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炭量子點2023/9/131炭量子點2023/7/3111背景美國克萊蒙森大學(xué)的科學(xué)家首次制造出一種新型的碳納米材料—碳量子點。與各種金屬量子點類似,碳量子點在光照的情況下可以發(fā)出明亮的光。最近幾年,量子點的研究非常活躍,尤其是關(guān)于它在生物和醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,包括改進生物傳感器、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和微小的發(fā)光二極管的很廣的領(lǐng)域中都有應(yīng)用前景。量子點一般是從鉛、鎘和硅的混合物中提取出來的,但是這些材料一般有毒,對環(huán)境也有危害。所以科學(xué)家們開始在一些良性化合物中提取量子點。2023/9/1321背景2023/7/312因為碳納米粒子具有很大的表面積,所以長期以來科學(xué)家們一直認為這種納米粒子相比宏觀碳,具有非常奇特的化學(xué)和物理性質(zhì)。孫亞平和同事從石墨中提取出炭納米粒子,并且證明這些粒子表面覆蓋一種特殊的聚合物后,在光照下可以發(fā)出非常明亮的光,就像是微小的光球一樣??茖W(xué)家們認為這種光致發(fā)光現(xiàn)象可能是由于碳量子點表面的空洞可以儲存能量造成的。而金屬量子點的發(fā)光機制則稍微有些不同。相對于金屬量子點而言,碳量子點無毒,對環(huán)境的危害小,造價也更便宜。由它制成的傳感器可以用來探測爆炸物和炭疽熱等生化戰(zhàn)劑??巳R蒙森大學(xué)化學(xué)博士孫亞平說:“碳不是半導(dǎo)體,發(fā)光碳納米粒子不管是從理論角度還是從應(yīng)用角度看都是非常有意思的。它代表著發(fā)光納米粒子研究的一個新的平臺。背景2023/9/133背景2023/7/3132性質(zhì)碳量子點具有傳統(tǒng)量子點不具有的優(yōu)點,他既具有納米粒子的小尺寸特點,又具有量子點的熒光性質(zhì),還有非常好的生物相容性。由于量子點尺寸小,其載流子的能量呈量子化,使量子點有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)性能。當(dāng)碳量子點被一定波長的光激發(fā)時,電子躍遷到高能級上,然后在回到基態(tài)發(fā)射熒光,這是碳量子點的熒光物質(zhì),當(dāng)有對碳量子點有反應(yīng)的物質(zhì)和量子點集合后,碳量子點的熒光峰的強度會減弱,進而斷定溶液中存在削弱碳量子點熒光的物質(zhì),碳量子點也就是通過這種熒光能力可以進行大量物質(zhì)的痕量檢測。碳量子點的光學(xué)性質(zhì)優(yōu)良,穩(wěn)定性高,熒光量子產(chǎn)率高、熒光壽命長。2023/9/1342性質(zhì)2023/7/3143合成方法碳量子點由于具有相對較高的量子產(chǎn)率以及更小的尺寸被認為是最有前途的材料。可以通過激光銷蝕石墨,羧化作用的碳納米管或蠟燭灰燼的羧化作用,和質(zhì)子束照射納米金剛石來制備。盡管納米金剛石具有低的細胞毒性和不易光褪色的優(yōu)良性質(zhì),但它的粒子太大,直徑100納米,并且成本高昂,這些原因限制了碳納米金剛石的使用。具有良好的結(jié)構(gòu)的碳量子點具有非常好的性質(zhì),合成碳量子點的方法有如下幾種:電弧法激光剝蝕法燃燒-水熱法微波法模板合成法電化學(xué)合成法2023/9/1353合成方法碳量子點由于具有相對較高的量子產(chǎn)率以及更小的尺寸被Xu等人無意中合成了碳量子點,是合成碳量子點最早的報道。通過電弧法合成碳納米管,將炭灰加入到硝酸溶液中,結(jié)果獲得了帶有羧酸根的碳量子點,增加了其水溶性,然后用氫氧化鈉溶液進行萃取,再對獲得的黑色懸濁液進行凝膠電泳操作,獲得碳納米材料和碳量子點。
碳量子點根據(jù)尺寸分有三種尺寸,分別發(fā)出不同的熒光。這是一種常用的量子點合成方法,在特制的密閉反應(yīng)器中,采用特定溶劑作為反應(yīng)體系,再將反應(yīng)介質(zhì)加熱到(或接近)超臨界溫度。該法優(yōu)點是操作簡單,所用原料毒性小、價格低,且制得的顆粒細小均勻,尺寸可控,但是,所得量子點的熒光產(chǎn)率低,尺寸分布較大。電弧法合成方法12023/9/136Xu等人無意中合成了碳量子點,是合成碳量子點最通過激光剝蝕的方法也可以合成碳量子點。例如,將石墨粉和水泥混合后,烘烤,固話,熱處理后獲得碳靶,高溫高壓下,Ar氣流中通過激光對碳靶進行灼燒。將產(chǎn)物在硝酸溶液中回流過夜酸化后獲得尺寸為3到10nm的碳量子點。激光剝蝕法制作碳量子點的方法比較多樣,這只是其中的一種制備碳量子點方法。激光剝蝕方法制備的碳量子點比較復(fù)雜,操作繁瑣。激光剝蝕法合成方法22023/9/137通過激光剝蝕的方法也可以合成碳量子點。例如,將
