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功能化碳点化学发光行为研究及其在环境检测中的应用

文献类型:学位论文

作者耿方兰
学位类别硕士
答辩日期2014-05
授予单位中国科学院研究生院
授予地点北京
导师赵利霞
关键词功能化碳点 Fe 化学发光 modified carbon dots 分析检测 BPEI chemiluminescence analysis iron
其他题名Chemiluminescence Behavior of Functional Carbon dots and the Application in Environmental Detection
学位专业环境科学
中文摘要    碳点作为一种尺寸小于 10nm的新型荧光纳米碳材料,自  2004年被发现并分离之日起,就受到了广泛关注。因其表面含有丰富的羟基、羧基以及其它含氧官能团,导致其具有良好的水溶性,同时具有很好的功能化特性,更容易进行表面修饰。而碳点良好的荧光特性以及生物友好性,使其在分析检测、生物标记以及生物成像方面的应用研究成为热点。与传统半导体量子点相比,碳点中不含任何重金属元素,具有环境友好性的巨大优势,因此而受到更多专家学者的关注,具有更好的研究及应用前景。
    碳点的化学发光特性是碳点光学特性中十分重要的性质。与已知体系的化学发光机理相似,碳点的化学发光过程一般也存在电子 -空穴复合的氧化还原反应或是高能态中间产物的生成。但是其具体的发光机理目前尚未形成统一结论。化学发光作为一种高灵敏的超痕量检测手段已经被广泛研究,而且形成了许多成熟的化学发光体系,这些体系被广泛应用于自由基、金属离子以及有机物等的分析检测中。但是,碳点作为新型材料,对于其化学发光过程及应用研究相对较少。目前已经报道的碳点的化学发光体系都是向碳点中加入弱化学发光体系或者强氧化剂,而实验室之前的工作报道了碳点在不加任何化学发光体系和强氧化剂,仅仅在强碱存在条件下即可产生化学发光。基于此,本研究对聚乙烯亚胺修饰的功能化碳点的化学发光行为进行了研究。研究主要包括以下两个部分:
1、对文献功能化碳点的合成方法进行了改进,建立了一步式水热反应法合成聚乙烯亚胺修饰的功能化碳点的方法。对所合碳点的形貌、粒径、紫外 -可见吸收和光致发光特性进行了表征。对功能化碳点-NaOH体系的化学发光特性进行了研究,并与乙二胺四乙酸盐热解法合成的裸碳点-NaOH体系进行了对比。发现相同条件下,经修饰的碳点在碱性条件下化学发光强度强于裸碳点。而且,当对水样中存在的金属离子进行筛查时发现,只有   Fe(III)能顾特异性增敏碳点-NaOH体系的化学发光,这种增强作用对修饰后的碳点效果更加明显。在此基础上建立了 Fe(III)的化学发光传感检测体系,检测限可达 6.67×10-8M。应用此体系对三种实际水样进行了加标回收测定,回收率分别为 101%、103%和 93%。对此体系的化学发光机理进行研究,推测发光机理为 Fe(III)作为氧化剂想碳点表面注射空穴,与 NaOH化学还原作用注射的电子放射性复合,产生化学发光。
2、对功能化碳点-Fenton反应体系的化学发光进行了研究。发现所合碳点在酸性Fenton反应体系中表现出化学发光现象,其发光强度是同等条件下裸碳点发光强度的近 1倍。而且化学发光发光强度随  H2O2浓度及  Fe(II)浓度增加而增大,当 Fe(II)浓度大于 5×10-4M时,出现二次发光现象。利用第一次发光现象对苯酚进行检测,初步实验结果显示,苯酚加入到碳点-Fenton体系中可以使体系的化学发光信号降低,但是其信号降低程度有限,尚不能进行实际检测应用,需进一步研究。对其发光机理进行初步研究,两次化学发光光谱显示,两次发光过程均为碳点发光。认为第一次发光现象为(O2)2*生成的共振能量转移过程,第二次发光为 HO•参与的碳点发光过程。
    功能化碳点-Fe(III)-NaOH化学发光体系以及功能化碳点-Fenton反应体系, 两个发光体系的发光机理不尽相同,但是都为揭示碳点化学发光机理提供了参考,并且为进一步研究碳点的化学发光过程机理及实际应用提供了理论指导。
英文摘要    As a  new  photoluminescence nano  carbon  material, whose  diameter is  smaller than  10   nm,  carbon   dots   have  acquired   much  attention   since  they   are  firstly discovered and purified  in 2004. For the abundant  oxygenic groups, such as carboxyl and hydroxyl  in surface, carbon  dots have excellent  water solubility, which  makes it easier to  be modified. Carbon  dots have been  used in many  fields such as  analytical methods, bio-labeling and  bio-imaging for their  great photoluminescence quality and biological  friendly.   Compared  to  the   traditional  quantum  dots,   carbon  dots   are environmentally friendly  and  bio-nontoxic, which  abstract  much attention  from  the researchers.
    Chemiluminescence (CL) of carbon dots is a very important optical property. Just as the formal CL, carbon dots can release CL when there is radiative recombination of electrons and holes or  there are intermediate products in excited  state. Because of the complexity of  the mechanism and  lack of time  in this field,  there is  no consolidated conclusion yet. But as a  high sensitive testing method, CL has been studied for a long time, and  there have  been a  lot of  CL systems  that have  been used  in analysis  free radicals, metal  ions and organics.  At the same  time, the CL  of carbon dots  has been studied less than  other CL systems. As far as we  can see, there  are a few of  systems studied by some researchers, all  of them are systems with weak CL systems  or strong oxidants in carbon dots solution. Our lab have  studied the CL behavior of carbon dots before. In our  previous work, we have  found a surprising CL  behavior of fluorescent carbon dots in the presence of  strong alkaline, such as NaOH and KOH. Based  on the above, this  work is focused  on the CL  behavior of modified  carbon dots. It  contains two parts:
