碳量子点及其性能研究进展_史燕妮_李敏_陈师_夏少旭_吴琪琳
碳量子点简介
基于碳量子点的复合物
碳量子点/金属复合物 碳量子点的金属复合物主要包括碳量子点与金、银
或铂的复合物。 孙亚平等在光照下用碳量子点还原氯金酸或氯铂酸
直接制备了表面金或铂涂敷的碳量子点，可有效 地光催化转化二氧化碳或产氢。在碳量子点的银 复合物中，主要探究了银对碳量子点荧光强度的 影响
碳量子点/金属氧化物复合物
碳量子点的化学修饰
化学修饰碳量子点实现表面钝化
化学修饰碳量子点实现发光调控
不同温度下制备的氨基 化碳量子点水溶液
化学修饰碳量子点实现功Ds 的透射电镜照片 CQDs 和 N-CQDs 的光致发光谱和在自然光以
（a）和（b）和尺寸分布图（c）
及紫外灯下的照片
碳量子点具有独特的光电效应，可以将光能转化成电能或 化学能，且量子点制备方法简单，成本低廉，使得量子点 在光电化学领域得到广泛的应用。但是由于其自身复合率 高，光电活性不稳定，光生 e--h+的寿命并不长，光电转化 效率并不高等原因限制其在光催化发面的应用，通过将碳 量子点与其他物质复合等途径降低电子与空穴的自身复合 率，并结合光电化学传感器的原理及光催化降解或制氢使 其在光电催化领域有更广阔的应用前景。
CQDs/CuSx的SEM及HRTEM
Nanoscale,2015,7, 11321–11327 Applied Catalysis B: Environmental 181 (2016) 260–269 Applied Surface Science. /10. 1016/j.apsusc.
碳量子点电子转移的机制
当一个具有能量的光子射入碳量子点时，其会产生光生电子-空 穴对,光激发产生的电子空穴对有两个主要变化结果：
（1）激发态的电子经过热振动移动到激发态的最底端，然后回 到基态与空穴相结合，一部分发生辐射复合放出光子。(复合)
碳量子点实验报告
碳量子点实验报告引言碳量子点是一种直径小于10纳米的碳基纳米结构，在过去几年中引起了广泛的研究兴趣。
由于碳量子点具有优异的光电性能和良好的光稳定性，它们被广泛应用于光电器件、生物传感和光催化等领域。
本实验旨在合成和表征碳量子点，并研究其光吸收和荧光发射性质。
实验方法1. 碳量子点的合成碳量子点的合成采用溶剂热法。
首先，将0.2克的葡萄糖溶解在10毫升的脱离水的乙二醇中，搅拌至完全溶解。
接着，将50毫升的脱离水的乙二醇倒入一只250毫升容量的三口瓶中，并加入100毫升的葡萄糖溶液。
瓶子帽子打开，置于加热板上，用石油醚做冷却水，并搅拌CB插捏在瓶里摇晃，将反应溶液加热至170摄氏度，保温8小时。
随后，冷却至室温。
2. 碳量子点的表征采用紫外可见光谱仪(UV-Vis)对合成的碳量子点进行光吸收性质的表征。
将已合成的碳量子点溶液稀释后，使用紫外可见光谱仪测量其在200-800纳米范围内的吸收光谱。
再利用荧光光谱仪对碳量子点进行荧光发射特性的测试。
将溶解于脱离水的乙二醇中的样品的稀释液滴在玻璃基片上，使用荧光光谱仪对其发射光谱进行测量。
3. 结果与讨论光吸收性质从UV-Vis光谱中可以观察到在200-400纳米范围内的吸收峰，峰值位于300纳米附近。
这表明碳量子点能够吸收紫外光，具有光敏性。
吸收峰的出现可能是由于碳量子点表面的有机官能团的贡献。
荧光发射特性荧光光谱仪测得的发射光谱显示，碳量子点在400-600纳米范围内发射强烈的荧光。
光谱峰位于500纳米附近，此处是碳量子点最强的荧光发射波长。
这说明碳量子点具有优异的荧光特性，可以用作生物标记和生物传感器等应用领域。
结论通过本实验成功合成了碳量子点，并表征了其光吸收和荧光发射性质。
实验结果显示，合成的碳量子点具有优异的光吸收性能和荧光发射特性。
这为进一步研究和应用碳量子点提供了基础。
参考文献[1] Lim SY, Shen W, Gao Z. Carbon quantum dots and their applications. Chem Soc Rev. 2015;44(1):362-381.[2] Baker SN, Baker GA. Luminescent carbon nanodots: emergent nanolights. Angew Chem Int Ed Engl. 2010;49(38):6726-6744.。
碳量子点的制备及性能研究
碳量子点的制备及性能研究一、本文概述随着纳米科技的迅速发展，碳量子点（Carbon Quantum Dots，简称CQDs）作为一种新兴的碳纳米材料，以其独特的光学性质、良好的生物相容性和环境友好性，在生物成像、光电器件、药物传递和环境治理等领域展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面介绍碳量子点的制备方法、结构特性以及潜在的应用价值，通过深入研究和分析，为碳量子点的进一步应用和发展提供理论支持和实践指导。
本文将首先综述碳量子点的制备技术，包括自上而下和自下而上两大类方法，如激光烧蚀、电化学氧化、热解和微波合成等。
随后，文章将重点探讨碳量子点的光学性能、电子结构和表面性质，以及这些性质如何影响其在实际应用中的表现。
本文还将对碳量子点在生物成像、光电器件、药物传递和环境污染治理等领域的应用进行详细介绍，并展望其未来的发展趋势和挑战。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个关于碳量子点制备及性能研究的全面视角，并激发更多科研工作者对这一领域的兴趣和热情，共同推动碳量子点在纳米科技领域的发展和应用。
二、碳量子点的制备方法碳量子点的制备方法多种多样，主要包括自上而下法（Top-Down）和自下而上法（Bottom-Up）两大类。
自上而下法主要是通过物理或化学方法将大尺寸的碳材料（如石墨、碳纳米管等）剥离成小的碳量子点。
这些方法包括激光烧蚀法、电弧放电法、电化学氧化法等。
这些方法制备的碳量子点通常具有较好的结晶性和稳定性，但尺寸分布较宽，制备过程可能涉及高温或高压，操作条件较为苛刻。
自下而上法则是通过小分子前驱体的热解、水解或化学合成等方式，逐步生长成碳量子点。
常用的方法有热解法、水热法、模板法、微波法等。
这些方法制备的碳量子点尺寸较为均匀，可以通过改变前驱体或反应条件来调控碳量子点的结构和性质。
自下而上法制备过程相对温和，操作简便，有利于实现大规模生产。
除了上述两类方法外，还有一些新兴的制备方法，如超声剥离法、溶剂热法、表面功能化法等。
碳量子点综述
碳量子点综述胡东旭 2014级环境工程卓越班 201475050112摘要:碳量子点(CQDs, C-dots or CDs)是一种新型的碳纳米材料，尺寸在10 nm以下，具有良好的水溶性、化学惰性、低毒性、易于功能化和抗光漂白性、光稳定性等优异性能，是碳纳米家族中的一颗闪亮的明星。
最近几年的研究报道了各种方法制备的CQDs在生物医学、光催化、光电子、传感等领域中都有重要的应用价值。
