碳量子點的合成及在爆炸物檢測中的應(yīng)用

背景介紹碳量子點通常被定義為小型碳納米顆粒，具有導(dǎo)電性好、化學(xué)穩(wěn)定性高、環(huán)境友好、寬帶光吸收、低毒、強光致發(fā)光性能，可以大規(guī)模制備。隨著人們的深入研究，碳量子點的性質(zhì)和原理也逐漸被人們了解，并開始掌握其制備與應(yīng)用。碳量子點的理化性質(zhì)十分出眾，具有熒光發(fā)光強度高、光電性質(zhì)良好等優(yōu)點，在爆炸物檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文亮點1、本文從近5年比較重要的文獻中綜合了碳量子點的合成方法、表面修飾和在爆炸物檢測中的應(yīng)用共3個方面進行系統(tǒng)的梳理；2、對碳量子點在爆炸物檢測實際應(yīng)用中存在的問題和不足進行了分析和展望。內(nèi)容介紹人們最早于1983年發(fā)現(xiàn)納米金剛石，接連發(fā)現(xiàn)了碳納米洋蔥、納米角和納米錐等碳納米晶體，最終在2004年，南卡羅萊納大學(xué)的華裔化學(xué)家XuXiaoyou發(fā)現(xiàn)了碳量子點，發(fā)展進程如圖1所示。1碳量子點的合成方法碳量子點的合成方法大體分為“自下而上”和“自上而下”兩類，如圖2所示。1.1

化學(xué)氧化法傳統(tǒng)的化學(xué)氧化法通常使用“自上而下”的合成方法來制備碳量子點，HNO3/H2SO4和HNO3是最常用的氧化劑，通過化學(xué)氧化法制備的碳量子點的量子產(chǎn)率通常在1%～20%之間，粒徑在1～10nm之間。1.2

微波輔助法微波輔助法制備碳量子點的反應(yīng)原理主要涉及化學(xué)反應(yīng)和物理作用兩個方面。采用固體酸催化劑催化微波輔助反應(yīng)制備了碳量子點,將從造紙廠中得到的木質(zhì)纖維素殘渣進行研磨后，加入20mL二甲基甲酰胺和0.1g固體酸催化劑混合，在100℃下反應(yīng)。最終溶液在室溫下冷卻，經(jīng)離心、過濾和真空干燥24h后得到碳量子點，如圖3所示。1.3

水熱法水熱法制備的碳量子點具有較強的熒光性能，無需進行其他的修飾即可溶解于水和大多數(shù)極性有機溶劑，可以通過調(diào)節(jié)水熱溫度和時間來控制所獲得的碳量子點的粒徑和量子產(chǎn)率。將無果肉檸檬汁與乙醇混合，在120℃左右的恒溫下加熱3h，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻至室溫得到深棕色產(chǎn)物，洗去未反應(yīng)的有機部分，離心分離得到制備的碳量子點。與已知的制備方法相比，采用了更低的溫度和更短的時間，過程示意圖見圖4。以橘子汁為碳源，未進行化學(xué)添加和后處理，通過一步水熱法合成了水溶性碳量子點，首次發(fā)現(xiàn)了形狀類似長方體的碳量子點顆粒，且該碳量子點得到的碳量子點/PVA聚合物復(fù)合材料的油墨可以用作鍍金油墨，如圖5所示。2碳量子點的表面修飾碳量子點的表面性質(zhì)高度依賴其表面狀態(tài)，表面修飾是改變碳量子點表面特性常用的方法之一。該方法在碳量子點制備過程中十分重要，通過表面修飾可以實現(xiàn)如下目的：改善其穩(wěn)定性；提高其分散性；改變其表面電荷性質(zhì)；引入功能基團；提高其生物相容性。3爆炸物檢測根據(jù)炸藥所含主要成分化學(xué)性質(zhì)的不同可分為有機炸藥、無機炸藥和混合炸藥。諸如高效液相色譜(HPLC)、液相色譜-質(zhì)譜(LC-MS)、氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)等傳統(tǒng)方法檢測爆炸物，具有靈敏度高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點，碳量子點通過表面修飾或選擇合適的量子點形式，可以實現(xiàn)對TNT的檢測，如圖9所示。4結(jié)論與展望近年來，碳量子點作為一種新型熒光探針在爆炸物檢測領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，雖然研究人員已經(jīng)通過實驗取得了一定的研究進展，但在實際應(yīng)用中還存在一些問題和局限性：（1）靈敏度需要進一步提高；（2）選擇性存在局限性；（3）實際應(yīng)用受到限制。對此，未來的研究可以