论文总字数：16955字

摘 要

碳量子点（CQDs）是一种新型荧光碳纳米材料，不仅具有优异的水溶性和光稳定性，还有低毒性及很好的生物相容性，因此也是量子点研究中的一个热点。本实验主要以夹竹桃叶为原料，通过水热法一步合成碳量子点，不仅制作方法简单，并且有绿色环保的优势。实验合成的碳量子点具有优异的荧光性能，其荧光量子产率为19.9 %。研究发现，在相同条件下，与其它金属离子相比，该碳量子点对Fe³ 离子具有良好的选择性。通过更进一步研究发现，在水溶液中碳量子对Fe³ 离子的检测线性范围为5 µM - 230 µM，并且可以使用柠檬酸（CA）来恢复该碳量子点的荧光。因此，本实验建立了一种具有高选择性地检测Fe³ 离子并且还能恢复该碳量子点的荧光的方法。

关键词：碳量子点 荧光 夹竹桃叶 Fe³ 柠檬酸

Synthesis of fluorescent carbon quantum dots from plants

Abstract

Carbon quantum dots (CQDS) is a new fluorescent carbon nano material, which not only has excellent water solubility and light stability, but also has low toxicity and good biocompatibility, so it is also a hot spot in quantum dots research. In this experiment, the carbon quantum dots were synthesized by hydrothermal method from oleander leaves. The method is not only simple, but also has the advantage of environmental protection. The experimental synthesized carbon quantum dots have excellent fluorescence properties, and their fluorescence quantum yield is 19.9 %. It is found that under the same conditions, compared with other metal ions, the carbon quantum dots have good selectivity for Fe³ ions. Through further study, it is found that the linear range of detection of Fe³ ions by carbon quantum in aqueous solution is 5 µM - 230 µM, and citric acid (CA) can be used to restore the fluorescence of the carbon quantum dots. Therefore, a highly selective method for detecting Fe³ ions and recovering the fluorescence of the carbon quantum dots has been established.

Key words: Carbon quantum dots； Fluorescence； Oleander leaves； Fe³ ；

citric acid

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1. 碳量子点概述 1

1.2. 碳量子点的合成方法 2

1.2.1. “自上而下”法 2

1.2.2. “自下而上”法 2

1.3. 碳量子点的光谱学特性 3

1.3.1. 紫外吸收特性 3

1.3.2. 荧光特性 3

1.4. 植物合成荧光碳量子点的研究进展 4

1.5. 本论文选题的内容及意义 5

第二章 荧光碳量子点的合成与表征 6

2.1. 实验试剂及仪器 6

2.2. 荧光碳量子点的制备 7

2.3. 荧光碳量子点的最佳实验浓度的寻找 8

2.4. 荧光量子产率（ QY ）的测量与计算 8

2.5. Fe³ 离子的测定 8

第三章 结果与分析 10

3.1. 碳量子点的紫外-可见吸收光谱 10

3.2. 碳量子点的荧光光谱 10

3.3. 碳量子点对金属离子的选择性 13

3.4. 碳量子点对Fe³ 离子的识别 13

3.5. 柠檬酸对碳量子点的荧光恢复 15

第四章 结论与展望 18

致谢 22

绪论

碳量子点概述

半导体量子点（QDs）的发现是荧光纳米材料的发展过程中的一个重大里程碑。半导体量子点有着发射波长可控，发光效率高和光稳定性良好等特点，然而，由于大多数高性能半导体量子点是由镉等有毒重金属元素组成的^[1]，这便意味着这些半导体量子点虽然有着优良的光学性能，但是在实际生产制备中会对环境产生污染并且在生物领域中的应用也会受到限制。因此，更绿色、更低毒和兼容性更强的量子点材料成为了量子点研究的主要方向^[2]。

