微波合成碳纳米粒子的荧光特性和电化学发光特性

荧光碳纳米颗粒发光的机理引言荧光碳纳米颗粒（Fluorescent Carbon Nanoparticles，FCNPs）是一种新型的碳基材料，具有较小的尺寸（通常在1-10纳米之间），优异的荧光性能和广泛的应用潜力。

FCNPs可以通过简单的合成方法制备得到，并且具有良好的生物相容性、低毒性和化学稳定性。

因此，研究FCNPs发光机理对于深入了解其物理特性以及拓展其应用领域具有重要意义。

发光机理π-π*跃迁目前认为，FCNPs发光主要是由于其内部存在着大量的芳香结构和共轭体系。

这些芳香结构和共轭体系使得电子在空间上能够自由移动，并且在相应波长范围内吸收和发射光线。

其中，最主要的发光机制是π-π*跃迁。

在FCNPs中，存在着大量的多环芳香结构，例如苯环、噻吩环等。

当这些芳香结构受到外界激发时，电子从低能级跃迁到高能级，形成激发态。

然后，电子在短暂的时间内通过非辐射跃迁回到基态，释放出光子能量。

这种π-π*跃迁的机制是FCNPs发光的主要原因之一。

缺陷态除了π-π*跃迁外，FCNPs中还存在着大量的缺陷态。

这些缺陷态可以是碳材料中的结构缺陷、杂质或者功能化修饰引入的缺陷。

这些缺陷态能够捕获激发态电子，并且通过非辐射跃迁将其释放出来。

与π-π*跃迁不同，缺陷态发光通常具有宽带谱和长寿命。

这是因为不同的缺陷态能级之间存在着较小的能隙，使得电子在不同能级之间进行多次跃迁并释放出多个光子。

表面效应除了内部结构的影响外，FCNPs表面也对其发光性质产生了重要影响。

由于FCNPs 具有高比表面积和丰富的官能团，表面效应在其发光机理中起到了关键作用。

表面效应主要体现在两个方面：一是表面缺陷态的影响，二是表面修饰的影响。

表面缺陷态能够促进电子的非辐射跃迁，并且增强FCNPs的发光强度。

而通过表面修饰，可以改变FCNPs的电荷分布和能带结构，从而调控其发光性能。

影响因素粒径FCNPs的粒径对其发光性能有着显著影响。

通常情况下，较小的FCNPs具有较高的比表面积和更多的缺陷态，因此其发光强度更强。

技术与信息58 | 2019年1月微波法制备碳量子点及其应用与荧光机理探究白恒轩 黄慧姿 杨依依 孙泽毅 夏振坤 纪晓婧*(河北农业大学理工学院,河北 黄骅 061100)摘要：碳量子点作为新兴的碳纳米材料,是一种尺寸为1-10nm 的零维结构碳颗粒。

结构决定性质,因其具有特殊的结构而拥有独特的性质,如光致发光特性和上转换发光等性质。

由于其具有良好的光致发光特性、低毒性和生物相容性并且应用广泛而受到了极大的关注。

文章主要阐述了碳量子点的微波制法。

大致介绍了其在检测离子方面的应用,并简要阐述了荧光碳量子点的荧光机理。

关键词：碳量子点;微波法;应用;荧光机理中图分类号：X830.2　文献识别码:A0 引言碳量子点系一种大小在1-10nm具有荧光性质的碳粒,又称为碳点,2004年被首次发现。

