设计出具有强度大、特殊选择性、化学活性可调节的纳米催化剂为研发目标。优异的光催化剂可以利用可见光甚至近红外光，具有环境友好、光稳定性强（反光腐蚀）、价格低廉等优点。碳点所具有的上转换荧光性质和光诱导电子转移的特点，使得碳点被广泛用于光催化剂的设计领域。

1.3.3 碳点在离子检测方向的相关应用

在离子的检测中，碳点可以说是新型的荧光探针。这是因为经过科学家们的研究发现因为碳点和荧光标记物（FAM）之间会发生电子的转移作用从而会使得荧光标记物会和单链DNA 的光子产生的数量在极少的时间内衰减或消失没有。但有科学家发现当在碳点中加入重金属后会使DNA的荧光强度成倍的增加。从而这一发现就可以被用来检测重金属的含量的多少^[12]。并且碳点因其特有许多诸水溶性好，价格便宜毒性低等好处，已经慢慢开始代替其它的指示探针进而成为了一种十分好用的新型荧光探针。

1.3.4 碳点在其它方向上的应用

如前所述，碳点因其毒性小，水溶性好，光稳定性强等诸多优点。碳点应用到的领域自然而然的也就变的很多，其它还有诸如：双光子成像，光电器件，药物运输，免疫测定等领域^[13]。相信随着人类科学技术的发展，人们对于碳点的许多性质都会加以研究，当然我们有理由相信,像碳点这样有许多好处的材料在以后必然会发挥出更大的作用，从而为人类的科学技术的发展发挥出更多的便利，为科学技术的发展提供更便捷的手段，这一点在短时间内是可以期待的。

实验部分

2.1 实验仪器与试剂

表2.1 实验主要仪器

玻璃仪器：100mL烧杯、500mL烧杯、50mL量筒、10mL量筒、胶头滴管、玻璃棒、50mL酸式滴定管、250mL容量瓶、100mL容量瓶、比色皿

常用实验装置与物品：称量纸、药匙、洗耳球、保鲜膜、pH试纸、水热釜、pH计、擦镜纸、卫生纸

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