这篇综述主要总结了关于CQDs的最近的发展，介绍了CQDs的合成方法、物理化学性质以及在生物医学、光催化、环境检测等领域的应用。
1 引言在过去的20年间，鉴于量子点特殊的性质，尤其是量子点相对于有机染料而言，容易调节的光学性质和抗光降解性质，使量子点得到了广泛的关注。
如果量子点可以克服造价昂贵、合成条件严格和众所周知的高毒性等缺点，则有望广泛地应用于生物传感和上物成像领域。
最近几年，量子点的研究非常活跃，尤其是关于它在生物和医学中的应用。
量子点一般是从铅、镉和硅的混合物中提取出来的，但是这些材料一般有毒，对环境也有危害。
所以科学家们开始在一些良性化合物中提取量子点。
因此，很多的研究均围绕着合成毒性更低的其它材料量子点来进行，这些替代材料的碳量子点，如硅纳米粒子、碳量子点均具有优异的光学性质。
相对金属量子点而言，碳量子点无毒害作用，对环境的危害很小，制备成本低廉。
它的研究代表了发光纳米粒子研究进入了一个新的阶段。
2 碳量子点的合成大多数的碳量子点主要是由无定形的碳到晶化的碳核组成的以sp2杂化为主的碳，碳量子点的晶格间距和石墨碳或者无定形层状碳的结构一致。
如果没有其他修饰试剂的修饰碳量子点表面会含有一些含氧基团，而含氧基团的多少和种类与实验条件相关。
发光碳量子点的合成方法可以分为两大类（图一），化学法和物理法。
图一碳量子点的制备方法2.1化学法2.1.1电化学法Zhou利用离子液体辅助电解高纯石墨棒和高温热解纯定向石墨(HOPG)于离子液体和水溶液中，通过控制离子了液体中水的含量得到不同荧光性质的荧光纳米粒子、纳米带、石墨等产物。
荧光碳量子点在生物医学研究中的前沿进展
荧光碳量子点在生物医学研究中的前沿进展荧光碳量子点是一种新型的纳米材料，具有优异的光学性质和生物相容性。
近年来，随着科学技术的不断发展，荧光碳量子点在生物医学领域的应用也越来越广泛。
本文将从理论和实验两个方面，介绍荧光碳量子点在生物医学研究中的前沿进展。
一、荧光碳量子点的制备方法及其性质1.1 荧光碳量子点的制备方法荧光碳量子点的制备方法主要有化学合成法、物理气相沉积法和生物合成法等。
其中，化学合成法是最常用的方法之一。
这种方法通过合成特定的化合物来制备荧光碳量子点。
例如，通过将苯胺和吡啶酮在氧化铝存在的条件下反应，可以得到稳定的荧光碳量子点。
1.2 荧光碳量子点的特点荧光碳量子点具有以下特点：(1)高荧光效率；(2)良好的光稳定性；(3)窄的吸收光谱；(4)可调谐的发射光谱；(5)良好的生物相容性等。
这些特点使得荧光碳量子点在生物医学研究领域具有广泛的应用前景。
二、荧光碳量子点在生物医学研究中的应用2.1 荧光碳量子点在肿瘤诊断中的应用由于荧光碳量子点具有对肿瘤细胞的高亲和力和选择性吸附能力，因此可以作为一种有效的肿瘤诊断标志物。
例如，研究表明，将荧光碳量子点负载到磁性纳米粒子上，可以实现对肝癌等肿瘤的高效检测。
荧光碳量子点还可以作为靶向药物载体，用于治疗肿瘤。
2.2 荧光碳量子点在药物传递系统中的应用荧光碳量子点具有良好的生物相容性和稳定性，因此可以作为药物传递系统的核心组成部分。
例如，研究表明，将荧光碳量子点负载到脂质体中，可以提高药物的靶向性和治疗效果。
荧光碳量子点还可以作为基因治疗载体，用于实现对特定基因的精准调控。
2.3 荧光碳量子点在生物成像中的应用荧光碳量子点具有较高的比表面积和光学活性，因此可以作为一种有效的生物成像探针。
例如，研究表明，利用荧光碳量子点与特定蛋白结合形成的复合物可以实现对细胞内重要蛋白的高灵敏度、高分辨率成像。
荧光碳量子点还可以与其他分子结合形成多重信号放大系统，进一步提高生物成像的效果和灵敏度。
碳量子点的制备及性能研究
学位论文数据集中图分类号O613.7学科分类号150论文编号1001020131068密级公开学位授予单位代码10010学位授予单位名称北京化工大学作者姓名王珊珊学号2010001068获学位专业名称化学获学位专业代码0703课题来源国家自然科学基金研究方向纳米材料论文题目碳量子点的制备及性能研究关键词碳量子点、荧光材料、微波法、超声法、回流-水热法论文答辩日期2013.5.24*论文类型基础研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名职称工作单位学科专长指导教师朱红教授北京化工大学新能源化学评阅人1王涛教授北京化工大学有机化学评阅人2于书平副教授北京化工大学应用电化学答辩委员会主席杨屹教授北京化工大学分析化学答辩委员1冯拥军副教授北京化工大学无机化学答辩委员2雷鸣副教授北京化工大学物理化学答辩委员3韩克飞副教授北京化工大学有机化学答辩委员4张普敦副教授北京化工大学分析化学注：一.论文类型：1.基础研究 2.应用研究 3.开发研究 4.其它二中图分类号在《中国图书分类法》查询三学科分类号在中华人民共和国国家标准（GB/T13745-9）《学科分类与代码》中查询四.论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。
摘要碳量子点的制备及性能研究摘要碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种，也称为碳点、碳纳米点、碳纳米晶，是尺寸大小在10nm以下的，单分散的，几何形状近乎准球型的一种新兴的碳纳米功能材料。
相对于传统的半导体量子点和有机染料（制备方法繁琐，价格昂贵，环境不友好，易发生光漂白等），荧光碳量子点粒径小，水溶性好，化学惰性高，易于功能化，耐光漂白，低毒性，并且具有良好的生物相容性。
荧光碳量子点的诸多领域的应用，集结了众多研究者对其制备方法、性能优化、应用拓展方面研究的兴趣和探索的步伐。
近年来众多研究者利用不同的方法，不同的原料制备了结构、组成相似或有差异的一系列的碳量子点，并且有的研究者对其进行修饰例如：结合金属粒子、金属化合物、有机聚合物、元素沉积和包覆等，丰富了碳量子点在生物科学、化学科学和物理科学方向的新应用。
生物质基碳量子点研究现状及展望
深入研究结构和性质的关系
通过深入研究生物质基碳量子点的结构和性质的关系，揭示其发光机制和光物理过程，为实现结构和性质的可调控提供理论依据。
结构和性质的可调控研究
表面修饰和功能化
通过表面修饰和功能化，改变生物质基碳量子点的表面结构和性质，实现对其光学、电学等性质的调控。例如，通过表面修饰引入功能基团，改变碳量子点的能级结构和光学性质。
Chapter
该方法利用生物质前驱体在高温高压下进行裂解，生成生物质基碳量子点。
生物质基碳量子点的制备方法
裂解法
通过控制氧化剂与生物质前驱体的反应程度，制备得到生物质基碳量子点。
氧化法
如电化学法、微波法等，这些方法相对较少使用，但也在一定程度上丰富了生物质基碳量子点的制备手段。
其他制备方法
表面效应
生物质基碳量子点的性质研究
生物质基碳量子点在光电材料中的应用研究
