基于碳量子點的熒光傳感

本書簡要介紹了熒光傳感器、熒光傳感機(jī)制及熒光納米傳感技術(shù)，重點圍繞基于碳量子點的熒光納米傳感技術(shù)，闡述了碳量子點的制備方法、性質(zhì)、功能化、發(fā)光機(jī)理及在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。結(jié)合作者在碳量子點領(lǐng)域的科研工作，詳細(xì)介紹了具體碳量子點的制備、表征、性能研究及其用于黃酮類化合物、人工合成色素、生物小分子、金屬離子、藥物成分和染色劑傳感檢測方面的成果和經(jīng)驗。
本書可供分析化學(xué)及納米材料專業(yè)的科研人員、高校教師、研究生參考。

劉荔貞，博士，山西大同大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，博士期間的研究方向為碳納米材料的合成、表征及性質(zhì)的研究，先后在Talanat、Electrophoresis和RSCAdvances等期刊發(fā)表多篇SCI論文。工作后繼續(xù)從事碳納米材料方面的科研工作，從2016年參加工作到現(xiàn)在，先后主持了一項省科技廳項目和兩項省教育廳項目，發(fā)表碳納米材料相關(guān)的SCI論文10余篇。

（2）熒光特性 熒光性能是 CDs 引人矚目的性質(zhì)之一。與其他熒光材料如含有鎘或鉛的傳統(tǒng)量子點、稀土納米材料和有機(jī)小分子染料相比，CDs 具有更高的光穩(wěn)定性、更高的熒光量子產(chǎn)率、更低的毒性、更好的生物相容性和豐富的低成本來源，在各個領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。CDs 發(fā)光包括光致發(fā)光和上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光【42,43】，前者是斯托克斯發(fā)光而后者是反斯托克斯發(fā)光。斯托克斯發(fā)光是發(fā)射波長比激發(fā)波長長的發(fā)光，反斯托克斯發(fā)光是激發(fā)波長比發(fā)射波長長的發(fā)光。與光致發(fā)光不同，上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光的發(fā)射光的能量比激發(fā)光的能量要高，導(dǎo)致發(fā)射光的波長短于激發(fā)光的波長。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的機(jī)理通常是 CDs 的電子同時吸收了多個光子，導(dǎo)致其被激發(fā)至更高的振動能級。在大多數(shù)情況下，CDs 發(fā)射藍(lán)色或綠色的熒光，這大大束縛了它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上的應(yīng)用。很多研究團(tuán)隊通過改變原材料和反應(yīng)條件合成了紅色或近紅外熒光的 CDs【44,45】。Yang 團(tuán)隊【46】通過調(diào)整硝酸的含量成功制備了熒光量子產(chǎn)率為 31%的紅色熒光 CDs。Xiong 等人【47】以對苯二胺和尿素為原料通過水熱法合成了包括紅色熒光的全色熒光 CDs（圖 2-6）。Sun 團(tuán)隊【48】使用非芳香族化合物檸檬酸和尿素為前驅(qū)體，通過改變反應(yīng)溫度和反應(yīng)物的比例，成功制備了紅色熒光 CDs。

隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，熒光材料在生物、醫(yī)學(xué)、電子器件和光傳感等領(lǐng)域中逐漸發(fā)揮越來越重要的作用。其中熒光傳感器是其應(yīng)用最為廣泛的一種用途。目前利用熒光納米材料構(gòu)建熒光傳感器檢測小分子仍然具有很大的挑戰(zhàn)。自2004年首次發(fā)現(xiàn)碳量子點以來，科研人員對碳量子點的研發(fā)與探究從沒有停止，在碳量子點的合成機(jī)制、材料表征、實際應(yīng)用等方面研究都取得了快速的發(fā)展。碳量子點因其制備簡單、水溶性好、光穩(wěn)定性強(qiáng)、毒性低、生物相容性好、熒光性能可調(diào)等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于熒光傳感領(lǐng)域。碳量子點表面含有豐富的表面官能團(tuán)和較多的活性位點，這使得金屬離子、有機(jī)基團(tuán)等可以通過表面鍵合有效地與碳量子點相互作用，導(dǎo)致碳量子點性能發(fā)生變化而達(dá)到檢測或傳感的目的?；谔剂孔狱c的熒光傳感技術(shù)具有選擇性好、樣品處理簡單、分析速度快、靈敏度高且可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢，在傳感檢測領(lǐng)域具有好的應(yīng)用前景與潛在價值。
筆者自2012年以來，一直致力于碳量子點納米材料的研究工作。本書以筆者多年來在碳量子點熒光傳感方面的研究成果為基礎(chǔ)，重點介紹了不同新型碳量子點納米材料的制備、表征、性能研究及其在熒光傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。具體研究工作包括：碳量子點用于黃酮類化合物的熒光傳感；碳量子點用于人工合成色素的熒光傳感；碳量子點用于生物小分子和金屬離子的熒光傳感；碳量子點用于藥物成分和染色劑的熒光傳感。
本書由山西大同大學(xué)博士科研啟動基金項目（2014-B-13）資助，書中主要內(nèi)容是山西省基礎(chǔ)研究計劃項目（201901D211434）、山西省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新項目（2019L0750，2021L375，2021L387）和大同市重點研發(fā)計劃（2018014）等項目的主要成果。馮鋒教授和蔡明發(fā)教授對本書的完成給予了極大的鼓勵和支持；碩士生李海紅、火興妍、袁琳等人的研究工作為本書部分章節(jié)的形成做出了很大貢獻(xiàn)；碩士生陳夢參與了文獻(xiàn)資料搜集和文字編排工作，在此一并致以誠摯的謝意。
由于筆者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，敬請專家和讀者不吝賜教，提出寶貴意見和建議。

劉荔貞 
2024年5月

第1章　熒光傳感技術(shù)概述 001
1.1　熒光傳感器簡介 002
1.1.1　熒光傳感器的發(fā)展 002
1.1.2　熒光傳感器的組成 003
1.1.3　熒光性能基本常識 004
1.2　熒光傳感機(jī)制 006
1.2.1　靜態(tài)猝滅 006
1.2.2　動態(tài)猝滅 007
1.2.3　熒光共振能量轉(zhuǎn)移 007
1.2.4　內(nèi)濾效應(yīng) 009
1.2.5　光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移 010
1.2.6　聚集誘導(dǎo)發(fā)光 010
1.3　熒光納米傳感技術(shù) 011
1.3.1　熒光納米材料 011
1.3.2　熒光納米傳感技術(shù)的應(yīng)用 012
參考文獻(xiàn) 013

第2章　基于碳量子點的熒光傳感技術(shù) 017
2.1　碳量子點簡介 017
2.2　碳量子點的制備方法 018
2.2.1　電弧放電法 018
2.2.2　化學(xué)氧化法 018
2.2.3　電化學(xué)法 019
2.2.4　激光燒蝕法 020
2.2.5　熱分解法 020
2.2.6　水熱合成法 021
2.2.7　微波合成法 021
2.2.8　超聲波法 022
2.3　碳量子點的性質(zhì) 022
2.3.1　光學(xué)特性 023
2.3.2　電催化特性 026
2.3.3　生物毒性與生物相容性 026
2.4　碳量子點的功能化 027
2.4.1　雜原子摻雜 027
2.4.2　表面修飾 032
2.5　碳量子點發(fā)光機(jī)理 033
2.5.1　量子限域效應(yīng) 033
2.5.2　表面態(tài)發(fā)光 034
2.5.3　分子態(tài)發(fā)光 036
2.6　碳量子點在熒光傳感領(lǐng)域的應(yīng)用 036
2.6.1　金屬離子檢測 037
2.6.2　無機(jī)陰離子檢測 039
2.6.3　分子檢測 040
參考文獻(xiàn) 042

