基于碳量子点的荧光传感

本书简要介绍了荧光传感器、荧光传感机制及荧光纳米传感技术，重点围绕基于碳量子点的荧光纳米传感技术，阐述了碳量子点的制备方法、性质、功能化、发光机理及在传感领域中的应用。结合作者在碳量子点领域的科研工作，详细介绍了具体碳量子点的制备、表征、性能研究及其用于黄酮类化合物、人工合成色素、生物小分子、金属离子、药物成分和染色剂传感检测方面的成果和经验。
本书可供分析化学及纳米材料专业的科研人员、高校教师、研究生参考。

刘荔贞，博士，山西大同大学化学与化工学院副教授，博士期间的研究方向为碳纳米材料的合成、表征及性质的研究，先后在Talanat、Electrophoresis和RSCAdvances等期刊发表多篇SCI论文。工作后继续从事碳纳米材料方面的科研工作，从2016年参加工作到现在，先后主持了一项省科技厅项目和两项省教育厅项目，发表碳纳米材料相关的SCI论文10余篇。

（2）荧光特性 荧光性能是 CDs 引人瞩目的性质之一。与其他荧光材料如含有镉或铅的传统量子点、稀土纳米材料和有机小分子染料相比，CDs 具有更高的光稳定性、更高的荧光量子产率、更低的毒性、更好的生物相容性和丰富的低成本来源，在各个领域被广泛应用。CDs 发光包括光致发光和上转换光致发光【42,43】，前者是斯托克斯发光而后者是反斯托克斯发光。斯托克斯发光是发射波长比激发波长长的发光，反斯托克斯发光是激发波长比发射波长长的发光。与光致发光不同，上转换光致发光的发射光的能量比激发光的能量要高，导致发射光的波长短于激发光的波长。上转换发光的机理通常是 CDs 的电子同时吸收了多个光子，导致其被激发至更高的振动能级。在大多数情况下，CDs 发射蓝色或绿色的荧光，这大大束缚了它们在生物医学领域上的应用。很多研究团队通过改变原材料和反应条件合成了红色或近红外荧光的 CDs【44,45】。Yang 团队【46】通过调整硝酸的含量成功制备了荧光量子产率为 31%的红色荧光 CDs。Xiong 等人【47】以对苯二胺和尿素为原料通过水热法合成了包括红色荧光的全色荧光 CDs（图 2-6）。Sun 团队【48】使用非芳香族化合物柠檬酸和尿素为前驱体，通过改变反应温度和反应物的比例，成功制备了红色荧光 CDs。

随着社会的发展和科学技术水平的提高，荧光材料在生物、医学、电子器件和光传感等领域中逐渐发挥越来越重要的作用。其中荧光传感器是其应用最为广泛的一种用途。目前利用荧光纳米材料构建荧光传感器检测小分子仍然具有很大的挑战。自2004年首次发现碳量子点以来，科研人员对碳量子点的研发与探究从没有停止，在碳量子点的合成机制、材料表征、实际应用等方面研究都取得了快速的发展。碳量子点因其制备简单、水溶性好、光稳定性强、毒性低、生物相容性好、荧光性能可调等优势而被广泛应用于荧光传感领域。碳量子点表面含有丰富的表面官能团和较多的活性位点，这使得金属离子、有机基团等可以通过表面键合有效地与碳量子点相互作用，导致碳量子点性能发生变化而达到检测或传感的目的。基于碳量子点的荧光传感技术具有选择性好、样品处理简单、分析速度快、灵敏度高且可操作性强等优势，在传感检测领域具有好的应用前景与潜在价值。
笔者自2012年以来，一直致力于碳量子点纳米材料的研究工作。本书以笔者多年来在碳量子点荧光传感方面的研究成果为基础，重点介绍了不同新型碳量子点纳米材料的制备、表征、性能研究及其在荧光传感领域中的应用。具体研究工作包括：碳量子点用于黄酮类化合物的荧光传感；碳量子点用于人工合成色素的荧光传感；碳量子点用于生物小分子和金属离子的荧光传感；碳量子点用于药物成分和染色剂的荧光传感。
本书由山西大同大学博士科研启动基金项目（2014-B-13）资助，书中主要内容是山西省基础研究计划项目（201901D211434）、山西省高等学校科技创新项目（2019L0750，2021L375，2021L387）和大同市重点研发计划（2018014）等项目的主要成果。冯锋教授和蔡明发教授对本书的完成给予了极大的鼓励和支持；硕士生李海红、火兴妍、袁琳等人的研究工作为本书部分章节的形成做出了很大贡献；硕士生陈梦参与了文献资料搜集和文字编排工作，在此一并致以诚挚的谢意。
由于笔者水平有限，书中难免有疏漏和不足之处，敬请专家和读者不吝赐教，提出宝贵意见和建议。

刘荔贞 
2024年5月

第1章　荧光传感技术概述 001
1.1　荧光传感器简介 002
1.1.1　荧光传感器的发展 002
1.1.2　荧光传感器的组成 003
1.1.3　荧光性能基本常识 004
1.2　荧光传感机制 006
1.2.1　静态猝灭 006
1.2.2　动态猝灭 007
1.2.3　荧光共振能量转移 007
1.2.4　内滤效应 009
1.2.5　光诱导电子转移 010
1.2.6　聚集诱导发光 010
1.3　荧光纳米传感技术 011
1.3.1　荧光纳米材料 011
1.3.2　荧光纳米传感技术的应用 012
参考文献 013