太阳能电池
利用生物质基碳量子点的光电性质，可以设计制造出高效、低成本、环境友好的太阳能电池。
光电探测器
生物质基碳量子点可以用于制造高效、灵敏的光电探测器，在光通信、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
LED显示技术
利用生物质基碳量子点的出色光电性质，可以开发出低能耗、高亮度、色彩丰富的LED显示技术，有望在智能家居、车载娱乐等领域得到广泛应用。
表面修饰与功能化
生物医学应用的安全性和有效性问题
生物相容性
在生物医学应用中，首要考虑的是量子点的生物相容性。如何确保在使用过程中不产生毒副作用，是必须要解决的问题。
04
生物质基碳量子点的未来展望
Chapter
探索新的合成方法
01
研究和发展新的合成方法，以实现生物质基碳量子点的高效制备和纯化。例如，采用绿色合成方法，利用可再生生物质资源为原料，避免使用有害的化学试剂和溶剂。
碳量子点综述
碳量子点综述引言碳量子点作为一种新型纳米材料，具有独特的光电性能和化学性质，在光电子学、催化剂、生物传感器等领域显示出巨大的应用潜力。
本文将对碳量子点的合成方法、表征手段、光电性能以及应用前景进行综述。
一、碳量子点的合成方法碳量子点的合成方法主要包括溶液法、热解法和激光剥离法等。
其中，溶液法是最常用的合成方法之一，通过碳前体的溶液反应、热解或光解来制备碳量子点。
热解法则是利用高温下碳前体的热解过程来合成碳量子点。
激光剥离法则是利用激光辐射对石墨烯等碳材料进行剥离来得到碳量子点。
二、碳量子点的表征手段为了对碳量子点进行准确的表征，科学家们发展了多种手段，包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、荧光光谱等。
透射电子显微镜可以观察到碳量子点的形貌和尺寸分布情况，扫描电子显微镜则能够提供更高分辨率的表面形貌信息。
紫外-可见吸收光谱和荧光光谱可以分析碳量子点的光学性质，如吸收峰位、荧光强度等。
三、碳量子点的光电性能碳量子点具有优异的光电性能，表现为宽带隙、可调节的荧光发射和高量子产率等特点。
由于碳量子点的尺寸效应和边界效应，其带隙可以在可见光范围内调节，这为其在光电子器件中的应用提供了可能。
此外，碳量子点还具有较高的荧光量子产率和长寿命，使其在生物成像、荧光探针等领域有着广泛的应用前景。
四、碳量子点的应用前景碳量子点在各个领域都显示出了广阔的应用前景。
在光电子学领域，碳量子点可以用于太阳能电池、光电转换器等器件的制备；在催化剂领域，碳量子点可以作为催化剂载体或催化剂本身，用于催化反应的加速；在生物传感器领域，碳量子点可以作为荧光探针，用于生物标记和生物成像等应用。
结论碳量子点作为一种新型纳米材料，具有独特的光电性能和化学性质，在光电子学、催化剂、生物传感器等领域具有广泛的应用前景。
随着合成方法的不断改进和表征手段的完善，碳量子点的性能和应用将得到进一步的提升。
碳量子点的制备及性能研究
碳量子点的制备及性能研究碳量子点的制备及性能研究碳量子点是一种具有纳米级尺寸的碳材料，它在近年来引起了广泛的研究兴趣。
碳量子点因其特殊的光电性质和优异的稳定性而受到关注，具有许多潜在的应用领域，如生物荧光成像、光电催化、光电子器件等。
本文将介绍碳量子点的制备方法和性能研究的进展。
碳量子点的制备方法多种多样，主要包括溶剂热法、微波辅助法、气相热解法、机械球磨法等。
其中，溶剂热法是最常用的制备方法之一。
该方法一般是将有机碳源（如葡萄糖、柠檬酸等）在高温下与有机溶剂进行反应，通过控制反应条件（如温度、时间等），可以得到不同尺寸和形态的碳量子点。
微波辅助法是近年来发展起来的一种制备方法，它利用微波辐射加热样品，能够快速、均匀地产生碳量子点。
气相热解法是利用气体为碳源，在高温下进行热解反应，得到碳量子点。
机械球磨法是一种物理力学方法，通过高能球磨设备对固体样品进行球磨，使其发生机械剪切和碰撞，最终得到碳量子点。
这些制备方法各有优缺点，需要根据实际需求选择合适的方法。
碳量子点的性能研究主要包括光电性质、发光性质、电化学性质等方面。
碳量子点由于其特殊的能带结构和表面态密度，具有优异的光电性质。
它们具有宽带隙和可调节的能带结构，能够在可见光范围内吸收和发射光线。
这使得碳量子点在光电器件中具有广泛的应用前景。
另外，碳量子点的发光性质也备受关注。
由于其优异的荧光性能和生物相容性，碳量子点在生物荧光成像、生物传感等领域具有巨大的潜力。
此外，碳量子点的电化学性质也被广泛研究。
例如，碳量子点可以作为电极材料用于超级电容器、锂离子电池等能源领域。
近年来，有关碳量子点的研究不断取得新的进展。
例如，研究人员通过调控碳量子点的结构和表面修饰，成功实现了对其光电性质的调控，进一步扩展了其应用领域。
此外，还有学者探索了碳量子点与其他材料的复合应用。
例如，将碳量子点与二维材料（如石墨烯）复合，可以制备出具有优异性能的新型光电子器件。
此外，还有学者将碳量子点与金属纳米颗粒复合，制备出高效的光催化材料。
毕业大设计开题答辩ppt-碳量子点的制备及应用-华东理工大学-化工学院-轻化工程
作用机理
以碳量子点为基础的金属离子传感器主要种类有Hg2+、Cu2+、Fe3+等[3]。 Dong等报道了一种Cu2+的荧光检测方法，该方法使用树枝状聚乙烯亚胺 (BPEI)修饰的Cdots作为荧光探针检测Cu2+，Cu2+可以被BPEIC-dots表面的氨基 基团捕获，并在C-dots的表面形成吸附复合物，通过内滤效应引起C-dots荧 光的迅速猝灭。[4]
胥月团队以苹果汁为原料，通过一步水热法合成得到了水溶性好 及稳定性高的蓝色荧光碳量子点。[6]
制备方法
含N碳量子点与多醛的反应：
含N碳量子点表面有极为丰富的氨基，在适当的pH和温度下， 氨基可与醛基发生反应构成具有新结构的材料，而且如果醛类 有多个醛基，还可发生类似于有机反应的交联反应的效果。
氨基与醛基的反应机理与下图类似：
发光机理：
碳量子点的荧光性能主要来源于两种不同类型的发射，一 种是其表面能的 陷阱发射， 另一种是其内在的状态发射，即电子和空穴的重新结合产生的 发射 ， 也就是通常所说的量 子点的量子尺寸效应所导致的发射 。
荧光猝灭：
荧光猝灭的准确原因还未有定论，但已有实验表明与离子结合后发生的 能量转移有关。以下图Hg2+为例， Hg2+可以猝灭C-dots的荧光，机理可能 是由于Hg2+结合在C-dots的表面，通过有效的电子或者能量转移过程促进 非辐射电子/空穴重组。[8]
碳量子点研究
摘要碳量子点是一种以碳元素为主体的新型荧光碳纳米材料，碳量子点具有许多优良性质主要包括：荧光稳定性高且耐光漂白、激发光宽而连续、发射光可调谐、粒径小分子量低、生物相容性好且毒性低和优良的电子受体和供体等特性还有比传统金属量子点更为优越的特点。
碳量子点不但克服了传统有机染料的某些缺点，而且有分子量和粒径小、荧光稳定性高、无光闪烁、激发光谱宽而连续、发射波长可调谐、生物相容性好、毒性低等优点。