第3章　黃酮類化合物的碳量子點熒光傳感 050
3.1　碳量子點用于山柰酚的熒光傳感 050
3.1.1　CDs的制備與表征 051
3.1.2　CDs的性能研究 053
3.1.3　基于CDs的熒光傳感構(gòu)建及對山柰酚的測定 057
3.1.4　CDs對山柰酚的熒光傳感機(jī)理 061
3.2　碳量子點用于桑色素的熒光傳感 062
3.2.1　CDs的制備與表征 062
3.2.2　CDs的性能研究 063
3.2.3　基于CDs的熒光傳感構(gòu)建及對桑色素的測定 066
3.2.4　CDs對桑色素的熒光傳感機(jī)理 069
3.3　磷摻雜碳量子點用于金絲桃苷的熒光傳感 070
3.3.1　P-CDs的制備與表征 071
3.3.2　P-CDs的性能研究 071
3.3.3　基于P-CDs的熒光傳感構(gòu)建及對金絲桃苷的測定 074
3.3.4　P-CDs對金絲桃苷的熒光傳感機(jī)理 076
3.4　氮摻雜碳量子點用于楊梅素的熒光傳感 076
3.4.1　N-CDs的制備 077
3.4.2　N-CDs的表征方法 077
3.4.3　N-CDs的性能研究 078
3.4.4　基于N-CDs的熒光傳感構(gòu)建及對楊梅素的測定 081
3.4.5　N-CDs對楊梅素的熒光傳感機(jī)理 084
參考文獻(xiàn) 085

第4章　人工合成色素的碳量子點熒光傳感 092
4.1　氮、磷共摻雜碳量子點用于新胭脂紅的熒光傳感 093
4.1.1　N,P-CDs的制備與表征 094
4.1.2　N,P-CDs的性能研究 094
4.1.3　基于N,P-CDs的熒光傳感構(gòu)建及對新胭脂紅的測定 098
4.1.4　N,P-CDs對新胭脂紅的熒光傳感機(jī)理 101
4.2　黃色和藍(lán)色雙波長發(fā)射碳量子點用于莧菜紅的熒光傳感 102
4.2.1　Y/B-CDs的制備與表征 103
4.2.2　Y/B-CDs的性能研究 104
4.2.3　基于Y/B-CDs的比率型熒光傳感構(gòu)建及對莧菜紅的測定 107
4.2.4　Y/B-CDs對莧菜紅的熒光傳感機(jī)理 110
4.3　氮摻雜碳量子點用于亮藍(lán)的熒光傳感 111
4.3.1　N-CDs的制備與表征 112
4.3.2　N-CDs的性能研究 113
4.3.3　基于N-CDs的熒光傳感構(gòu)建及對亮藍(lán)的測定 116
4.3.4　N-CDs對亮藍(lán)的熒光傳感機(jī)理 119
參考文獻(xiàn) 119

第5章　生物小分子和金屬離子的碳量子點熒光傳感 124
5.1　橙色和藍(lán)色雙波長發(fā)射碳量子點用于L-谷氨酸的熒光傳感 124
5.1.1　O/B-CDs的制備與表征 126
5.1.2　O/B-CDs的性能研究 126
5.1.3　基于O/B-CDs的比率型熒光傳感構(gòu)建及對L-谷氨酸的測定 129
5.1.4　O/B-CDs對L-谷氨酸的熒光傳感機(jī)理 132
5.2　碳量子點的色譜分離及其不同組分用于Fe3+和Hg2+的熒光傳感 133
5.2.1　CDs的制備、分離及表征 135
5.2.2　CDs及不同CDs組分的性能研究 136
5.2.3　CDs組分對Fe3+和Hg2+的熒光傳感 147
參考文獻(xiàn) 150

第6章　藥物成分和染色劑的碳量子點熒光傳感 155
6.1　紅色和黃色雙波長發(fā)射碳量子點用于鹽酸莫西沙星的熒光傳感 155
6.1.1　R/Y-CDs的制備與表征 156
6.1.2　R/Y-CDs的性能研究 157
6.1.3　基于R/Y-CDs的比率型熒光傳感構(gòu)建及對鹽酸莫西沙星的測定 160
6.1.4　R/Y-CDs對鹽酸莫西沙星的熒光傳感機(jī)理 163
6.2　黃綠色熒光碳量子點用于剛果紅的熒光傳感 164
6.2.1　YG-CDs的制備與表征 165
6.2.2　YG-CDs的性能研究 166
6.2.3　基于YG-CDs的熒光傳感構(gòu)建及對剛果紅的測定 168
6.2.4　YG-CDs對剛果紅的熒光傳感機(jī)理 171
6.2.5　YG-CDs的細(xì)胞毒性及成像研究 172
參考文獻(xiàn) 174