基於碳量子點的熒光傳感（簡體書）

本書簡要介紹了熒光傳感器、熒光傳感機制及熒光納米傳感技術，重點圍繞基於碳量子點的熒光納米傳感技術，闡述了碳量子點的制備方法、性質、功能化、發光機理及在傳感領域中的應用。結合作者在碳量子點領域的科研工作，詳細介紹了具體碳量子點的制備、表征、性能研究及其用於黃酮類化合物、人工合成色素、生物小分子、金屬離子、藥物成分和染色劑傳感檢測方面的成果和經驗。本書可供分析化學及納米材料專業的科研人員、高校教師、研究生參考。

劉荔貞，博士，山西大同大學化學與化工學院副教授，博士期間的研究方向為碳納米材料的合成、表征及性質的研究，先後在Talanat、Electrophoresis和RSCAdvances等期刊發表多篇SCI論文。工作後繼續從事碳納米材料方面的科研工作，從2016年參加工作到現在，先後主持了一項省科技廳項目和兩項省教育廳項目，發表碳納米材料相關的SCI論文10余篇。

（2）熒光特性 熒光性能是 CDs 引人矚目的性質之一。與其他熒光材料如含有鎘或鉛的傳統量子點、稀土納米材料和有機小分子染料相比，CDs 具有更高的光穩定性、更高的熒光量子產率、更低的毒性、更好的生物相容性和豐富的低成本來源，在各個領域被廣泛應用。CDs 發光包括光致發光和上轉換光致發光[42,43]，前者是斯托克斯發光而後者是反斯托克斯發光。斯托克斯發光是發射波長比激發波長長的發光，反斯托克斯發光是激發波長比發射波長長的發光。與光致發光不同，上轉換光致發光的發射光的能量比激發光的能量要高，導致發射光的波長短於激發光的波長。上轉換發光的機理通常是 CDs 的電子同時吸收了多個光子，導致其被激發至更高的振動能級。在大多數情況下，CDs 發射藍色或綠色的熒光，這大大束縛了它們在生物醫學領域上的應用。很多研究團隊通過改變原材料和反應條件合成了紅色或近紅外熒光的 CDs[44,45]。Yang 團隊[46]通過調整硝酸的含量成功制備了熒光量子產率為 31%的紅色熒光 CDs。Xiong 等人[47]以對苯二胺和尿素為原料通過水熱法合成了包括紅色熒光的全色熒光 CDs（圖 2-6）。Sun 團隊[48]使用非芳香族化合物檸檬酸和尿素為前驅體，通過改變反應溫度和反應物的比例，成功制備了紅色熒光 CDs。

隨著社會的發展和科學技術水平的提高，熒光材料在生物、醫學、電子器件和光傳感等領域中逐漸發揮越來越重要的作用。其中熒光傳感器是其應用最為廣泛的一種用途。目前利用熒光納米材料構建熒光傳感器檢測小分子仍然具有很大的挑戰。自2004年首次發現碳量子點以來，科研人員對碳量子點的研發與探究從沒有停止，在碳量子點的合成機制、材料表征、實際應用等方面研究都取得了快速的發展。碳量子點因其制備簡單、水溶性好、光穩定性強、毒性低、生物相容性好、熒光性能可調等優勢而被廣泛應用於熒光傳感領域。碳量子點表面含有豐富的表面官能團和較多的活性位點，這使得金屬離子、有機基團等可以通過表面鍵合有效地與碳量子點相互作用，導致碳量子點性能發生變化而達到檢測或傳感的目的。基於碳量子點的熒光傳感技術具有選擇性好、樣品處理簡單、分析速度快、靈敏度高且可操作性強等優勢，在傳感檢測領域具有好的應用前景與潛在價值。
筆者自2012年以來，一直致力於碳量子點納米材料的研究工作。本書以筆者多年來在碳量子點熒光傳感方面的研究成果為基礎，重點介紹了不同新型碳量子點納米材料的制備、表征、性能研究及其在熒光傳感領域中的應用。具體研究工作包括：碳量子點用於黃酮類化合物的熒光傳感；碳量子點用於人工合成色素的熒光傳感；碳量子點用於生物小分子和金屬離子的熒光傳感；碳量子點用於藥物成分和染色劑的熒光傳感。
本書由山西大同大學博士科研啟動基金項目（2014-B-13）資助，書中主要內容是山西省基礎研究計劃項目（201901D211434）、山西省高等學校科技創新項目（2019L0750，2021L375，2021L387）和大同市重點研發計劃（2018014）等項目的主要成果。馮鋒教授和蔡明發教授對本書的完成給予了極大的鼓勵和支持；碩士生李海紅、火興妍、袁琳等人的研究工作為本書部分章節的形成做出了很大貢獻；碩士生陳夢參與了文獻資料搜集和文字編排工作，在此一並致以誠摯的謝意。
由於筆者水平有限，書中難免有疏漏和不足之處，敬請專家和讀者不吝賜教，提出寶貴意見和建議。

劉荔貞
2024年5月

第1章　熒光傳感技術概述 001
1.1　熒光傳感器簡介 002
1.1.1　熒光傳感器的發展 002
1.1.2　熒光傳感器的組成 003
1.1.3　熒光性能基本常識 004
1.2　熒光傳感機制 006
1.2.1　靜態猝滅 006
1.2.2　動態猝滅 007
1.2.3　熒光共振能量轉移 007
1.2.4　內濾效應 009
1.2.5　光誘導電子轉移 010
1.2.6　聚集誘導發光 010
1.3　熒光納米傳感技術 011
1.3.1　熒光納米材料 011
1.3.2　熒光納米傳感技術的應用 012
參考文獻 013