碳纳米材料的时代始于80年代中期对富勒烯及其相关化合物的首次报道，此后这一领域的研究活动有了巨大的增长^[3]。碳纳米材料指的是分散相中至少有一维在纳米尺度（1 ~ 100 nm）的碳材料^[4]，例如，富勒烯、碳纳米管（如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管）、纳米金刚石、石墨烯和碳量子点^[4]等，这些碳纳米材料吸引着研究者们的目光。碳元素是自然界中含量最丰富的元素之一，碳元素的sp1、sp2、sp3三种杂化方式及sp2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性的，使得碳材料的种类丰富多样。碳纳米材料的尺寸、形状、表面结构、合成与纯度、稳定性以及材料之间和材料与环境之间的相互作用都是需要被分析和表征的重要物理量^[5]。

碳量子点（CQDs）是一种粒径小于10 nm的分散的类球形荧光碳纳米粒子^[5]，因为其具有荧光特性，也被称为荧光碳量子点。2004年Xu^[6]等利用电泳纯化由电弧放电法制备的单壁碳纳米管时，首次得到蓝光发射的碳量子点。Sun^[7]等以氩为载气，在水蒸气存在下，通过激光烧蚀碳靶制备了荧光碳纳米点，并将其命名为“carbon dots”。与传统量子点相比而言，二者均具有优异的荧光性能和纳米尺寸这一特性，但是碳量子点本身并不含任何有毒重金属元素，然后其还具有很好的水溶性、低毒性、高耐光漂白性和良好的生物相容性等特性。碳量子点独特的光物理和化学特性使得其在多个领域内得到了应用，例如光学^[8]、催化化学^[9]、生物医学（生物传感^[10]和生物成像^[10]）和化学传感^[11]等领域。

碳量子点的合成方法

目前，碳量子点的合成大致可分为“自上而下”和“自下而上”的方法。“自上而下”法合成碳量子点是通过物理和化学方法分离碳材料来实现的。而“自下而上”法合成碳量子点主要涉及有机小分子热解或碳化。在碳量子点的合成中，原料的选择范围广泛，包括有机小分子和生物质材料。目前，生物质材料已广泛应用于碳量子的合成，因为它们具有可再生的特性^[12]。

“自上而下”法

“自上而下”的合成路线是指通过各种途径将尺寸大的碳材料剥离成尺寸较小的碳颗粒，通过对颗粒表面进一步的修饰来提高碳量子点的发光效率^[13]。“自上而下”法主要包括电弧放电法^[6]﹑激光烧蚀法^[7]﹑电化学氧化法^[14]等。

以电弧放电法制备的碳量子点，粒径小并且含氧量很大，而且无需修饰就能发出荧光，但是其粒径不均一，并且产率极低。以激光烧蚀法得到碳量子点不仅粒径不够均匀，而且产率极低，最重要的是其制备成本过高，因为其需要相对较高的设备要求。不过也存在着在质量方面优于前两种方法的方法，那便是电化学氧化法，以此方法得到的碳量子点不仅粒径较均匀，产率高，而且反应条件也较温和，对环境的污染程度较小，但是此方法也并不是最优良方案，因为其需要特殊的设备，适用反应的范围小。

“自下而上”法

“自下而上”制备碳量子点的方法倾向于从小变化，大多数情况下，化学合成法为常用的方法，通过不同的化学反应制备碳量子点^[13]。主要包括燃烧法^[15]、微波法^[16]、水热法^[14]及其他一些方法。

以燃烧法制备碳量子点在扩大化生产方面有着一定优势，因为制备的成本较低，原料较为丰富。以微波法制备碳量子点操作简单，实验过程中具有高效性，微波法能迅速达到反应所需要的温度和能量，同时还能保证在过程中加热均匀。不过在众多方法中值得重点关注的是以水热法制备碳量子点，水热法出现于19世纪中叶法国地质学家对于自然界中成矿作用的模拟，随后此方法成为功能材料研究过程中的重要的一种合成方法。其主要原理是在高温高压的条件下，小的有机分子通常经过缩合、聚合、碳化和钝化的反应过程，最终形成碳量子点^[17]。但是使用这种方法时反应温度应低于反应物的熔点。对于水热法中的碳化过程而

言，存在着两个显著的影响因素，即反应温度和反应时间，这两个影响因素直接决定碳量子点的发光效率和光学性能^[12]。以水热法制备的纳米材料晶粒发育比较完整、粒径大小均一，并且在反应过程中水热法能够将制备和掺杂功能合二为一，将繁琐的步骤简单化^[18]。而且由于反应是在反应釜中完成的，可以有效防止反应物质挥发，这样能有效避免合成过程对操作人员的伤害和对环境的污染^[18]。