天然氣或者蠟燭的燃燒殘渣可以用來制備碳納米量子點。Mao等人將玻璃片至于燃燒的蠟燭火焰上方收集蠟燭灰,將蠟燭灰在硝酸中氧化回流12小時,在通過離心,透析,凝膠電泳等手段進行分離,可以得到具有不同發(fā)光性質(zhì)的碳納米量子點。Gianneilis等還建立了通過熱分解低熔點分子一步合成表面秀水?的親水或親油的碳量子點的方法。燃燒-水熱法合成方法32023/9/138天然氣或者蠟燭的燃燒殘渣可以用來制備碳納米量子點把PEG200N和糖類物質(zhì)一起溶在水中,500w的微波加熱2到十分鐘,溶液有無色到黃褐色,最后會變成深棕色,標(biāo)志著碳量子點的合成成功。合成出的碳量子點的大小和光學(xué)性質(zhì)與加熱的時間有關(guān),延長微波時間可以得到尺寸較大,發(fā)射波長較高的碳量子點。PEG200N:聚乙二醇(表面活性劑)微波法合成方法42023/9/139把PEG200N和糖類物質(zhì)一起溶在水中,500w模板法是通過在模板上合成碳量子點,防止碳量子點在高溫處理過程中發(fā)生聚集和團聚。?Liu等利用表面活性劑修飾后的氧化硅球作為反應(yīng)的支撐模板,在模板的表面上做嵌段共聚反應(yīng)。模板合成法合成方法52023/9/1310模板法是通過在模板上合成碳量子點,防止碳量子點Zhou等首先報道了電化學(xué)合成碳量子點的方法。電化學(xué)法制備碳量子點是利用RST電化學(xué)工作站進行電化學(xué)線性掃描循環(huán)伏安法掃描。用三電極體系(銀電極為參比電極,石墨棒分別作為對電極和工作電極)對溶液中的石墨棒進行電化學(xué)掃描的方法。反應(yīng)過程中,溶液由無色慢慢變成淡黃色再到暗黃色,然后對溶液進行離心和透析處理,變得到水溶性的淡黃色的碳量子點溶液。
此法具有操作簡單,原料豐富簡單,產(chǎn)物單一水溶性好,熒光效果好,熒光穩(wěn)定,靈敏度高,以及容易操作等優(yōu)勢。電化學(xué)合成法合成方法62023/9/1311Zhou等首先報道了電化學(xué)合成碳量子點的方法。電化學(xué)法制4碳量子點的應(yīng)用Cao等最先報道了碳量子點在細胞成像方面的應(yīng)用,選擇人體乳腺癌細胞作為載體細胞,用聚N-丙?;一啺?乙烯亞胺鈍化合成碳量子點標(biāo)記人體乳腺癌細胞。細胞在熒光顯微鏡下表現(xiàn)出強的發(fā)光性質(zhì)。在離子傳感器領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。Lu等[26]使用柚子皮作為碳源,用水熱法合成水溶性碳量子點,可用于免疫標(biāo)記,Hg2+的熒光探針,檢測限達0.23nmol/L。碳量子點可以通過其熒光值得變化測定對碳量子點的感應(yīng)的物質(zhì),且靈敏度高,通過對碳量子點的尺寸,表面修飾集團等的變化獲得選擇性更好的碳納米熒光材料。碳量子點在細胞成像上的應(yīng)用碳量子點在離子傳感器的應(yīng)用2023/9/13124碳量子點的應(yīng)用Cao等最先報道了碳量子點在細胞成像碳量子點的應(yīng)用碳量子點可用于催化還原反應(yīng)。Wang等[22]通過光激發(fā)碳量子點和硝酸銀反應(yīng),可以還原銀,增加銀表面積等。Ming等[23]通過電化學(xué)一步合成碳量子點,對環(huán)境友好,是多層石墨烯的氧化物,具有非常好的光轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì),陽光下可以降解甲基橙。合成的C-dots主要是多層石墨烯氧化物,具有較高的光轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì),表現(xiàn)出類似過氧化物酶的功能,并且在可見光下對甲基橙降解有光催化活性。碳量子點修飾的光電極可以在一定條件下產(chǎn)生光電流,可用于太陽能堅持?材料的摻雜可以轉(zhuǎn)化為電的光從從紫外區(qū)延伸至近紅外區(qū)[24]。Guo等[25]探索了基于碳量子點的一種新型的、環(huán)境友好型的光電子設(shè)備。C-dots也被用于光限幅領(lǐng)域。碳量子點的光催化應(yīng)用2023/9/1313碳量子點的應(yīng)用碳量子點可用于催化還原反應(yīng)。Wang等[14碳量子點是納米材料領(lǐng)域中非常受關(guān)注的材料,通過電化學(xué)合成方法,以簡單的材料來源,低廉的制作成本,合成的簡單快速,比傳統(tǒng)量子點優(yōu)越的性能,低的細胞毒性,良好的生物相容性,環(huán)境友好型等優(yōu)點,被大家廣泛的研究。我們需要對碳量子點的發(fā)光機理做更深入的研究,正因為碳量子點的相比較傳統(tǒng)的半導(dǎo)體納米晶體的優(yōu)點,碳量子點將在生物的研究,藥物殘留,水樣檢測,疾病的追蹤等眾多領(lǐng)域中嶄露頭角。研究還表明,碳量
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