碳量子点比其它半导体量子点拥有更多的优点,具有价格低廉、尺寸小、耐光漂白、毒性低等优点。

因其具有良好的荧光特性,可以将其用作荧光探针来检测重金属的含量。

目前碳点的制法分为Top-down法和Bottom-up法,前者是以含碳大颗粒为前体,后者则以小分子含碳有机物为前体。

由于碳量子点结构的特殊性因而具有许多优点,因此在医学检查、传感器、生物成像和离子检测等领域都有着比较普遍的应用。

本文简要综述了微波法制备碳量子点及其在重金属离子检测方面的应用和荧光机理探究。

1 利用微波法制备碳量子点微波法属于由下至上的合成碳量子点的方法。

即在外加超声波的作用下,产生一种短暂的高能环境,使得反应物在高能环境下发生化学键的断裂与生成,从而生成碳量子点。

与其他方法相比,该方法可一步实现碳量子点的制备以及碳量子点的表面钝化,并且在微波加热条件下增加了其制备速率。

由于是一步反应,直接微波加热即可制得,不需添加其他溶剂或者催化剂,因此过程简单,并且反应制得的碳量子点无需后续处理即可应用,可以用于大规模生产。

Kang[1]等使用葡萄糖为碳源,首先将其溶解在高纯水中制得浓度为1mol/L的葡萄糖溶液50mL,之后加入等量等浓度的氢氧化钠溶液,将其混合液在微波中超声反应4小时制得碳量子点;另外,Lee[2]等使在活性炭中加入H2O2,经过超声处理在纯化后得到了粒径为5-10nm的碳量子点;随后我国研究学者杨婕等人以甘氨酸为绿色碳源制得的粒径为2.0-4.0nm 的碳量子点,但其量子产率并不高,只有3.35%;经张静等人改进后,制得了均一性良好的碳点,同时使其的产率达到了6.2%。

新型荧光纳米材料--碳点的电化学合成和表征刘璐,李美仙*北京大学化学与分子工程学院，北京，100871碳点是近几年才被发现的碳纳米材料的一种新的存在形态，由于它所具有的一些优良荧光性质而引起了人们的关注，诸如，碳点与量子点一样具有良好的荧光稳定性，无光漂白现象；激发波长和发射波长可调控；同时又优于量子点具有良好的生物相容性，较低的生物毒性等，因而有各种制备碳点的方法被报道。

1但是至今，有关其荧光性质和结构之间的关系仍没有被很好的理解，为了探索这方面的关系，我们采用一种新的电化学方法在有机溶剂里合成了碳点，并通过高分辨透射电镜、荧光光谱、红外光谱和核磁共振等方法表征了材料的结构和性质，如图1所示。

碳点在482 nm 激发时，得到最大发射波长在545 nm 。

其潜在的电分析方面的应用正在研究中。

Figure 1. (a) TEM image of Carbon dots. (b) UV-vis absorption and fluorescence spectra of carbon dots in an acetonitrile solution.致谢：国家自然科学基金（No 20875005和No 21075003）参考文献(1) Baker, S.; Baker, G . Angewandte Chemie International Edition 2010, 49, 6726. a bA Novel Photoluminescent Nanomaterial – ElectrochemicalSynthesis and Characterization of Carbon DotsLu Liu, Meixian Li*(College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University,Beijing, 100871)Recently, a novel carbon nanomaterial which was denoted as carbon dots was discovered. Carbon dots have attracted much attention because of excellent luminescent properties, good biocompatibility and low-toxicity. Several synthesis methods have been reported, but the comprehension of the relationship between the structure and the fluorescent properties of the carbon dots is still far from thorough. To get profound knowledge, a novel electrochemical synthesis method was developed in organic solution, and TEM, FL, FT IR and NMR were used to characterize the structure and properties of carbon dots. Study on electrochemistry of carbon dots is still under way.。