碳量子点的光谱学特性

碳量子点的光致发光是其最有优势的性质之一，但是由于碳量子点的结构复杂性，表面态不清楚性，目前，对于碳量子点的发光机理还没有定论，但是通过许多研究人员的研究，得到了三种可能的解释^[13]：（1）Bourlinos^[19]等认为碳量子点光致发光是由于反应生成了多种芳香化合物造成的，但是这一原理主要针对经热分解有机物而得到的碳量子点；（2）碳量子点能够发出不同波长的光是由于其不同的粒径而引起的^[20]；（3）Sun^[13]等提出的观点：碳量子点发光是由于在其表面存在能量陷阱，经表面修饰后即可发光。

碳量子点的光谱学特性主要包括紫外吸收特性和荧光特性，并且荧光特性是碳量子点最突出的发光特性^[21]。

紫外吸收特性

碳量子点在紫外光区光谱吸收较强，主要在270 ~ 320 nm的紫外光区有吸收，经过修饰后的碳量子点吸收波长会相应有所增加，有一些碳量子点的吸收峰出现的位置可以在可见光区^[21]。

荧光特性

碳量子点的优良荧光性质主要表现为拥有宽且连续的激发光谱，荧光稳定性好，耐光漂白，发射波长有的下转转换，有的保持不变，甚至还有的具有上转换性能^[21]。上转换荧光是一种反斯托克斯发光，通常是分子的发射能量高于激发能量。而传统的发光致光现象是斯托克发光，通常是分子的发射能量低于激发能量，属于下转换发光，与上转换发光相反^[18]。光漂白指在光的照射下荧光物质所激发出来的荧光强度随着时间推移逐步减弱乃至消失的现象^[22]。研究人员通过固定激发波长对碳化程度不同的碳量子点进行光漂白实验，他们得到一个重要结论，即碳化程度程度不同的碳量子点具有不同的抗光漂白能力，碳化程度越高，该碳量子点的抗光漂白稳定性越强^[22]。

植物合成荧光碳量子点的研究进展

大自然的物种的多样性推动着研究者们不断去开拓以天然物质为原料合成碳量子点这个研究领域，例如以银杏果^[23]，草鱼鳞片^[24]，何首乌^[25]等合成碳量子点，并且就天然植物而言，其有着绿色可再生的优势，不同的植物品种和同一植物品种不同的部分，均具有着重要的研究意义，而且通常以天然植物合成碳量子点的制备方法对于化学品的使用很少，而且由于天然产量多的缘故，使得规模化制备有着可行性。

2012年Liu^[26]等以天然物质青草为原料，利用水热法合成低成本、绿色氮掺杂、富碳、光致发光的聚合物纳米点，为了评价其作为Cu² 离子荧光传感平台的性能，Liu^[26]等对吉林省长春南湖湖泊水样进行了真实水样分析，尽管湖水中存在大量矿物质和有机物的干扰，但这个传感平台仍然可以区分淡水和500 nM Cu² 离子的淡水，满足美国环境保护局（EPA）对饮用水(20 µM )中Cu² 检测的灵敏度要求。这些结果表明，Cu² 离子荧光传感平台可以进一步发展并能够进行实际有用的Cu² 离子检测。同时这篇论文的发表意味着以天然物质为原料合成碳量子点的大门从此开启了。

刘红英^[27]等以枸杞为原料，采用一步水热法合成了未经表面修饰的荧光碳量子点。合成的荧光碳量子点不仅量子产率高( 54%) ，而且荧光寿命长( 9.04 µS)。文中对碳量子点荧光的猝灭进行了分析，研究发现在混合前碳量子点和Fe³ 分别在 325 nm 和300 nm处各有一个吸收峰，而两者混合后，体系未出现新的吸收峰，通过反应前后吸收光谱的变化推测出该猝灭过程遵循动态猝灭的规律。此外，体系的猝灭速率常数为 1.14 × 10⁹ L·mol^-1·s^-1 ，远小于最大双分子猝灭速率常数 2 × 10¹⁰ L ∙mol^-1·s^-1，再次证明此反应是一个动态猝灭的过程。因此，建立了一种快速检测 Fe³ 离子的传感方法，检出范围为 1 µM ~ 50 µM，检出限为 232 nM。