更易于实现表面功能化，被认为是一种很好的理想材料。
对近几年国内碳量子点的研究现状，对电弧法、激光剥蚀法、电化学法、模板法等合成碳量子点的方法进行了简单的介绍，以及合成碳量子的方法分类，论述了碳量子点有望取代传统半导体量子点，在生物成像、发光探针分析等领域进行广泛的应用。
检测重金属离子，检测小分子，溶液的酸碱性具有越来越重要的作用，是一种新型的纳米材料。
为此，开展荧光碳量子点的基础研究具有重要的理论意义和应用价值,成为近几年的研究热点。
本研究中对其性质，合成以及其应用进行了几个方面的综述。
关键词：碳量子点；材料；合成；应用；AbstractA quantum dot is a carbon carbon as the main element of the new carbon nano fluorescent material having a plurality of quantum dots carbon excellent properties including: light stability, and high bleaching fluorescence excitation light wide and continuous light emission can be tuned to a small particle size low molecular weight, low toxicity and good biocompatibility and excellent electron acceptor and donor still more excellent characteristics than the conventional metal quantum dots characteristics. Carbon not only overcome the quantum dot certain disadvantages of the conventional organic dye, and a small molecular weight and particle size, high fluorescence stability, no light flashes continuously broad excitation spectrum, the emission wavelength can be tuned, good biocompatibility, low toxicity and so on. Easier to implement the function of the surface is considered to be an ideal material good. In recent years, research on the status of domestic carbon quantum dots, quantum dot synthesis method for carbon arc, laser ablation, electrochemical method, template method for a simple introduction, as well as the synthesis of carbon quantum method of classification, discusses carbon quantum dots are expected to replace traditional semiconductor quantum dots, in the field of biological imaging, luminescence probes for extensive analysis applications. Detection of heavy metal ions, the detection of small molecules, the pH of the solution has an increasingly important role, is a novel nanomaterials. To this end, the basic research carried out fluorescent carbon quantum dots has important theoretical significance and application value and become a research hotspot in recent years. The study was reviewed several aspects of its nature, synthesis and their applications.Keywords: carbon quantum dots; materials; synthesis; application目录第1章绪论 .................................................................................................................... - 0 -1.1 碳量子点 .............................................................................................................. - 0 -1.2 碳量子点的优良性质 .......................................................................................... - 0 -1.2.1 荧光稳定性高且耐光漂白 ........................................................................ - 1 -1.2.2 激发光宽而连续 ........................................................................................ - 1 -1.2.3 发射光可协调 ............................................................................................ - 1 -1.2.4 粒径非常小且分子量低 ............................................................................ - 1 -1.2.5 生物相容性良好且毒性很低 .................................................................... - 1 -1.2.6 良好的电子受体和供体 ............................................................................ - 1 -1.2.7 碳量子点的光学特性 ................................................................................ - 2 -1.3 本论文的主要研究内容及意义 .......................................................................... - 2 - 第2章碳量子点的制备 .................................................................................................. - 3 -2.1 合成材料的选择 .................................................................................................. - 3 -2.1.1 石墨作为碳源 ............................................................................................ - 3 -2.1.2 活性炭作为碳源 ........................................................................................ - 3 -2.1.3 蜡烛燃烧灰作为碳源 ................................................................................ - 3 -2.1.4 油烟等作为碳源 ........................................................................................ - 3 -2.1.5 碳水化合物作为碳源 ................................................................................ - 3 -2.1.6 其他含碳化合物 ........................................................................................ - 4 -2.2 碳量子点的制备方法 .......................................................................................... - 4 -2.2.1激光消融法 ................................................................................................. - 4 -2.2.2 热解燃烧法 ................................................................................................ - 5 -2.2.3 电化学方法 ................................................................................................ - 5 -2.2.4 电弧放电法 ................................................................................................ - 6 -2.2.5 微波法 ........................................................................................................ - 6 -2.2.6 超声法 ........................................................................................................ - 6 -2.2.7 强酸氧化法 ................................................................................................ - 6 -2.2.8 水热法 ........................................................................................................ - 7 -2.2.9模板法 ......................................................................................................... - 7 - 第3章碳量子点的应用 .................................................................................................. - 8 -3.1碳量子点在生物标记与细胞成像中的应用 ....................................................... - 8 -3.2碳量子点在生物分析检测中的应用 ................................................................... - 8 -3.3 碳量子点作为荧光探针的应用 .......................................................................... - 8 -3.3.1检测金属离子 ............................................................................................. - 9 -3.3.2检测溶液pH值 .......................................................................................... - 9 -3.3.3检测小分子 ................................................................................................. - 9 -3.3.4检测具有生物活性的大分子 ..................................................................... - 9 -3.3.5在活体成像中的运用 ................................................................................. - 9 -3.4 碳量子点的其他方面的应用 ............................................................................ - 10 - 第4章总结 ................................................................................................................... - 11 - 参考文献 .......................................................................................................................... - 12 - 致谢 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。
碳量子点的制备、性能及应用研究进展
碳量子点的制备、性能及应用研究进展一、本文概述随着纳米科技的飞速发展，碳量子点（Carbon Quantum Dots, CQDs）作为一种新兴的碳纳米材料，近年来引起了广泛的关注。
本文旨在全面综述碳量子点的制备技术、物理化学性能及其在各个领域的应用研究进展。
我们将介绍碳量子点的基本结构、性质和制备方法，包括自上而下和自下而上两大类方法。
然后，我们将重点讨论碳量子点在光学、电学、磁学等多方面的性能，并探讨其性能优化策略。
我们将综述碳量子点在生物成像、药物递送、光电器件、环境科学等领域的应用现状和发展前景。
通过本文的阐述，希望能够为碳量子点的进一步研究和应用提供有益的参考。
二、碳量子点的制备方法碳量子点的制备方法多种多样，主要包括自上而下（Top-Down）和自下而上（Bottom-Up）两大类方法。
自上而下法：这种方法通常利用物理或化学手段，将较大的碳材料（如石墨、碳纳米管等）破碎成纳米尺寸的碳量子点。
常见的物理方法包括激光烧蚀、电弧放电和球磨等，而化学方法则主要包括酸氧化、电化学氧化和热处理等。
自上而下法的优点是可以大规模制备，但制备过程中可能会引入杂质，影响碳量子点的纯度和性能。
自下而上法：这种方法则是以小分子为前驱体，通过化学反应或热解等方法，合成出碳量子点。
常见的前驱体包括柠檬酸、葡萄糖、乙二胺等有机物，以及二氧化碳、甲烷等无机物。
自下而上法的优点是可以精确控制碳量子点的尺寸、结构和表面性质，制备出的碳量子点纯度高、性能稳定。
但这种方法通常需要较高的反应温度和较长的反应时间，制备成本较高。
近年来，研究者们还开发了一些新型的制备方法，如微波辅助法、超声法、模板法等。
这些方法结合了自上而下和自下而上的优点，既可以实现大规模制备，又可以精确控制碳量子点的性质。
随着纳米技术的不断发展，研究者们还在探索利用生物方法制备碳量子点，如利用微生物、植物提取物等作为前驱体，通过生物合成的方式制备出具有特殊性能的碳量子点。
一种碳量子点及其制备方法和应用[发明专利]
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专利名称：一种碳量子点及其制备方法和应用专利类型：发明专利
发明人：刘守新,李伟,刘禹杉,马春慧,罗沙
申请号：CN201810102977.2
申请日：20180201
公开号：CN108315012A
公开日：
20180724
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：将葡萄糖、杂多酸和水混合，得到反应混合液；将所述反应混合液进行水热反应，得到碳量子点。
本发明以葡萄糖、杂多酸为原料，环保廉价易得，在降低了生产成本的同时，提高了环境的友好性，同时利用水热反应进行炭化，反应过程简单，可实现工业化生产。
本发明制备得到的碳量子点的粒径为4～8nm，其在紫外光下能够发出蓝色和绿色荧光。
根据实施例的记载可知，所述碳量子点对有机污染物的降解率可达87.4％以上。
申请人：东北林业大学
地址：150000 黑龙江省哈尔滨市香坊区和兴路26号
国籍：CN
代理机构：北京高沃律师事务所
代理人：刘奇
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一种碳量子点
专利名称：一种碳量子点‑氧化亚铜复合材料的制备方法及其应用
专利类型：发明专利
发明人：杨志,马玉洁,张薇,李晓琳,魏浩,张亚非
申请号：CN201610453856.3
申请日：20160621
公开号：CN106111137A
公开日：
20161116
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种碳量子点‑氧化亚铜复合材料的制备方法及其作为光催化剂的应用。
本发明的制备方法不添加任何表面活性剂，以葡萄糖为还原剂，是一种简单易控的一步原位制备方法，工艺简单，成本低廉，实用性强，便于大批量工业生产；得到的复合材料形貌可控，光催化效率高，在利用太阳能和治理环境污染等方面有很好的应用前景。
申请人：上海交通大学
地址：200240 上海市闵行区东川路800号
国籍：CN
代理机构：上海旭诚知识产权代理有限公司
代理人：郑立
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碳量子点的制备及其在能源与环境领域应用进展
