熒光碳量子點(diǎn)的合成和性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、熒光碳量子點(diǎn)的合成與性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過查閱資料，了解碳量子點(diǎn)的發(fā)光性質(zhì)、熒光原理及合成方法。2、掌握酸回流法制備碳量子點(diǎn)的操作流程。3、熟悉熒光和電化學(xué)發(fā)光測(cè)試的操作流程。實(shí)驗(yàn)用品儀器：電子天平、量筒（100ml、10ml）、燒杯（100ml）、磁力加熱攪拌器、燒瓶（250ml）、球 形冷凝管（40cm）、十字夾、燒瓶夾、冷凝管夾、分子熒光光譜儀、石英熒光比色皿、電化學(xué) 發(fā)光工作站、鉑絲電極、銀-氯化銀參比電極、電解池。試劑：木炭粉、硝酸、氫氧化鈉、氯化鉀、PBS（pH7）、過硫酸鉀、pH試紙、蒸餾水。實(shí)驗(yàn)原理碳量子點(diǎn)指尺寸小于10nm的分散的類球形碳納米顆粒，是一種有機(jī)、無(wú)機(jī)雜化材料，

2、 不僅具有與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)媲美的熒光性能，還因其本身不含重金屬元素，具備低毒性、 優(yōu)異的環(huán)境友好性和生物相容性，且易于表面功能化修飾，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便激起人們廣泛的研究。相比于傳統(tǒng)的有機(jī)染料和熒光蛋白，量子點(diǎn)具有明顯優(yōu)越的光學(xué)特性，具體體現(xiàn)為：量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)可以通過較簡(jiǎn)單地調(diào)整其尺寸大小和化學(xué)組成以及表面的包裹劑來(lái) 調(diào)控。因此，可以精確地設(shè)計(jì)量子點(diǎn)，使其在從紫外到紅外的范圍內(nèi)發(fā)射出各個(gè)波長(zhǎng)的熒光。量子點(diǎn)的熒光具有寬激發(fā)，窄發(fā)射的特點(diǎn)，因此，量子點(diǎn)在生物材料熒光標(biāo)記領(lǐng)域中 可以使用同一波長(zhǎng)激發(fā)光同時(shí)激發(fā)多種粒徑的量子點(diǎn)而進(jìn)行多通道檢測(cè)。量子點(diǎn)相比于有機(jī)染料通常具有較寬大的斯托克斯位移。這樣的光學(xué)性

3、質(zhì)很重要，因 為用于量子點(diǎn)的最佳激發(fā)和發(fā)射濾波片允許其光通過幾乎整個(gè)發(fā)射和吸收峰，與有機(jī)染料相 比，對(duì)熒光信號(hào)的輸出有著更高水平的檢測(cè)。量子點(diǎn)通常具有很強(qiáng)的光穩(wěn)定性，也具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性。量子點(diǎn)可以經(jīng)受反復(fù)多 次激發(fā)而不易發(fā)生光漂白，其發(fā)光壽命比普通熒光標(biāo)記染料長(zhǎng)，因此可采取時(shí)間分辨技術(shù)檢 測(cè)信號(hào)，并可大幅度降低熒光背景，獲得較高的信噪比。熒光碳量子點(diǎn)的發(fā)光機(jī)理解釋主要有以下兩種：1、當(dāng)半導(dǎo)體材料的尺寸減小至一定程度 時(shí)，其載流子的運(yùn)動(dòng)受到限制，原本準(zhǔn)連續(xù)的能帶轉(zhuǎn)化成離散的類分子能級(jí)，同時(shí)價(jià)帶和導(dǎo) 帶間的帶隙變寬，并且隨著不斷減小量子點(diǎn)的尺寸，可以使其帶隙逐漸變寬，從而使量子點(diǎn) 發(fā)射出從紅光