Jia^[28]等以黑豆为原料，采用一步热解法合成了新型掺氮碳量子点（N-CDs）。所得的掺氮碳量子点具有良好的光致发光性能，可忽略的毒性和较

好的生物相容性等优点，量子产率为38.7 ± 0.64 %，对自由基和Fe³ 离子具有双重响应特性。其对1，1-二苯基-2-吡啶肼（DPPH）和超氧阴离子自由基具有良好的清除活性，并且Fe³ 离子可以通过静态猝灭特性诱导使其的荧光猝灭。作为一个有吸引力的候选，该新型掺氮碳量子点在自由基清除、传感方面显示出巨大的潜力。

本论文选题的内容及意义

碳量子点由于其制备简单、荧光性能优良、生物相容性好、毒性低等优点，受到了广泛的关注。但是目前所合成的碳量子点存在着荧光强度一般较弱或荧光量子产率不高、活性位点相对较少、选择性较差等问题，这些内在缺陷严重限制了碳量子点的广泛应用。采用水热法合成碳量子点可以使碳量子点表面生成多种含氧官能团（羧基、羟基、环氧基等）。Fe³ 离子对于大多数生物体是必不可少的，并且其缺乏和超负荷都会诱发各种生物学障碍^[29]。例如，Fe³ 离子缺乏会导致贫血，过量会导致肝脏和肾脏受损。同时Fe³ 离子是一种用途广泛的化学物质，广泛应用于饮用水的净化、催化某些反应和电子工业。但是由于铁资源的过度利用和含Fe³ 离子的污水排放到水环境中，对自然环境造成了相当大的威胁，因此，开发经济有效的分析手段，对Fe³ 离子进行检测是十分必要的。荧光碳量子点可应用于检测分析环境和生物化学领域中的金属离子，有着检测灵敏、线性范围较宽、检出限低的优点。

本论文期望得到以天然植物为原料制备的有高荧光量子产率的碳量子点，因此本实验以夹竹桃叶为原料，通过水热法合成碳量子点，并对其进行表征，最后利用其荧光特性，建立一种简便、灵敏、高选择性的检测Fe³ 离子的方法，和寻找使被Fe³ 离子猝灭荧光的以夹竹桃叶为原料合成的碳量子点荧光恢复的恢复试剂。

荧光碳量子点的合成与表征

本论文选择夹竹桃叶作为原料，因为它含有大量的功能成分，如植醇、棕榈酸、苹果酸和甲基柠檬素等^[30]。为获得性能适宜的碳量子点，采用简单高效的水热法对夹竹桃叶进行处理。用紫外 - 可见光谱（UV - vis）和荧光光谱研究碳量子点的光学性质。

实验试剂及仪器

夹竹桃叶，一种广泛分布于热带和亚热带地区的观赏植物夹竹桃（白花夹竹桃）的叶子，收集来自当地（中国南京）。所有实验用水均为纯净水购自娃哈哈集团。

表2.1 主要的实验试剂

续 表2.1 主要的实验试剂

如无特殊说明，药品均未经特殊处理。

表2.2 实验所用仪器

荧光碳量子点的制备

（1）用纯净水清洗夹竹桃叶，在室温下完全干燥后，用剪刀剪碎装在洁净的烧杯中备用；（2）准确称取8 g的碎叶，放入到聚四氟乙烯内衬的高压釜并加入25 ml纯净水，在190 ℃的烘箱中加热 10 h；（3）加热结束后，将反应器自然冷却至室温，取液体部分以8000 r/min 离心 5 min，取上层清液用 0.22 µM水系滤膜过滤除去滤渣，得到橘黄色的透明溶液，收集该溶液作为碳量子点储备