纳米电子学中碳点的合成及应用研究随着社会的不断发展，科技也在不断进步，而纳米电子学作为新兴的领域之一也受到了越来越多的关注。

纳米电子学主要关注的是纳米材料在电子领域中的应用，而碳点就是其中一种非常重要的纳米材料。

在本文中，我们将重点探讨碳点的合成及其在纳米电子学中的应用。

一、碳点的合成碳点是一种球形的纳米颗粒，直径一般在1-10纳米之间。

它由几层碳原子构成，具有很好的光学、电学性能。

在纳米电子学中，碳点作为一种非常重要的发光材料，也被广泛地应用于化学传感器、生物标记、纳米荧光材料等领域。

现在，我们有很多方法可以制备碳点，其中比较常见的就是化学还原法、微波辐射法、水热法、热分解法、激光极化法等。

这几种方法都有各自的特点和优缺点，下面我们简单介绍一下其中的两种方法。

1、化学还原法化学还原法是碳点合成中最为常见的方法之一。

在这种方法中，我们通常采用一些金属离子，比如银离子、铜离子等作为还原剂，通过一定的化学反应使得碳原子聚合，最终得到球形的碳点。

这种方法制造的碳点具有粒径分布较为均匀、发光亮度高、稳定性好的特点，因此在生物标记、荧光材料等领域的应用非常广泛。

2、水热法水热法也是一种非常常见的碳点制备方法。

通过将特定的前驱体与某种还原剂一起在高压高温下反应，可以制得较为均匀的碳点。

这种方法制备的碳点还有很多其他的优点，比如制备过程简单、重复性好、得率高等，因此也受到了许多科学家的追捧。

二、碳点的应用在纳米电子学中，碳点作为一种非常重要的发光材料，其应用也是非常广泛的。

下面我们简单介绍一下其中的几个应用领域。

1、化学传感器碳点具有很好的光学响应性能，因此可以被用作化学传感器来测量水、气、化学物质等的浓度、温度、PH值等。

与其他传感器相比，碳点制成的传感器具有灵敏度高、响应时间快等优点。

2、生物标记碳点可以被用来标记有机分子、蛋白质、核酸等生物分子，在生物成像、疾病诊断等方面有很大的应用前景。

由于碳点具有好的生物相容性和稳定性，因此在生物标记方面的应用领域非常广泛。

碳量子点的合成及其在化学发光和流动注射上的应用［摘要］碳量子点是一种新型的超小碳纳米颗粒，具有优异的化学性质，低的毒性，良好的生物兼容性和廉价的制备成本等特点。

在本文中，我们重点关注碳量子点的合成和其在化学发光结合流动注射上在分析化学方面的应用。

［关键词］碳量子点化学发光合成一．合成碳量子点（CQD）的合成方法包括两类：化学法和物理法化学法包括：电化学法、氧化法、微波法和模版法等物理方法：电弧放电法、激光烧蚀法等1.化学法1.1 电化学法在电化学池中，以碳纸上通过化学气相沉积法（CVD）制得多壁碳纳米管（MWCNTs）作为工作电极，铂丝作为对电极，Ag/AgClO4作为参比电极，含0.1mol/L四丁基高氯酸铵的乙腈容易作为电解液（实验前先除氯），在-2.0~+2.0V之间循环施加扫描为0.5V/s 的电势，可以观察到溶液由无色变为黄色，最后再变为深棕色。

这表明C-dots从MWCNTs 上剥离下来，并且在溶液中的量越来越多。

然后蒸发掉乙腈，将得到含有C-dots的固体重新分散在水中，通过透析的方式除去残留的电解质盐，得到粒径在（2.8±0.5）nm的C-dots。

1.2其他方法Liu等使用燃烧蜡烛烟煤的方法制备了量子产率为2.0%的C-dots；Bourlinos等通过热解不同的柠檬酸铵盐来合成C-dots，其中柠檬酸作为碳源；Peng等报道了一种简单的水溶液法来合成C-dots，采用糖类作为碳源，先将糖类通过浓硫酸脱水制得含碳的前提，再使用硝酸将这些含碳的前体破裂成单个的碳粒子，最后用氨基端基德化合物来对碳粒子进行钝化得到发光的C-dots，该法可以省略合成含碳前体这一步，合成的C-dots产率达12.6%；Wang等报道了一种一步法合成油溶性高荧光的C-dots，该法在热非配位溶剂中通过碳化碳前体得到C-dots，制得的C-dots产率达53%，并且该法可以通过改变反应溶剂和配位稳定剂来合成水溶性的C-dots，量子产率可达到17%。

碳量子点的合成及其应用摘要：碳量子点具有良好的光学性质，是一种零维碳纳米材料，多种方式合成制备出的碳量子点粒径尺寸分布均匀，分散性良好，水溶性也较好，碳量子点的应用也非常广泛，在医学领域，化学合成，环境改善方面等都有很好的应用。

