荧光碳量子点的合成和性能测试实验设计

1、荧光碳量子点的合成与性能测试实验目的1、通过查阅资料，了解碳量子点的发光性质、荧光原理及合成方法。2、掌握酸回流法制备碳量子点的操作流程。3、熟悉荧光和电化学发光测试的操作流程。实验用品仪器：电子天平、量筒（100ml、10ml）、烧杯（100ml）、磁力加热搅拌器、烧瓶（250ml）、球 形冷凝管（40cm）、十字夹、烧瓶夹、冷凝管夹、分子荧光光谱仪、石英荧光比色皿、电化学 发光工作站、铂丝电极、银-氯化银参比电极、电解池。试剂：木炭粉、硝酸、氢氧化钠、氯化钾、PBS（pH7）、过硫酸钾、pH试纸、蒸馏水。实验原理碳量子点指尺寸小于10nm的分散的类球形碳纳米颗粒，是一种有机、无机杂化材料，

2、 不仅具有与传统半导体量子点媲美的荧光性能，还因其本身不含重金属元素，具备低毒性、 优异的环境友好性和生物相容性，且易于表面功能化修饰，一经发现便激起人们广泛的研究。相比于传统的有机染料和荧光蛋白，量子点具有明显优越的光学特性，具体体现为：量子点的发射波长可以通过较简单地调整其尺寸大小和化学组成以及表面的包裹剂来 调控。因此，可以精确地设计量子点，使其在从紫外到红外的范围内发射出各个波长的荧光。量子点的荧光具有宽激发，窄发射的特点，因此，量子点在生物材料荧光标记领域中 可以使用同一波长激发光同时激发多种粒径的量子点而进行多通道检测。量子点相比于有机染料通常具有较宽大的斯托克斯位移。这样的光学性

3、质很重要，因 为用于量子点的最佳激发和发射滤波片允许其光通过几乎整个发射和吸收峰，与有机染料相 比，对荧光信号的输出有着更高水平的检测。量子点通常具有很强的光稳定性，也具有较强的化学稳定性。量子点可以经受反复多 次激发而不易发生光漂白，其发光寿命比普通荧光标记染料长，因此可采取时间分辨技术检 测信号，并可大幅度降低荧光背景，获得较高的信噪比。荧光碳量子点的发光机理解释主要有以下两种：1、当半导体材料的尺寸减小至一定程度 时，其载流子的运动受到限制，原本准连续的能带转化成离散的类分子能级，同时价带和导 带间的带隙变宽，并且随着不断减小量子点的尺寸，可以使其带隙逐渐变宽，从而使量子点 发射出从红光

4、到蓝光的一系列波长的荧光。2、通过表面缺陷态间接复合发光。在量子点表面 存在着许多悬空键，当量子点受光激发后，光生载流子以极快的速度受限于表面缺陷而产生 表面态发光，这种途径产生的发射光波长通常比激子态发光波长来得长，而且由于非辐射跃 迁的存在这种途径产生的发光效率往往比较低。碳量子点的合成大致可分为自上而下法和自下而上法两大类。自上而下法指采用物理或 化学手段剥离、破碎大尺寸的碳基材料，制备碳量子点材料；自下而上法指将含碳小分子材 料经热解、缩合等步骤碳化并形成一定尺寸的碳量子点材料。本实验采用的酸回流法属于自 上而下法，将石墨或无定型碳材料经硝酸、硫酸等氧化性酸处理，碳-碳键被氧化断裂，使

5、大 块的碳材料裂解成小尺寸的碳量子点。此法制备的碳量子点表面含有大量含氧基团，在水中 具有良好的分散性。荧光量子效率又称荧光量子产额(quantum yield of fluorescence)和荧光效率。单位时间(秒) 内，发射二次辐射荧光的光子数与吸收激发光初级辐射光子数之比值。荧光量子效率又称荧 光量子产额(quantum yield of fluorescence)和荧光效率。单位时间(秒)内，发射二次辐射荧光的 光子数与吸收激发光初级辐射光子数之比值。荧光量子产率的直接测定较为困难，通常可基于标准物质测定相对荧光量子产率，根据 公式：OD n 2R OD nR 2计算碳量子点的荧光量

6、子产率。式中Q为样品的量子产率，I为发射光谱的积分强度，n 为溶液折射率，OD为光密度(通过紫外一可见分光光度计测量)，含有下标R的代表为标准 物的相关参数。实验步骤1、查阅资料设计实验方案2、荧光碳量子点的制备酸回流过程在电子天平上称取0.3g木炭粉、用量筒量取25ml 6mol/L硝酸，置于250ml烧瓶中， 放入磁力搅拌子。搭建回流装置，在85C下回流90min，冷却至室温后，卸下冷凝管，将产物溶液倒入 烧杯。分离过程将适量产物转入离心管中，称重，保证对侧两只离心管重量差小于10mg。将离心管对称放入离心机，在7200g离心力下离心10min，保留上清液。3、荧光量子产率测定将硫酸奎宁溶解在0.1mol/L硫酸中，配制成1pg/ml的溶液作为参比溶液。分别测试参比 溶液和碳量子点溶液的荧光光谱和紫外-可见吸收光谱，根据公式：OD n2R OD nR2计算碳量子点的荧光量子产率。式中Q为样品的量子产率，/为发射光谱的积分强度，n为溶 液折射率，OD为光密度（通过紫外一可见分光光度计测量），含有下标R的代表为标准物 硫酸奎宁的相关参数。硫酸奎宁0.1