碳量子点的制备及其在能源与环境领域应用进展傅鹏;周丽华;唐连凤;蔡茜茜;袁勇【期刊名称】《应用化学》【年(卷),期】2016(33)7【摘要】碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)作为碳纳米材料家族的新成员引起了科学家广泛关注和极大的研究兴趣.CQDs具有优良的光学特性、生物相容性及微弱的细胞毒性,在生物医药、生物传感器及光电子设备、环境及能源等领域中具有重要的应用.本文从CQDs的制备方法出发,介绍了近年来发展的新型制备方法,讨论了其优缺点以及对所得CQDs在组成、结构和性质等方面的影响;基于CQDs独特的光学及电化学性能,重点介绍了CQDs在环境与能源领域的应用.此外,对CQDs研究过程中存在的若干挑战进行了分析,提出了未来发展的一些思考和建议,为拓展CQDs多方面应用提供重要参考.【总页数】14页(P742-755)【作者】傅鹏;周丽华;唐连凤;蔡茜茜;袁勇【作者单位】广东工业大学轻工化工学院广州510006;广东省生态环境与土壤研究所,广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650;广东工业大学轻工化工学院广州510006;广东工业大学轻工化工学院广州510006;广东省生态环境与土壤研究所,广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650;广东省生态环境与土壤研究所,广东省农业环境综合治理重点实验室广州510650【正文语种】中文【中图分类】O613.7;O611.4【相关文献】1.生物质炭的制备及其在能源与环境领域中的应用 [J], 李保强;刘钧;李瑞阳;李文东;冯玉杰;宫金鑫2.硅藻土基复合材料在能源与环境领域的应用进展 [J], 姜德彬;袁云松;吴俊书;杜玉成;王金淑;张育新3.藻类生物炭材料的设计合成及其在能源与环境领域中的应用进展 [J], 侯政琦;罗鸣宇;杨奕廷;周继承;刘立成;蔡进军4.碳量子点制备及其在环境治理领域应用进展 [J], 袁磊;郑婕;张太亮;李朝晖;赵寒枫5.碳量子点制备及其在环境治理领域应用进展 [J], 袁磊;郑婕;张太亮;李朝晖;赵寒枫因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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１０．１４０２８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－３７２６．２０１６．０１．００６收稿：２０１５－０３－１９；修回：２０１５－０５－０５；基金项目：上海市教育委员会重点创新项目（１４ｚｚ０６９）、同济大学先进土木工程材料重点实验室开放基金（２０１３０１）；作者简介：史燕妮（１９９１－），女，硕士，主要从事碳量子点的制备及其性能研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ＹａｎｎｉＳｈｉ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ；＊通讯联系人，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｑｌ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ．碳量子点及其性能研究进展史燕妮１，２，李 敏２，陈 师２，夏少旭２，吴琪琳１，２＊（１．东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海 ２０１６２０；２．东华大学材料科学与工程学院，上海 ２０１６２０） 摘要：碳量子点（Ｃａｒｂｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ，ＣＱＤｓ）是一种新型的碳纳米材料，因其强的量子限域效应和稳定的荧光性能等一系列优异性能，吸引了化学、物理、材料和生物等各领域科学家的广泛关注。
相比传统半导体金属量子点，ＣＱＤｓ还具备优异的低毒性和生物相容性，更拓宽了其在生物领域内的研究前景。
本文简要地介绍了ＣＱＤｓ的制备方法，主要包括自上而下和自下而上两个方向。
除此之外，本文综述了ＣＱＤｓ突出的物理化学性质和性能，包括ＣＱＤｓ的荧光性能、生物相容性和上转换效应，并对ＣＱＤｓ在其在生物成像上的应用进行了归纳。
关键词：碳量子点；荧光；低毒性；上转换效应；生物成像从上世纪９０年代初日本科学家ＩＩＪＩＭＡ首次发现碳纳米管开始，到２０１０年两位俄罗斯科学家Ａｎｄｒｅ Ｇｅｉｍ和Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ因在石墨烯材料研究上的卓越贡献获得诺贝尔物理学奖，科学家们对于碳纳米材料的研究热潮一直持续高涨［１，２］。
碳量子点（Ｃａｒｂｏｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔｓ，ＣＱＤｓ），通常定义为尺寸在２０ｎｍ以下的新型碳材料，由于量子限域效应表现出稳定的荧光性能，尤其是其生物相容性和低毒性大大突破了传统金属量子点材料在生物领域的应用限制［３～５］。
２００４年ＪＡＣｓ上首次报道了Ｓｃｒｉｖｅｎｓ等在分离碳纳米管时发现了具备荧光性能的碳纳米粒子，但是其荧光产率很低［６］。
２００６年美国克莱蒙森大学Ｙａ－Ｐｉｎｇ Ｓｕｎ教授领导的科研小组报道了激光剥离碳源的方法制备的具备较好荧光性能的碳纳米粒子，通过有机分子聚乙二醇等表面修饰，荧光产率可达１０％以上并首次称之为碳点。
作为一种新型的荧光材料，ＣＱＤｓ具备更宽而连续的激发光谱、稳定的荧光性能及其良好的生物相容性和低毒性，并且可通过化学修饰的手段实现功能化，在生物成像、标记和检测等领域有着良好的应用前景［７～１１］。
本文就三个研究热点进行了综述，包括碳量子点的制备方法、性能表征以及应用探索并针对碳量子点在发展过程中存在的问题进行了讨论。
１ 碳量子点的制备从材料学的角度分析，碳量子点的制备方法目前主要探索了两大类：自下而上和自上而下。
自下而上的方法具体是指以小分子作为前体通过一系列的化学反应制备碳量子点，尽管理论上可以实现形貌可控，对碳量子点表面边界结构的修饰也比较便捷，但步骤太繁琐，对设备的要求也比较高，例如微波法［１２］、溶液化学法［１３］等。
自上而下的方法的主体思路是通过物理或化学的方法将大尺寸的二维碳网平面结构切割成小尺寸的碳量子点。
目前主要采用具有大尺寸的石墨烯薄片的原材料，激光刻蚀法、电化学氧化法［１４］、水热法［１５］都是自上而下的典型代表。
其中激光刻蚀法是最早报道的用来制备碳量子点的方法之一，通常产物尺寸比较大（３０～５０ｎｍ），荧光效应比较弱，有些甚至几乎检测不到，还需经过有机小分子的表面修饰后才表现出强荧光效应，而且对激光设备的要求也比较高。
自上而下的方法可以通过调节各自的反应参数达到对产物尺寸的调控，而对边界结构的控制通常是不容易实现的［１６］。
研究者用电化学氧化法通过外加电势调节碳量子点尺寸的大小，制备了１～３ｎｍ大小的碳量子点，并发现其荧光性·９３· 第１期 高 分 子 通 报１０．１４０２８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－３７２６．２０１６．０１．００６能表现出尺寸相关性，但同时实现不同尺寸碳量子点的分离和利用上存在一定的困难。
