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《陕西科技大学》 2019年
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碳量子点荧光探针的制备及在Cr(Ⅵ)与甲醛检测中的应用

白鹏霞  
【摘要】:近年来,对于危害人体健康与污染环境的分子或离子的检测已受到环保部门及研究人员的重视,但传统的色谱、光谱及电化学等分析方法,存在分析成本高昂且涉及复杂的样品预处理等问题,因而限制了它们更为广泛的应用。荧光探针具有简便、快速、灵敏度和选择性好的特点已成为当前分析检测领域的研究热点,其中,基于碳量子点(CQDs)的荧光探针与传统半导体量子点和有机染料相比具有更好的水溶性、荧光稳定性、抗光漂白性、生物相容性、低毒性及激发与发射波长可调性等优异特性,被广泛应用于分析检测、生物成像、药物运输及化学传感等领域。本论文制备了两种荧光碳量子点并基于“开-关”设计原理分别建立了Cr(Ⅵ)和甲醛(HCHO)的高灵敏、高选择性及低成本的荧光探针检测方法。具体内容包括以下几个方面:(1)以明胶为含碳前驱体,通过水热法一步合成了具有强蓝色荧光发射的氮掺杂碳量子点(N-CQDs),通过单因素及正交实验以荧光强度为考察指标优化出制备N-CQDs的适宜条件为:水热反应温度200oC,时间6 h,明胶用量6.0 g;并采用傅里叶红外光谱仪、X-射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、紫外分光光度计及荧光光谱仪对N-CQDs的结构与荧光性能进行测试,结果显示N-CQDs呈均匀分散的球形,平均粒径为1.82 nm;具有丰富的含氧官能团与良好的水溶性;最大激发波长为375 nm,最大发射波长为451 nm,且具有一定的波长依赖性。此外,还考察了pH,离子强度,溶剂类型,N-CQDs的浓度及氙灯照射时间对N-CQDs荧光强度的影响,结果表明N-CQDs具有良好的抗光漂白性,荧光稳定性及良好的水溶性。(2)基于Cr(Ⅵ)对N-CQDs荧光淬灭的原理设计了检测Cr(Ⅵ)的“开-关”荧光探针,并将其应用于皮革中Cr(Ⅵ)的定量检测。以F_0-F为考察指标,通过单因素实验选择出N-CQDs检测Cr(Ⅵ)的适宜条件为:N-CQDs浓度10μg/mL,pH为9,室温条件下反应20 min。研究结果表明N-CQDs的荧光强度随Cr(Ⅵ)浓度的增大而降低,Cr(Ⅵ)浓度在10~60μmol/L范围内,N-CQDs荧光探针的荧光淬灭程度与Cr(Ⅵ)浓度有良好的线性关系,线性方程为(F_0-F)/F_0=0.00986C+0.03857,R~2=0.995,检测限为28.36μmol/L,回收率为99.4%~100.7%,RSD为0.50%;相比于二苯碳酰二肼法该方法灵敏度更高,操作更便捷,且不受非荧光染料和其他金属离子的影响,在检测Cr(Ⅵ)方面具有很好的应用前景。(3)以柠檬酸和尿素分别作为碳源和氮源,通过水热法一步合成了具有强烈蓝色荧光的氨基功能化碳量子点(NH_2-CQDs),利用单因素与正交实验以相对荧光强度为考察指标优化出制备NH_2-CQDs的适宜条件为:水热反应温度160oC,时间5 h,柠檬酸与尿素比例1:1;通过傅里叶红外光谱仪、X-射线光电子能谱、X射线衍射仪、紫外分光光度计及荧光光谱仪对NH_2-CQDs进行结构与性能的表征,结果显示NH_2-CQDs呈均匀分散的球形,平均粒径为1.90 nm;具有丰富的含氧官能团与良好的水溶性;最大激发波长为370 nm,最大发射波长为442 nm,且无波长依赖性。此外,还考察了pH,离子强度,溶剂类型,NH_2-CQDs的浓度及氙灯照射时间对NH_2-CQDs荧光强度的影响,结果表明NH_2-CQDs具有良好的抗光漂白性,荧光稳定性及良好的水溶性。(4)基于HCHO对NH_2-CQDs荧光淬灭的原理设计了检测HCHO的“开-关”荧光探针,并将其用于皮革成品中游离HCHO的定量检测;以F_0-F为考察指标,通过单因素实验选择出NH_2-CQDs检测HCHO的适宜条件为:NH_2-CQDs浓度0.10 mg/mL,pH为中性,温度为25oC反应20 min。研究结果表明NH_2-CQDs的荧光强度随HCHO浓度增大而降低,HCHO浓度在0.10~1.5μg/mL范围内,NH_2-CQDs荧光探针的荧光淬灭程度与HCHO浓度有良好的线性关系,线性方程为(F_0-F)/F_0=0.46221C-0.01819,R~2=0.991,检测限为0.18μg/mL,RSD为1.21%,回收率为96%~120%,灵敏度高,操作便捷,且不受非荧光染料和其他离子干扰,在HCHO测试方面具有很好的应用前景。
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