1. We have improved the method for the synthesis of branched polyethyleneimine(BPEI)  modified carbon  dots  (BPEI-CDs),  and  established  an easier  hydrothermal method for the BPEI-CDs. We used HRTEM, FT-IR, Fluorescence spectrophotometer and  XPS  to  characterize  the  new  material.  We  have studied  the  CL  behavior  of BPEI-CDs in  NaOH solution, and  compared the CL  intensity with the  naked carbon dots, which  are  synthesized through  thermal decomposition  of EDTA-Na2,  in  same NaOH  solution.  The  CL intensity  of  BPEI-CDs  is  much  stronger  than  the  naked carbon  dots.   When  we   added   different  mental   ions  in   the  two   above  carbon dots-NaOH  systems,  the  signal  are  enlarged  very  much, and  the  CL  intensity  of system  with   BPEI-CDs  have  been   enlarged  more  than   naked  carbon  dots.   We established an analytical  system for the  Fe (III) detection.  The lowest detection  limit(LOD) is  6.67×10-8M. The  method is  determined by standard  addition recovery,  for the three  water samples,  the recovery  rate are  101%、103%和 93%. A possible  CL mechanism   was  studied   by   UV-vis,  fluorescence,   CL,   FT-IR,  XPS   and   EPR spectroscopy. We verified the  CL characteristics of the carbon  dots and the CL could be  attributed to  the  various  surface energy  traps  in  the carbon  dots.  The radiative recombination of the injected electrons by “chemical reduction” and the injected holes by oxidation of Fe (III) caused the CL phenomenon of carbon dots.
2. We  have studied the  CL behavior  of BPEI-CDs—Fenton  system. The results showed that  BPEI-CDs showed  CL phenomenon  in  Fenton system,  CL intensity  of BPEI-CDs is about 10 times  stronger than that of naked carbon dots. Meanwhile,  The CL  intensity  increased   with  the  increasing  of  the   H2O2  and  Fe  (II).   When  the
concentration of  Fe (II)  was greater  than5×10-4M, a second  CL appeared.  When we added phenol  into  this CL  system, the  CL  intensity reduced  with the  increasing of phenol. But  there are  more work  needed to  be done  for the  system used for  phenol detection. The mechanism  was preliminary explored. The  first CL is probably  due to the (O2)2*, which  causes a resonance  energy transfer, and the  second CL is  probably due to the HO• generated from the Fenton reaction.
    The  mechanisms  of the  BPEI-CDs—Fe(III)—NaOH  system  and  BPEI-CDs—Fenton system are not same, but they  all provided consult for the revelation of the CL mechanism of carbon  dots. Further, they  provided theoretical guidance  for the actual use of the CL of carbon dots.
公开日期2015-06-12
源URL[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/13457]  
专题生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室
推荐引用方式
GB/T 7714
耿方兰. 功能化碳点化学发光行为研究及其在环境检测中的应用[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2014.

入库方式: OAI收割

来源:生态环境研究中心

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