石墨烯量子点在水溶液中对汞离子、碘离子和有机小分子的检测研究

摘要

石墨烯量子点（GQDs）是一种只有一个原子层厚的二维碳材料，具有杰出的电子性能、机械性能和化学稳定性。与传统量子点相比，石墨烯量子点不仅具有突出的电子和光学优势，还具有毒性低、溶解度高、稳定性高、光致发光、表面积大等优点。因此，石墨烯量子点在荧光探针、光电设备、传感器、细胞成像、药物递送、太阳能电池等领域具有广阔的应用前景。目前，石墨烯量子点的研究主要集中在荧光传感器、生物成像和载药等方面。
　　到目前为止，石墨烯量子点的制备方法主要有水热法、浓酸氧化法、溶剂热法、紫外-芬顿氧化法、电化学氧化法、有机分子合成法、微波辅助氧化法及化学剥离碳纤维法等。使用的碳源主要有氧化石墨烯、石墨棒、石墨薄膜、碳纳米管、碳纤维、炭黑、葡萄糖、柠檬酸以及树叶等。在本论文中，我们以碳纤维作为碳源，通过化学剥离碳纤维法制备出石墨烯量子点，然后在石墨烯量子点上修饰胸腺嘧啶，所得材料可用于检测汞离子，并可进一步用于碘离子和含巯基氨基酸的检测。该传感器具有灵敏度高、选择性好、操作方法简单、响应时间迅速等优点。本论文共包括以下四章。
　　第一章综述了石墨烯量子点的制备方法、性质和应用，并根据石墨烯量子点的荧光性质设计了实验方案。
　　第二章中，我们制备了胸腺嘧啶修饰的石墨烯量子点，并利用这种材料进行了汞离子、碘离子、含巯基氨基酸的检测实验。采用化学剥离碳纤维法制备出石墨烯量子点，再以乙二胺为连接剂通过酰胺键将胸腺嘧啶修饰到石墨烯量子点上，得到胸腺嘧啶修饰的石墨烯量子点。加入汞离子后，胸腺嘧啶修饰的石墨烯量子点对汞离子具有较高的灵敏度和较好的选择性，其对汞离子的检出限为211 nM。此外，基于“T-Hg2+-T”结构，发展了一种简便的“turn on”型荧光探针。这种探针可以用来检测碘离子和含巯基的氨基酸（如半胱氨酸、谷胱甘肽和高半胱氨酸）。首先在材料中加入汞离子，由于“T-Hg2+-T”结构的生成，引起胸腺嘧啶修饰的石墨烯量子点发生团聚，导致荧光下降。若在此时，向溶液中加入碘离子，由于碘离子与汞配位生成更稳定的络合物，汞离子被竞争下来，“T-Hg2+-T”结构被打开，荧光得到恢复。这种荧光探针对碘离子的检出限为2.80μM。根据软硬酸碱理论（HSAB），汞离子与巯基之间有很强的结合能力，因此结合了汞离子的胸腺嘧啶修饰石墨烯量子点可以用于识别含巯基氨基酸。通过这种方法制备出的荧光探针对半胱氨酸、谷胱甘肽、高半胱氨酸的检出限分别为4.01μM、1.92μM、2.00μM。
　　第三章中，我们研究了石墨烯量子点对三价铁离子和抗坏血酸的检测。由于石墨烯量子点上含有羟基、羧基等含氧官能团，三价铁离子与这些含氧官能团具有很好的亲和能力，引起石墨烯量子荧光强度下降。经过实验测定，石墨烯量子点对三价铁离子的检出限为5.7 nM。此外，抗坏血酸具有较强的还原性，三价铁离子具有较强的氧化性，二者之间可以发生氧化还原反应。此过程中，三价铁离子被还原为二价铁离子，导致三价铁离子与石墨烯量子点上的含氧官能团之间的配位被破坏，石墨烯量子点的荧光得到恢复。石墨烯量子点与三价铁离子的复合材料对抗坏血酸的检出限为536 nM。此种方法选择性好，灵敏度高。
　　第四章根据本论文的实验数据进行总结，并对石墨烯量子点在光学领域的检测研究进行预测。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GQDs的制备

1.3 基本性质

1.4 GQDs的荧光传感

1.5 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 胸腺嘧啶修饰的石墨烯量子点及其在水溶液中对汞离子等的检测

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 小结

参考文献

第三章GQDs-Fe3+对抗坏血酸的检测

3.1 前言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第四章 全文总结

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

声明