关键词：碳量子点；合成引言近年来，碳量子点（CQDs）作为一种新型发光体材料，它不仅具有一定的发光特性，而且也具有光稳定性。

更重要的是，碳量子点不像其它的难溶物质，它的溶解性较好，在水溶液或者其它溶剂中都有较好的溶解性。

在化学检测和合成方面，碳量子点可以功能化，因其优点众多，碳量子点受到了广泛的关注。

不仅如此，碳量子点表面含有大量的基团，例如羟基和羧基等，可以和多种物质进行合成，使它具有水溶性和生物相容性。

碳量子点表面的含氧基团更是为检测水体和土壤中的重金属提供了路径。

碳量子点还具有荧光特性，它的荧光性质为各种传感器提供了有力条件，可以用来检测各种金属或者非金属离子。

碳量子点的发现，可以追溯到2004年。

Xu等人[1]在使用电弧放电法分离纯化单壁碳纳米管的过程中，意外发现了一种新型的纳米级荧光材料，这是碳量子点的最早的发现。

之后Sun等人[2]在2006年用 Nd:YAG激光对石墨和水泥的混合物进行激光刻蚀，然后对其表面进行钝化，制备出了纳米尺寸的碳类似物，并称之为碳点。

目前碳量子点的制备方法可分为两大类：“自上而下”和“自下而上”。

“自上而下”主要包括电弧放电法、激光销蚀法、电化学法和强酸氧化法等。

“自下而上”包括溶剂热合成法、微波合成法、模板法、燃烧法等。

同时碳点在化学传感器、生物成像、药物载体、指纹识别、光治疗技术等方面有实际的用途。

下面对碳点的合成方法和具体的应用领域进行简单的介绍。

一、碳量子点的合成方法1.“自上而下”法。

（1）电弧放电法人们最先发现的碳点，就是使用电弧放电的方法合成的。

在2004年，Xu等人[1]在制备单壁碳纳米管(SWCNTs)时，发现了具有荧光的碳纳米材料，得到了三种粒子，他们利用电弧放电引入羧基官能团，达到增强水溶性的目的，然后用氢氧化钠来提取沉淀物，后进行分离纯化时，发现制备出的碳量子点在365 nm处，能够出现三种颜色的荧光：蓝绿色、黄色、橙色。

微波法制备纳米碳点反应机制与发光机理
微波法制备纳米碳点是一种高效、快速的方法，通常使用有机分子作为碳源，在微波辐射的作用下，碳源分子会发生热解、聚合和裂解等反应，生成纳米碳点。

微波辐射能提供高能量的电磁场，使得反应物中的分子产生激励态，加速反应速率。

微波法制备纳米碳点的过程大致可描述为以下几个步骤：
1. 碳源分子的热解：碳源分子在微波辐射下发生热解反应，产生碳离子、自由基或热分解产物。

2. 碳源分子的聚合：碳离子、自由基或热分解产物在高温条件下聚合，形成碳团簇。

3. 碳团簇的裂解：碳团簇在高温下进一步裂解，生成更小的碳簇或纳米碳点。

发光机理方面，纳米碳点的发光行为较为复杂，具体机理尚未完全理解。

然而，有几个常见的发光机理被广泛研究和接受：
1. 峰值位置受限机理：纳米碳点的发光光谱在可见光范围内呈现连续的发射峰。

峰值位置与纳米碳点的尺寸密切相关，小尺寸的纳米碳点发射蓝光，大尺寸发射红光。

2. 氮杂化机理：氮原子的引入可以改变纳米碳点的表面结构和能带结构，调节纳米碳点的发光性质。

例如，引入氮原子可以
使纳米碳点发射可见光甚至近红外光。

3. 氧化度调控机理：通过调节纳米碳点的氧化度，可以实现发光颜色的调控，例如，不同氧化度的纳米碳点可以分别发射蓝、绿和红光。

需要注意的是，纳米碳点的发光机理还存在一些争议和不确定性，不同的研究结果可能存在差异。

因此，发光机理方面的研究仍需深入探索。

碳纳米点合成（微波法）【实验目的】1、了解碳纳米点的基本性质（发光性质等）及应用前景2、掌握微波法制备碳纳米点的操作过程【实验仪器】微波炉（提供微波加热），手提式紫外分析仪，去离子超纯水机，电子天平【实验原理】近年来，由碳元素构成的各种纳米材料诸如富勒烯、石墨烯、碳纳米管和碳纳米点等不断被发现，碳纳米材料以其优良的性质成为21世纪科技创新的前沿领域。