液。

荧光碳量子点的最佳实验浓度的寻找

1. 取七只容量为5 mL的离心管，依次阿拉伯数字编号标序并在每一只离心管中加入2 mL纯净水。
2. 在编号为1的离心管中加入1 mL碳量子点储备液，待混合均匀后取其中的2 mL液体加入编号为2的离心管中混合均匀，吸取2 mL编号为2的离心管中的液体加入到编号为3的离心管中混合均匀，以此操作来进行浓度梯度稀释直到第七只离心管被稀释后结束。
3. 取第一只离心管中的液体，测定其荧光强度，找出最佳发射波长和激发波长。
4. 通过步骤（3）测得最佳发射波长和最佳激发波长后，分别对剩余五只离心管中的液体测定荧光强度，通过分析谱图可以找到荧光强度最大所对应的浓度所处的离心管编号。
5. 再进一步通过对此编号前一只离心管中溶液以500 µL一次的添加量进一步稀释，每一此稀释后的液体均进行荧光强度的测试，分析所有谱图得到最佳实验浓度。

荧光量子产率（ QY ）的测量与计算

在激发波长下测定标准样品和碳量子点样品的吸光度值。利用积分发射强度与吸光度的关系绘制曲线。

碳量子点的荧光量子产率按公式 （1）计算，使用硫酸奎宁作为标准品^[31]。

QY =QY_s (K / K_s)(η /η_s) ² （1）

公式 （1）中，QY和QY_s表示碳量子点和标准品的量子产率，QY_s=54 % （硫酸奎宁溶解在0.1 M硫酸中，在波长 360 nm紫外吸光度小于0.1），K表示积分发射强度与吸光度曲线的斜率。η表示溶剂的折射率，在本实验中，η /η_s接近于1。

Fe³ 离子的测定

取最佳浓度配比的碳量子点溶液20 mL，调节PH至3，取2 mL该溶液加入到离心管中，以每次1 µL的体积逐渐向离心管中加入Fe³ 离子溶液（浓度为0.01 mol·L^-1)，轻轻摇匀，室温反应1分钟，在激发波长为360 nm 下分别测得荧光发射谱图。为了评价合成的碳量子点的金属选择性，对不同金属离子，如Cu² ，K ，Al³ ，Mn² ，Ca² ，Ba² ，Cr³ ，Ni² ，Zn² ，Mg² ，Ag ，Co² ，Pb² 这13种金属离子在室温下进行了测试。取13份2 mL最佳浓度配比的碳量子点溶液，并调节PH至相应金属离子最佳测试的PH，然后分别加入相应的金属离子溶液（浓度均为 0.01 mol·L^-1）使得最后金属离子溶液的浓度在20 µmol·L^-1，在激发波长为360 nm下测得荧光发射光谱。用特定金属离子存在时的荧光强度来评价这些金属离子对碳量子点的荧光的猝灭效果。

结果与分析

碳量子点的紫外-可见吸收光谱

如图 1所示，实验分别测量了碳量子点溶液、加入Fe³ 离子溶液、加入Fe³ 离子溶液和柠檬酸溶液的碳量子点溶液及Fe³ 离子溶液四组不同样品的紫外吸收谱图。从图 1 中可以看出，碳量子溶液在287 nm处出现吸收峰，加入Fe³ 离子溶液和柠檬酸溶液的碳量子点溶液在271nm处出现吸收峰，而加入Fe³ 离子溶液后的碳量子点溶液在275 nm处出现吸收峰，这三组样品的吸收度略微有一些改变，但是峰型并没有太大的变化。而Fe³ 离子溶液未出现明显的吸收峰，吸收曲线呈坡状。

图 1 四组样品的紫外吸收谱图和碳量子点溶液的荧光发射和激发谱图

碳量子点的荧光光谱

从图 1中可以得到碳量子点的最大激发波长为360 nm，最大发射波长为439 nm。图 2为在不同激发波长下的碳量子点的发射光谱，从图中可以看出随着激发波长的增大，发射波长在一定程度上随着荧光强度的降低而发生红移，这一现象说明了此碳量子点的发射波长有激发波长依赖性，在激发波长为360 nm时，荧光强度达到最大，此时的发射波长达到最佳。