也有研究者对碳量子点尺寸对荧光效能的影响进行研究，认为高荧光产率通常是由小尺寸的碳量子点中获得的［１７］。
不难看出目前自上而下的方法虽然步骤相对简单，却难以实现对碳量子点形貌和尺寸的精确控制，导致其荧光性能难以严格调控。
从原材料的角度分析，原料中的微观结构和性能也是决定荧光碳量子点性质的关键因素。
自上而下的方法中多用石墨烯、碳纳米管、碳纤维等为碳源材料，其规整的碳网平面结构有利于制备高产率的碳量子点，但原料的获得往往需要复杂的工艺，成本较高［１８，１９］。
例如，研究者用改进Ｈｕｍｍｅｒ法制备了氧化石墨，最终获得形貌规整的碳量子点［１２］，但包含的步骤太繁琐。
最近有部分文献报道了从碳水化合物［２０］或者食物中（咖啡、蜂蜜等）［２１］提取碳量子点，受原料本身结构性能的限制，其荧光产率通常不高（多数不超过６％）。
综合来看，目前有关制备方面还是偏重于方法的探索，主要从原料和制备方法两个角度入手简化操作，对演变机理的探讨却很少涉及。
２ 碳量子点的物理化学性能２．１ 荧光性能ＣＱＤｓ传承许多传统的半导体金属量子点优越的光学性能，相比有机染料，还展现了抗光漂白性等优势，同时表面富集羰基等活性基团易于实现生物偶联［２２］（见图１）。
关于ＣＱＤｓ具体作用机理仍然是一个开放性课题，目前被广泛认可的发光机理主要有以下几方面：量子限域效应［２３］、表面缺陷［２４］、自由锯齿位点［１５］等。
图１ （Ａ）ＣＱＤｓ的构成和结构模型［３４］；（Ｂ）ＣＱＤｓ的紫外及荧光光谱；（Ｃ）π－π＊能隙和芳香环数量的模拟计算［１７］Ｆｉｇｕｒｅ １ （Ａ）Ｄｅｐｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ＣＱＤｓ［３４］；（Ｂ）ＵＶ－ｖｉｓ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ＰＬ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ＣＱＤｓ；（Ｃ）Ｅｎｅｒｇｙ ｇａｐ ｏｆπ－π＊ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｓ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｂｅｒ（Ｎ）ｏｆ ｆｕｓｅｄ ａｒｏｍａｔｉｃ ｒｉｎｇｓ［１７］一般认为，高荧光量子产率通常由小尺寸ＣＱＤｓ中获得［２５］。
ＣＱＤｓ表面的发射能量阱存在量子限域效应是导致荧光效应的主要原因，因此对于ＣＱＤｓ颗粒，其面积／体积比值越大，荧光效应越强［１０］。
通常·０４· 高 分 子 通 报２０１６年１月 １０．１４０２８／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３－３７２６．２０１６．０１．００６合成的ＣＱＤｓ是不同尺寸颗粒组成的混合物，因而ＣＱＤｓ的荧光光谱分布较宽或者荧光产率不高，发射光谱可由可见光波长范围延伸至近红外波长范围。
多尺寸的ＣＱＤｓ一般具有激发波长依赖性，展现了多色彩的荧光效应（见图１Ｂ）［２６］。
通过各种方式的分离和提纯也可进一步证明ＣＱＤｓ具有一定的尺寸依赖性。
图１Ｃ对荧光性能和团簇尺寸的关系进行了理论模拟和计算。
ＣＱＤｓ的光致发光现象可以看作是电子从最低分子占有轨道（ＬＯＭＯ）到最高分子未占有轨道（ＨＵＭＯ）转移的过程。
随着碎片尺寸的增加，间隙减小，进而可以获得在某段光谱范围内的能隙，这一点与ＣＱＤｓ的尺寸依赖特性相符。
然而，没有经过特殊表面处理的裸ＣＱＤｓ，其荧光量子产率大多不超过１０％［２７，２８］，这可能是由于导致荧光的激子再结合的数目不够或者存在不明显的量子限域效应。
Ｚｈｕ等通过水热法制备的蓝色荧光ＣＱＤｓ只有１．１ｎｍ的厚度，尺寸也控制在５ｎｍ以下。
以硫酸奎宁作为参照，荧光产率达到６．９９％［２９］。
Ｔａｌａｎｔａ杂志２０１４年报道了研究者从超市购买的雀巢咖啡中提取的ＣＱＤｓ，平均粒径为４．４ｎｍ，产率仅５．５％［３０］。
目前，多数研究组利用溶剂分子或其它有机小分子修饰ＣＱＤｓ来增加表面缺陷或放射性位点，从而达到增强其荧光性能的目的［３１～３３］。
尺寸和表面状态都是影响ＣＱＤｓ荧光性能的关键因素，特别是表面状态对光物理性质有重要影响。
有研究人员认为，表面修饰的ＣＱＤｓ的荧光激发过程可以看作是表面小分子所捕获的激子之间的放射性重结合，而ＣＱＤｓ本身没有特征带隙吸收峰，因此这种表面缺陷的状态必然是从基态获得的［３５］。
假设这样的缺陷状态是由氧化反应产生，那就意味着随着氧化反应的进行，所产生的表面缺陷就越多，就能捕获越多的放射性激子［２４］。
不同的表面缺陷可以引起不同的发射位点，从而导致荧光光谱强度的差异，但是不会影响荧光最大发射峰的位置。
研究人员用聚乙二醇（ＰＥＧ）表面钝化ＣＱＤｓ，ＰＥＧ－ＣＱＤｓ水溶液表现出强荧光效应，其量子产率在４４０ｎｍ处激发高达２０％。
同时在细胞实验水平上评价ＰＥＧ修饰的ＣＱＤｓ具备了良好的生物相容性和低毒性，用于体内成像的ＣＱＤｓ剂量没有对实验小鼠产生明显的不良影响［３６］。
可以说，虽然ＣＱＤｓ的荧光产率不及金属量子点，但应用于细胞成像或者小鼠体内成像是足够的。
激光剥离碳源制备的ＣＱＤｓ，经ＰＥＧ钝化后的激发光谱从紫外光延伸至可见光区，实现一元激发多元发射，从而降低了对光源的要求（见图２）［３７］。
图２ｂ表明ＣＱＤｓ的激发波长还可延伸至近红外光区（６５０ｎｍ～９００ｎｍ），这一点对实现稳定的活体成像有重要意义。
因为近红外光相比于其它波段的光而言，可以穿透生物组织从而避免了背景中自荧光的干扰，提供了高质量信号反馈，同时ＰＥＧ的修饰利于ＣＱＤｓ表面接枝一些抗体或其它具有生物活性的小分子，实现目标靶向和功能化。
图２ｃ是研究人员从蜡烛灰中提取制备的ＣＱＤｓ表现出激发波长依赖性，展现了ＣＱＤｓ多色彩的荧光效应和作为一种理想的近红外体内成像荧光材料的应用潜力［３８］。
除了上述因素之外，溶液ｐＨ也可以影响荧光性能［３９］。
Ｐａｎ等研究人员制备的ＣＱＤｓ只在碱性环境下表现强荧光效应，而在酸性条件下却发生猝灭。
当溶液的ｐＨ在１３～１之间变化时，荧光强度也随着发生快速的转变［１５］。
Ｓｈｅｎ等在研究ＣＱＤｓ的上转换效应时也发现在中性溶液中的荧光峰值相比酸性或碱性环境下减少了约２５％，而用ＰＥＧ修饰以后可以在一定程度上稳定ＣＱＤｓ的荧光性能［４０］。
此外，反应程度［４１］、团簇厚度和形态［４２］等也是影响荧光强度的因素。
２．２ 生物相容性及毒性许多研究小组已经证明了ＣＱＤｓ的生物相容性和低毒性［４３～４５］。
Ｐｅｎｇ等从沥青基碳纤维中提取了蓝色和绿色荧光的ＣＱＤｓ，将其与人体胸腺癌细胞系Ｔ４７Ｄ和ＭＤＡ－ＭＢ－２３１共同培育，结果证明当ＣＱＤｓ浓度达到５０μｇ／ｍＬ时，细胞仍然保持很高的存活率，并且可以在细胞质中成像［４６］（见图３）。