基于碳点的荧光探针设计及其在典型污染物检测中的应用研究

【摘要】：环境污染问题已不容忽视,水体中的污染物更是极大危害着人体健康,其中重金属离子会对生殖系统、免疫系统和中枢神经系统造成严重的损害,硝基芳烃化合物具有诱变性和致癌性,酚类物质是常见的环境内分泌干扰物并具有致癌、致畸、致突变的特性。因此,发展简便、快速、高效的污染物检测方法已迫在眉睫。荧光分析法因其设备简单、易于操作、选择性强、检测速度快等优点引起了广泛的关注,其中多数荧光材料制备过程复杂、易对环境造成污染,而碳点有着易制备、毒性低、水溶性好、荧光稳定性高的显著优势,被广泛应用于污染物的检测。本文研究了多种不同碳源合成碳点的新方法,将其与氨基化磁性纳米零价铁、分子印迹聚合物、纳米银粒子结合设计成新型荧光探针,并研究了这一系列荧光探针在典型污染物检测中的应用。本文的研究工作如下:第一章:主要阐述了碳点的基本性质,在此基础上总结了碳点的制备方法以及其在荧光探针、光催化、发光二极管、荧光油墨、生物成像、药物运输领域的研究进展。第二章:采用巧克力为新型碳源合成碳点,在酸性条件下所制得碳点的荧光强度与溶液pH值(1.0~3.0和9.0~12.5的范围内)呈现良好的线性关系,可用作pH传感器;在碱性条件下获得碳点的荧光可被Pb~(2+)有效地淬灭,据此构建了具有高选择性检测Pb~(2+)的荧光探针。在最优的检测条件下,方法的线性范围和检出限分别为0.033~1.67μmol/L和12.7 nmol/L。将这一方法应用于实际水样中Pb~(2+)的检测,其加标回收率在96.6~102.0%之间。第三章:选用柠檬酸钠和聚丙烯酰胺为碳源制得碳点,并将此碳点作为荧光探针基于“off-on”的模式对Pb~(2+)和焦磷酸根(PPi)的灵敏性检测进行了研究。Pb~(2+)可淬灭碳点的荧光,后加入的PPi与Pb~(2+)结合的作用力更强,使得Pb~(2+)从碳点表面解离,继而恢复了碳点的荧光,据此建立了一种测定Pb~(2+)和PPi的新方法。在最优检测条件下,荧光探针对Pb~(2+)和PPi的检测范围分别为0.0167~1.0μmol/L和0.67~26.7μmol/L,检出限分别为4.6 nmol/L和54 nmol/L。该方法已成功应用于实际水样中Pb~(2+)和尿液中PPi的检测。此方法具有简便、快速、灵敏度高、选择性好、稳定性强等优点,这表明它在环境和生物样品监测方面有着巨大的应用潜力。第四章:基于碳点和2,4,6-三硝基甲苯(TNT)二者在氨基化磁性纳米零价铁材料上的竞争性吸附,设计了由碳点和氨基化磁性纳米零价铁组成并用于检测TNT的新型荧光探针。实验发现检测结果受溶剂、碳点浓度、磁性材料用量、反应时间、pH值的影响很大。在最优的检测条件下,此探针与TNT在浓度为10~2000μg/L范围内有着良好的线性关系,方法的检出限低至2.15μg/L,合成的磁性纳米零价铁材料也具有良好的可重复利用性,并且此方法已成功地用于实际水样、灰尘和土壤中TNT的检测。第五章:将碳点和对双酚A(BPA)具有专一识别性的分子印迹聚合物结合,制备了一个可高灵敏性检测BPA的新型荧光探针。在检测过程中,探针浓度、pH值和反应时间对检测结果的影响显著。在最优条件下,这一方法的线性范围和检出限分别为10~2000 nmol/L和1.5 nmol/L。最后,将这个方法成功应用于实际样品中BPA的检测,加标回收率在97.2~103.4%之间。第六章:设计了一个由碳点和纳米银粒子组成并对Hg~(2+)检测具有高选择性、高灵敏度的新型荧光探针。碳点和纳米银粒子之间的内滤效应可淬灭碳点的荧光,而Hg~(2+)和纳米银粒子之间发生的作用会削弱内滤效应,继而恢复了碳点的荧光,基于此原理建立了一个检测Hg~(2+)的新方法。实验发现碳点浓度、纳米银粒子浓度、溶液pH值和反应时间均对检测结果有显著的影响。在最优的检测条件下,此探针与Hg~(2+)浓度在0.01~2.5μmol/L范围内具有很好的线性关系,并且该方法的检出限为3.6 nmol/L。将此探针应用于实际水样中Hg~(2+)的检测,其结果令人满意。