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掺杂石墨烯量子点的制备、荧光发射机制及其在细胞成像中的应用

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摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2石墨烯量子点的制备方法

1．2．1自上而下法

1．2．1自下而上法

1．3石墨烯量子点的改性

1．3．1尺寸的调节

1．3．2含氧量的调节

1．3．3表面功能化

1．3．4杂原子掺杂

1．4石墨烯量子点的荧光发射机理

1．4．1缺陷态诱导发光

1．4．2共轭π键的量子限域效应发光

1．5石墨烯量子点的应用

1．5．1生物成像

1．5．2荧光传感

1．5．3光电器件

1．5．4光催化

1．6本论文的指导思想

第二章杂原子掺杂石墨烯量子的点制备、荧光发射机制的研究

2．1前言

2．2实验部分

2．2．1试剂

2．2．2仪器

2．2．3 UGQDs、NGQDs和BGQDs的制备

2．2．3理论计算

2．2．4电化学测试

2．3结果与讨论

2．3．1 UGQDs、NGQDs和BGQDs结构形貌

2．3．2 UGQDs、NGQDs和BGQDs的光学性质

2．3．3理论计算

2．3．4电化学分析

2．4本章小结

第三章不同N掺杂含量NGQDs的制备及其在细胞成像中的应用

3．1前言

3．2实验部分

3．2．1试剂

3．2．2仪器

3．2．3 NGQDs的制备

3．2．4荧光量子产率的计算

3．2．5细胞培养

3．2．6细胞毒性实验

3．2．7细胞成像实验

3．3结果与讨论

3．3．1不同制备条件下NGQDs的光学性质

3．3．2 NGQDs的光学稳定性

3．3．3 NGQDs的细胞毒性

3．3．4细胞成像

3．4本章小结

第四章总结与展望

4．1总结

4．2展望

参考文献

硕士期间研究成果

致谢

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摘要

石墨烯量子点(GQDs)，尤其是掺杂GQDs由于其宽波段的吸收、良好的化学稳定性、高的抗光漂白性和优良的生物相容性，已经被作为荧光探针广泛地应用于生物成像、光学传感器和光电设备等领域。目前的研究发现掺杂可以有效地调控GQDs的荧光性能。但是，掺杂如何调控GQDs发光机理仍然需要进一步阐明。本论文研究了掺杂元素对GQDs荧光性能的影响，揭示了掺杂GQDs荧光发射的机制。这些研究结果可为通过掺杂实现GQDs荧光性能的调控、细胞的荧光成像提供理论基础，主要研究内容如下:
　　(1)采用电解法制备了未掺杂石墨烯量子点(UGQDs)、氮掺杂石墨烯量子点(NGQDs)和硼掺杂石墨烯量子点(BGQDs)，通过透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、红外光谱(FTIR)等表征手段，发现所制备的UGQDs、NGQDs和BGQDs具有相同的尺寸、化学组成和缺陷。紫外可见吸收光谱（UV-Vis）研究表明，UGQDs、NGQDs和BGQDs具有三个吸收带，分别为对应于石墨烯sp2杂化碳的π-π*电子跃迁、边界碳原子的π-π*电荷转移和表面含氧官能团nO2p-π*电子跃迁，相比于UGQDs的吸收带，NGQDs的吸收带发生蓝移，BGQDs的吸收带发生红移。荧光激发光谱(PLE)研究进一步发现，在NGQDs和BGQDs中还额外存在nN2p-π*和nB2p-π*电子跃迁，并且nO2p-π*电子跃迁所对应的吸收带相比于UGQDs分别发生了蓝移和红移。通过荧光发射光谱(PL)和时间分辨荧光光谱技术证实有两个发光中心（标记为bandⅠ和bandⅡ）存在于GQDs中，其中bandⅠ是由碳核sp2杂化碳的π-π*电子跃迁产生，表现为激发独立的荧光特性;而bandⅡ的荧光起源于N/O/B基团的n-π*电荷转移和GQDs的碳核和边界碳原子的π-π*电荷转移，表现为激发依赖的荧光特性。通过考察UGQDs、NGQDs和BGQDs在不同质子化溶剂中的PL行为，发现由碳核和边界碳原子的π-π*电荷转移引起的荧光发射峰占据了主导地位，并且该峰的位置受到掺杂元素的影响，NGQDs蓝移，BGQDs红移。本章还结合密度泛函理论(DFT)和电化学方法，进一步研究了掺杂原子对GQDs电子结构的影响规律，结果表明N掺杂导致NGQDs电子云分布更加离域，带宽变宽，而B掺杂导致BGQDs电子云分布更加定域，带宽变窄，从而使得NGQDs的荧光发射峰蓝移，BGQDs的荧光发射峰红移。
　　(2)采用电解法制备了不同N含量的NGQDs，研究了N掺杂含量对NGQDs荧光性能的影响。在不同的制备条件下（如离子强度、电压及含N电解质浓度等），制备了一系列NG-QDs。UV-Vis、Raman、XPS、PL、PLE等光谱表征结果发现，在离子强度为0.01-4mol/Kg时，随着离子强度的增加，所制备的NGQDs的浓度也随着增加;在电压为3-7V，随着电压的增加，所制各的NGQDs的含氧量也相应增大;而改变含N电解液浓度(四甲基氢氧化铵，0.05-1mol/L)，可以有效地调控NGQDs的含N量，并影响所得NGQDs的荧光量子产率，研究发现，N电解液浓度为0.1mol/L时制备得到的NGQDs，其含N量为4.9％，荧光量子产率最高(12.7％)。进一步研究了该NGQDs的稳定性，结果表明NGQDs具有较强的荧光稳定性、抗光漂白性、抗盐性。相比于其他制备方法，该方法非常简单，并且在水相中进行，获得的NGQDs在水相中分散性高，且细胞毒性实验表明NGQDs具有良好的生物相容性和低细胞毒性。因此，将该NG QDs应用于HeLa（人宫颈癌细胞）细胞的荧光成像，成像效果良好，并可通过选择不同的荧光激发波长，获得细胞的多色荧光成像。

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