尤其作为一种新型的碳纳米材料，碳纳米点因具有良好的水溶性、稳定性、低毒性、耐光漂白以及很好的生物相容性，正引起人们极大的关注，有望替代有机染料和多含重金属元素的半导体量子点在生物成像与传感、光催化及光电器件等领域的应用。

作为新型碳纳米材料，碳纳米点以其优异的物理和化学性质吸引了国内外学者的广泛关注和研究。

为制备出荧光性能优良的碳纳米点，世界各国研究人员已经建立了多种制备碳纳米点的新方法。

其中，微波技术已经成为一种重要的合成碳纳米点的化学手段。

例如，2009年，Zhu等人报道了一种简单、经济的制备荧光碳纳米点的微波辅助热解法，具体过程为：将一定量的聚乙二醇（PEG-200）和糖类物质（葡萄糖和果糖等）溶解在蒸馏水中形成透明溶液，然后将该溶液在微波炉中加热，随着反应的进行，溶液颜色由无色逐渐变为黄色，最后为黑色，即得到了荧光碳纳米点。

通过改变微波处理时间，可以很好地控制碳纳米点的尺寸及发光特性。

微波处理时间越久，碳纳米点尺寸越大，发光向长波长移动。

【实验内容】1、将1 g柠檬酸和1 g（2 g）尿素溶于20 mL去离子水中形成透明溶液；2、将混合溶液放入750 W的微波炉中微波加热15 min左右，在此过程中反应液从无色溶液逐渐变为淡棕色溶液最后变为深褐色粘稠状固体，表明形成了碳纳米点；3、取少量反应产物溶于去离子水中，置于紫外分析仪下，分析两种碳纳米点样品的发光特性。

【注意事项】1、药品称量需认真，以免所制备的两种碳纳米点的发光性质差别不明显；2、微波加热的时间要掌握好，加热时间太短或太长都会影响碳纳米点质量和发光性质。

微波法制备碳量子点及其光学性能研究碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）是一种碳基纳米材料，具有较小的粒径和优异的光学性能，被广泛应用于生物医学、光电子学和能源领域。

而微波法是一种高效、快速且可控制备高质量CQDs的方法。

本篇论文研究了利用微波法制备碳量子点及其光学性能的相关内容。

首先，研究者通过简化的碳源、溶剂和辅助剂，选择适合微波合成的条件和方法。

碳源可以选择含有氨基和羧基化合物，如葡萄糖或氨基酸等。

溶剂可以选择水、乙醇或甲醇等常见的有机溶剂。

辅助剂如盐酸或硫酸等可用于调节反应的pH值和酸碱度，以控制CQDs的光学性能。

微波合成反应在较高温度和压力下进行，通常只需要数分钟即可完成。

通过调整反应时间、温度和微波功率，可以获得不同尺寸和形貌的CQDs。

所得到的CQDs可以通过离心、过滤和洗涤等步骤进行纯化和分离。

接下来，研究者对制备得到的CQDs进行了表征。

利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描电子显微镜（SEM）可以观察到CQDs的形貌和尺寸分布。

X射线衍射（XRD）可以用于鉴定CQDs的晶体结构。

紫外-可见（UV-Vis）光谱和荧光光谱可以检测CQDs的吸收和发射特性。

荧光光谱的峰位和强度可以通过调整反应条件来调控CQDs的发光性能。

而荧光发射光谱的波长范围通常在400-700 nm之间，可以通过调整反应条件来调控。

最后，研究者对微波法制备的CQDs的应用进行了研究。

CQDs可以应用于生物荧光探针、生物成像、光电探测器、太阳能电池等领域。

例如，CQDs可以通过与特定的生物标志物结合，用于生物传感和荧光探测。

此外，CQDs在太阳能电池中作为光敏剂，可以转化太阳能为电能。

综上所述，微波法制备碳量子点是一种高效、快速且可控的方法，可以获得高质量的CQDs。

通过调整反应条件，可以控制CQDs的尺寸、形貌和光学性能。

经过进一步的表征和应用研究，微波法制备的CQDs将有望在生物医学、光电子学和能源领域发挥重要作用。