N,S共掺杂碳点与Ti3C2基量子点的高荧光机理及在生物传感中的应用

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:kccsong
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石墨烯材料的不断发展激发了人们对于新型二维(2D)无机层状材料的极大兴趣,例如磷烯、过渡金属碳和/或氮化物(MXenes)和渡金属二卤化物(TMDs)等,以弥补现有材料的缺陷或提供在其他材料中找不到的优异性能。当这些块状无机层状材料通过化学蚀刻、Li+/K+插层或超声处理等手段转换为零维(0D)材料形式(即二维量子点(以下简称2D-QDs),横向尺寸范围1-100nm,报道的多为<10nm)时,量子限域效应可以显著增强现有或提供新颖的物理性能,例如良好的分散性,易于官能化或掺杂以及产生更新颖的荧光,同时保存原始块状对应物的某些固有属性。2D-QDs独特而优异的性能使其可应用于许多研究领域,包括生物成像、传感、超级电容器、光电催化,发光二极管(LEDs)和电池等。本文采用一步溶剂热和水热法分别制备了氮、硫共掺杂的红色发光碳点(N,S-CDs)和氮、磷共掺杂的绿色发光MXenes基量子点(N,P-MQDs)。对两种量子点的合成条件进行了优化,并分析和研究了其形貌、光学性能、组成和基本性能。此外,还采用密度泛函数理论(DFT)的模拟方法对其荧光转移和增强机理进行了深入探索,并利用其生物相容性和低毒性的优势,将其成功地应用在传感和生物成像中。主要内容如下:(1)以邻苯二铵为碳源,硫酰胺为氮和硫源,乙醇为溶剂,采用一步溶剂热法合成了荧光量子产率(PLQY)高达29.7%的N,S-CDs。对其合成条件进行了优化。TEM和AFM结果证明成功合成了单分散,横向尺寸均匀分布,高度范围分布窄的类石墨烯QDs。XPS和FTIR表征结果显示,引入的氮和硫增加了邻苯二铵中芳香环的聚合度,尤其是N原子的聚合度,N,S-CDs表面的羰基趋向于导致低PLQY,相比之下,芳香结构域的sp2石墨碳结构能有效提高PLQY。HRTEM、XRD和Raman光谱证明了类石墨烯结构的存在。由于N,S-CDs纳米材料尺寸均匀和表面态相似,其在较长范围激发波长下展现出优异的不依赖于激发的PL行为。此外,所合成的N,S-CDs被用于制备高稳定性的WLEDs和乙醇中水含量的超灵敏荧光检测剂。(2)以Ti3Al C2为原料合成了具有绿色荧光发射的氮、磷共掺杂Ti3C2 MXene基量子点(N,P-MQDs)。N,P-MQDs的PLQY高达20.1%。此外,探索和研究了其发射迁移和PLQY增强的背后机制。通过详尽的结构和化学研究,多种综合表征和良好解析的密度泛函理论(DFT)计算,提出了N,P-MQDs中掺杂氮和磷之间的协同效应给电子消耗和电荷转移创造了更有效的途径。由于其高光稳定性和优异的荧光性等优势,N,P-MQDs被用于巨噬细胞标记和生命相关的Cu2+离子的检测荧光检测平台,展现了N,P-MQDs用于生物成像和选择性、纳米级传感及作为可重复使用的超浓缩荧光探针的潜力。
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