4、到藍(lán)光的一系列波長(zhǎng)的熒光。2、通過表面缺陷態(tài)間接復(fù)合發(fā)光。在量子點(diǎn)表面 存在著許多懸空鍵，當(dāng)量子點(diǎn)受光激發(fā)后，光生載流子以極快的速度受限于表面缺陷而產(chǎn)生 表面態(tài)發(fā)光，這種途徑產(chǎn)生的發(fā)射光波長(zhǎng)通常比激子態(tài)發(fā)光波長(zhǎng)來(lái)得長(zhǎng)，而且由于非輻射躍 遷的存在這種途徑產(chǎn)生的發(fā)光效率往往比較低。碳量子點(diǎn)的合成大致可分為自上而下法和自下而上法兩大類。自上而下法指采用物理或 化學(xué)手段剝離、破碎大尺寸的碳基材料，制備碳量子點(diǎn)材料；自下而上法指將含碳小分子材 料經(jīng)熱解、縮合等步驟碳化并形成一定尺寸的碳量子點(diǎn)材料。本實(shí)驗(yàn)采用的酸回流法屬于自 上而下法，將石墨或無(wú)定型碳材料經(jīng)硝酸、硫酸等氧化性酸處理，碳-碳鍵被氧化斷裂，使

5、大 塊的碳材料裂解成小尺寸的碳量子點(diǎn)。此法制備的碳量子點(diǎn)表面含有大量含氧基團(tuán)，在水中 具有良好的分散性。熒光量子效率又稱熒光量子產(chǎn)額(quantum yield of fluorescence)和熒光效率。單位時(shí)間(秒) 內(nèi)，發(fā)射二次輻射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光初級(jí)輻射光子數(shù)之比值。熒光量子效率又稱熒 光量子產(chǎn)額(quantum yield of fluorescence)和熒光效率。單位時(shí)間(秒)內(nèi)，發(fā)射二次輻射熒光的 光子數(shù)與吸收激發(fā)光初級(jí)輻射光子數(shù)之比值。熒光量子產(chǎn)率的直接測(cè)定較為困難，通?？苫跇?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定相對(duì)熒光量子產(chǎn)率，根據(jù) 公式：OD n 2R OD nR 2計(jì)算碳量子點(diǎn)的熒光量

6、子產(chǎn)率。式中Q為樣品的量子產(chǎn)率，I為發(fā)射光譜的積分強(qiáng)度，n 為溶液折射率，OD為光密度(通過紫外一可見分光光度計(jì)測(cè)量)，含有下標(biāo)R的代表為標(biāo)準(zhǔn) 物的相關(guān)參數(shù)。實(shí)驗(yàn)步驟1、查閱資料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案2、熒光碳量子點(diǎn)的制備酸回流過程在電子天平上稱取0.3g木炭粉、用量筒量取25ml 6mol/L硝酸，置于250ml燒瓶中， 放入磁力攪拌子。搭建回流裝置，在85C下回流90min，冷卻至室溫后，卸下冷凝管，將產(chǎn)物溶液倒入 燒杯。分離過程將適量產(chǎn)物轉(zhuǎn)入離心管中，稱重，保證對(duì)側(cè)兩只離心管重量差小于10mg。將離心管對(duì)稱放入離心機(jī)，在7200g離心力下離心10min，保留上清液。3、熒光量子產(chǎn)率測(cè)定將硫酸奎寧溶解在0.1mol/L硫酸中，配制成1pg/ml的溶液作為參比溶液。分別測(cè)試參比 溶液和碳量子點(diǎn)溶液的熒光光譜和紫外-可見吸收光譜，根據(jù)公式：OD n2R OD nR2計(jì)算碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率。式中Q為樣品的量子產(chǎn)率，/為發(fā)射光譜的積分強(qiáng)度，n為溶 液折射率，OD為光密度（通過紫外一可見分光光度計(jì)測(cè)量），含有下標(biāo)R的代表為標(biāo)準(zhǔn)物 硫酸奎寧的相關(guān)參數(shù)。硫酸奎寧0.1