第2章　基于碳量子点的荧光传感技术 017
2.1　碳量子点简介 017
2.2　碳量子点的制备方法 018
2.2.1　电弧放电法 018
2.2.2　化学氧化法 018
2.2.3　电化学法 019
2.2.4　激光烧蚀法 020
2.2.5　热分解法 020
2.2.6　水热合成法 021
2.2.7　微波合成法 021
2.2.8　超声波法 022
2.3　碳量子点的性质 022
2.3.1　光学特性 023
2.3.2　电催化特性 026
2.3.3　生物毒性与生物相容性 026
2.4　碳量子点的功能化 027
2.4.1　杂原子掺杂 027
2.4.2　表面修饰 032
2.5　碳量子点发光机理 033
2.5.1　量子限域效应 033
2.5.2　表面态发光 034
2.5.3　分子态发光 036
2.6　碳量子点在荧光传感领域的应用 036
2.6.1　金属离子检测 037
2.6.2　无机阴离子检测 039
2.6.3　分子检测 040
参考文献 042

第3章　黄酮类化合物的碳量子点荧光传感 050
3.1　碳量子点用于山柰酚的荧光传感 050
3.1.1　CDs的制备与表征 051
3.1.2　CDs的性能研究 053
3.1.3　基于CDs的荧光传感构建及对山柰酚的测定 057
3.1.4　CDs对山柰酚的荧光传感机理 061
3.2　碳量子点用于桑色素的荧光传感 062
3.2.1　CDs的制备与表征 062
3.2.2　CDs的性能研究 063
3.2.3　基于CDs的荧光传感构建及对桑色素的测定 066
3.2.4　CDs对桑色素的荧光传感机理 069
3.3　磷掺杂碳量子点用于金丝桃苷的荧光传感 070
3.3.1　P-CDs的制备与表征 071
3.3.2　P-CDs的性能研究 071
3.3.3　基于P-CDs的荧光传感构建及对金丝桃苷的测定 074
3.3.4　P-CDs对金丝桃苷的荧光传感机理 076
3.4　氮掺杂碳量子点用于杨梅素的荧光传感 076
3.4.1　N-CDs的制备 077
3.4.2　N-CDs的表征方法 077
3.4.3　N-CDs的性能研究 078
3.4.4　基于N-CDs的荧光传感构建及对杨梅素的测定 081
3.4.5　N-CDs对杨梅素的荧光传感机理 084
参考文献 085

第4章　人工合成色素的碳量子点荧光传感 092
4.1　氮、磷共掺杂碳量子点用于新胭脂红的荧光传感 093
4.1.1　N,P-CDs的制备与表征 094
4.1.2　N,P-CDs的性能研究 094
4.1.3　基于N,P-CDs的荧光传感构建及对新胭脂红的测定 098
4.1.4　N,P-CDs对新胭脂红的荧光传感机理 101
4.2　黄色和蓝色双波长发射碳量子点用于苋菜红的荧光传感 102
4.2.1　Y/B-CDs的制备与表征 103
4.2.2　Y/B-CDs的性能研究 104
4.2.3　基于Y/B-CDs的比率型荧光传感构建及对苋菜红的测定 107
4.2.4　Y/B-CDs对苋菜红的荧光传感机理 110
4.3　氮掺杂碳量子点用于亮蓝的荧光传感 111
4.3.1　N-CDs的制备与表征 112
4.3.2　N-CDs的性能研究 113
4.3.3　基于N-CDs的荧光传感构建及对亮蓝的测定 116
4.3.4　N-CDs对亮蓝的荧光传感机理 119
参考文献 119

第5章　生物小分子和金属离子的碳量子点荧光传感 124
5.1　橙色和蓝色双波长发射碳量子点用于L-谷氨酸的荧光传感 124
5.1.1　O/B-CDs的制备与表征 126
5.1.2　O/B-CDs的性能研究 126
5.1.3　基于O/B-CDs的比率型荧光传感构建及对L-谷氨酸的测定 129
5.1.4　O/B-CDs对L-谷氨酸的荧光传感机理 132
5.2　碳量子点的色谱分离及其不同组分用于Fe3+和Hg2+的荧光传感 133
5.2.1　CDs的制备、分离及表征 135
5.2.2　CDs及不同CDs组分的性能研究 136
5.2.3　CDs组分对Fe3+和Hg2+的荧光传感 147
参考文献 150

第6章　药物成分和染色剂的碳量子点荧光传感 155
6.1　红色和黄色双波长发射碳量子点用于盐酸莫西沙星的荧光传感 155
6.1.1　R/Y-CDs的制备与表征 156
6.1.2　R/Y-CDs的性能研究 157
6.1.3　基于R/Y-CDs的比率型荧光传感构建及对盐酸莫西沙星的测定 160
6.1.4　R/Y-CDs对盐酸莫西沙星的荧光传感机理 163
6.2　黄绿色荧光碳量子点用于刚果红的荧光传感 164
6.2.1　YG-CDs的制备与表征 165
6.2.2　YG-CDs的性能研究 166
6.2.3　基于YG-CDs的荧光传感构建及对刚果红的测定 168
6.2.4　YG-CDs对刚果红的荧光传感机理 171
6.2.5　YG-CDs的细胞毒性及成像研究 172
参考文献 174