在本实验中研究了不同NaCl浓度和不同紫外灯照射时间条件下制备的碳量

子点的荧光稳定性。从图 3 中可以看出当NaCl溶液为 0 - 1.0 mol∙L⁻¹时，荧光强度几乎没有变化，说明盐效应对碳量子点的荧光强度没有明显的影响。此外，该碳量子点溶液在紫外灯的照射连续照射下以5 min一次的间隔时间测量其荧光强度，其荧光强度变化不明显，说明该碳量子点具有良好的抗光漂白能力，如图 4 所示

图 2 不同激发波长下对应的碳量子点溶液的荧光发射谱图

图 3 不同浓度的NaCl对碳量子点溶液荧光强度的影响

图 4 在紫外灯连续照射30min下，碳量子点溶液的荧光强度的变化

碳量子点对金属离子的选择性

在与 Fe³ 离子相同的条件下，在其他金属离子( Cu² ，K ，Al³ ，Mn² ，Ca² ，Ba² ，Cr³ ，Ni² ，Zn² ，Mg² ，Ag ，Co² ，Pb² ）存在的情况下，考察了所合成的碳量子点的对金属离子的选择性。从图 5中可以看出大多数的金属离子对于碳量子点的荧光的猝灭程度很小，而相同条件下，在碳量子点中加入Fe³ 离子后可以使得碳量子点的荧光强度下降41 %左右，这说明了Fe³ 离子对于碳量子点的荧光有明显猝灭效果。

图 5 不同金属离子（0.01µmol∙L^-1）存在时碳量子点溶液的荧光强度图

碳量子点对Fe³ 离子的识别

如图 6 所示进行了Fe³ 离子对碳量子点的滴定实验研究，随着Fe³ 离子浓度的增大，碳量子点的荧光强度不断下降，荧光猝灭率为 40 %，图 7 为在浓度为0 µM 至230 µM 的 Fe³ 离子存在下的F₀ - F图，在范围为 60 -100 µM，F₀ - F 与Fe³ 离子浓度有良好线性关系，回归方程拟合为 F₀ - F = 5.7671C(Fe3 ) 304.47463，相关系数为 0.99848。通过滴定实验得到了Fe³ 离子对碳量子点的最佳猝灭浓度，以此浓度为标准新制含Fe³ 离子的碳量子点溶液，并测试了其在连续变化时间内的荧光强度图，如图 8 所示。分析此图可以得知前5 min碳量子点的荧光强度一直在降低，而从第 5 min开始，该量子点的荧光强度变化趋于稳定。

图 6 不同浓度Fe³ 离子存在下，碳量子点溶液的荧光光谱

图 7 不同浓度Fe³ 离子存在下，碳量子点溶液的F₀ - F图

图 8 最佳Fe³ 离子浓度存在下，碳量子点溶液的荧光强度随时间变化图

柠檬酸对碳量子点的荧光恢复

以无水柠檬酸为溶质，纯净水为溶剂，配制浓度为0.01 mol∙L^-1的柠檬酸溶液，调节PH为3，以每次1 µL的体积滴加到含最佳猝灭浓度的Fe³ 离子的碳量子点溶液中，测得荧光强度作图得到图 9与图 10。从图 9中可以直接观察到，随着柠檬酸浓度的增加，碳量子点的荧光逐渐增大，而对应着图 10 来看，柠檬酸浓度达到30 µM时，碳量子点的荧光强度变化趋于平稳，因此判断在此浓度时，碳量子点的荧光恢复达到最大，恢复率为 31 %，在范围为 5 - 25 µM， 荧光强度与柠檬酸的浓度有良好线性关系，回归方程拟合为 F =2.9131C(CA) 905.5887，相关系数为 0.99764。

在得到能使碳量子荧光恢复到最大的柠檬酸浓度后，实验接着测试了同时在最佳恢复浓度的柠檬酸和最佳猝灭浓度的Fe³ 离子存在下碳量子点溶液在连续变化的时间下的荧光强度，如图 11所示。从图 11 可以直观地看出在第 5 min 以后碳量子点的荧光强度变化达到稳定。

图 9 不同浓度的柠檬酸存在下，碳量子点溶液的荧光光谱

图 10 不同浓度的柠檬酸存在下，碳量子溶液的荧光强度变化

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