摘 要

碳点（CDs）是一种新型碳纳米材料，它具有优异的光学性能、良好的水溶性、低毒性、良好的生物相容性等性能优点，在诸多领域显示出诱人的应用前景^[1]。壳聚糖是由自然界普遍存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰得到的一种生物多糖类天然高分子材料，具有良好的生物相容性、生物降解性、来源广泛和无毒性等特点，已经受到了研究者的普遍关注。本工作利用壳聚糖水溶液作为制备碳点/壳聚糖复合物的唯一反应物，壳聚糖不仅可以用作制备碳点的碳源，而且还可以直接应用于电沉积技术。本工作制备生成的碳点/壳聚糖复合物同时具备碳点及壳聚糖两者的性能，即不仅具有碳点的荧光性能特点，而且也具备壳聚糖的pH刺激响应性和成膜性能。

本工作首先采用微波原位法制取碳点/壳聚糖复合物，该方法操作简单、反应迅速、设备方便等优点，微波法被广泛研究，并且日趋成熟。将制得的碳点/壳聚糖复合物进行一系列的表征分析，包括利用粒径及粒径分布，紫外光谱等对碳点/壳聚糖复合物进行分析，并通过透射电子显微镜对该复合物进行形貌表征。本工作还开展了利用电沉积技术构建碳点/壳聚糖电化学检测器的研究，通过电化学实验（循环伏安、交流阻抗、电流-时间曲线等）对电化学检测器的电性能变化、检测灵敏度等进行分析，开展了碳点/壳聚糖电化学检测器检测水合肼的研究。本工作所采用的碳点/壳聚糖电化学检测器的构建方法具备简单方便、制备条件温和（室温水溶液体系）、快速高效和无溶剂化的特点，为构建新型碳点生物传感器和检测器提供有价值的理论和实践依据。

关键词：碳点，壳聚糖，电沉积技术，电化学检测器，纳米复合材料

Abstract

Fluorescent carbon dots (CDs), a new class of carbon nanomaterials emerged recently, have drawn considerable research interest for their favorable properties such as photostability and biocompatibility, low toxicity, multicolor fluorescence, and environmental friendliness. Chitosan, an amino-polysaccharide derived by deacetylation of naturally abundant chitin, exhibits a great number of appealing properties such as biocompatibility, biodegradability and no toxicity. In our work, we use the solution of chitosan as the only reactant of this work for the production of the carbon dots/chitosan composite. Because chitosan can not only be used as a carbon source for preparing carbon dots, but also can be applied to electrodeposition technology. The prepared carbon dots/chitosan composite has the properties of both two materials. That is the carbon dots/chitosan composite not only has the multicolor fluorescence from carbon dots, but also retained the pH-responsive film-forming properties of chitosan.

In this work, carbon dots/chitosan composite is prepared by microwave. Microwave method is widely studied by its advantages of simple operation, quick reaction and convenient equipment. The carbon dots/chitosan composite was carried out a series of characterization, including particle size and particle size distribution, which proved the synthesis of carbon dots. Carbon dots/chitosan electrochemical detector was constructed through the controllable electrodeposition. By electrochemical experiments (cyclic voltammetry, current - time curve, etc.), the performance of the device is analyzed. It is proved that the carbon dots/chitosan electrochemical detector can detect hydrazine hydrate. Therefore, the carbon dots/chitosan detector has potential application in fluorescence materials and biological detection.

Key Words：Carbon dots, chitosan, electrodeposition, electrochemical detector, nanocomposite material

目 录

第1章 绪论 1

1.1 碳点 1

1.1.1 碳点简介 1

1.1.2 碳点在电化学检测方面的应用 1

1.2 壳聚糖 2

1.2.1 壳聚糖简介 2

1.2.2 壳聚糖的电沉积技术 3

1.2.3 壳聚糖在检测方面的应用 4

1.3 电化学检测器 4

1.4 本课题的目的和意义 5

1.5 本课题的设计思路 6

第2章 实验部分 8

2.1 引言 8

2.2 实验材料及设备仪器 9

2.3 实验过程 10

2.3.1 壳聚糖溶液的制备 10

2.3.2 碳点/壳聚糖复合物的制备 10

2.3.3构建碳点/壳聚糖电化学检测器 10

2.3.4碳点/壳聚糖电化学检测器的应用 11

2.3.5 表征 11

第3章 实验结果与讨论 13

3.1 碳点/壳聚糖复合物的制备 13

3.2 表征 13

3.2.1 透射电子显微镜 13

3.2.2 粒径分析 14

3.2.3 紫外光谱 15

3.2.4 荧光光谱 15

3.3碳点/壳聚糖电化学检测器 16

3.4碳点/壳聚糖电化学检测器电化学实验结果分析 17

3.4.1 循环伏安扫描曲线 17

3.4.2 电流-时间曲线 18

第4章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 碳点

1.1.1 碳点简介

碳点是指粒径小于 10 nm 的具有光致发光性的粒子，具有较强的边缘效应和量子局限效应^[1]。碳点的碳核表面由多种官能团组成（包括羰基、羧基和羟基等），在溶液中保持优良的单分散性。碳点作为新兴的荧光碳纳米材料，不仅继承了碳基材料低毒性、生物相容性好、绿色环保等特性，还兼具荧光稳定性好、导电性、优异的水溶性、制备原料来源广泛价格低廉、合成工艺简单等诸多优点^[2-4]。

碳点在紫外灯下显示蓝色荧光^[5]。在蓝光材料中，碳点有很强的抗漂白特性，即使在高功率激光照射下，其稳定性仍然表现良好^[6]，这对于碳点在检测方面的应用是非常有利的。碳点是纳米粒子，这个特点也可以增强检测效果，而近几年的研究也揭示了碳量子点在生物成像、有机光伏、LED、离子检测（金属离子、有机小分子、阴离子和生物分子）以及光催化等领域具有潜在应用价值，这使碳量子点成为代替半导体量子点的理想材料成为可能。