第2章　基於碳量子點的熒光傳感技術 017
2.1　碳量子點簡介 017
2.2　碳量子點的制備方法 018
2.2.1　電弧放電法 018
2.2.2　化學氧化法 018
2.2.3　電化學法 019
2.2.4　激光燒蝕法 020
2.2.5　熱分解法 020
2.2.6　水熱合成法 021
2.2.7　微波合成法 021
2.2.8　超聲波法 022
2.3　碳量子點的性質 022
2.3.1　光學特性 023
2.3.2　電催化特性 026
2.3.3　生物毒性與生物相容性 026
2.4　碳量子點的功能化 027
2.4.1　雜原子摻雜 027
2.4.2　表面修飾 032
2.5　碳量子點發光機理 033
2.5.1　量子限域效應 033
2.5.2　表面態發光 034
2.5.3　分子態發光 036
2.6　碳量子點在熒光傳感領域的應用 036
2.6.1　金屬離子檢測 037
2.6.2　無機陰離子檢測 039
2.6.3　分子檢測 040
參考文獻 042

第3章　黃酮類化合物的碳量子點熒光傳感 050
3.1　碳量子點用於山柰酚的熒光傳感 050
3.1.1　CDs的制備與表征 051
3.1.2　CDs的性能研究 053
3.1.3　基於CDs的熒光傳感構建及對山柰酚的測定 057
3.1.4　CDs對山柰酚的熒光傳感機理 061
3.2　碳量子點用於桑色素的熒光傳感 062
3.2.1　CDs的制備與表征 062
3.2.2　CDs的性能研究 063
3.2.3　基於CDs的熒光傳感構建及對桑色素的測定 066
3.2.4　CDs對桑色素的熒光傳感機理 069
3.3　磷摻雜碳量子點用於金絲桃苷的熒光傳感 070
3.3.1　P-CDs的制備與表征 071
3.3.2　P-CDs的性能研究 071
3.3.3　基於P-CDs的熒光傳感構建及對金絲桃苷的測定 074
3.3.4　P-CDs對金絲桃苷的熒光傳感機理 076
3.4　氮摻雜碳量子點用於楊梅素的熒光傳感 076
3.4.1　N-CDs的制備 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　基於N-CDs的熒光傳感構建及對楊梅素的測定 081
3.4.5　N-CDs對楊梅素的熒光傳感機理 084
參考文獻 085

第4章　人工合成色素的碳量子點熒光傳感 092
4.1　氮、磷共摻雜碳量子點用於新胭脂紅的熒光傳感 093
4.1.1　N,P-CDs的制備與表征 094
4.1.2　N,P-CDs的性能研究 094
4.1.3　基於N,P-CDs的熒光傳感構建及對新胭脂紅的測定 098
4.1.4　N,P-CDs對新胭脂紅的熒光傳感機理 101
4.2　黃色和藍色雙波長發射碳量子點用於莧菜紅的熒光傳感 102
4.2.1　Y/B-CDs的制備與表征 103
4.2.2　Y/B-CDs的性能研究 104
4.2.3　基於Y/B-CDs的比率型熒光傳感構建及對莧菜紅的測定 107
4.2.4　Y/B-CDs對莧菜紅的熒光傳感機理 110
4.3　氮摻雜碳量子點用於亮藍的熒光傳感 111
4.3.1　N-CDs的制備與表征 112
4.3.2　N-CDs的性能研究 113
4.3.3　基於N-CDs的熒光傳感構建及對亮藍的測定 116
4.3.4　N-CDs對亮藍的熒光傳感機理 119
參考文獻 119

第5章　生物小分子和金屬離子的碳量子點熒光傳感 124
5.1　橙色和藍色雙波長發射碳量子點用於L-谷氨酸的熒光傳感 124
5.1.1　O/B-CDs的制備與表征 126
5.1.2　O/B-CDs的性能研究 126
5.1.3　基於O/B-CDs的比率型熒光傳感構建及對L-谷氨酸的測定 129
5.1.4　O/B-CDs對L-谷氨酸的熒光傳感機理 132
5.2　碳量子點的色譜分離及其不同組分用於Fe3 和Hg2 的熒光傳感 133
5.2.1　CDs的制備、分離及表征 135
5.2.2　CDs及不同CDs組分的性能研究 136
5.2.3　CDs組分對Fe3 和Hg2 的熒光傳感 147
參考文獻 150

第6章　藥物成分和染色劑的碳量子點熒光傳感 155
6.1　紅色和黃色雙波長發射碳量子點用於鹽酸莫西沙星的熒光傳感 155
6.1.1　R/Y-CDs的制備與表征 156
6.1.2　R/Y-CDs的性能研究 157
6.1.3　基於R/Y-CDs的比率型熒光傳感構建及對鹽酸莫西沙星的測定 160
6.1.4　R/Y-CDs對鹽酸莫西沙星的熒光傳感機理 163
6.2　黃綠色熒光碳量子點用於剛果紅的熒光傳感 164
6.2.1　YG-CDs的制備與表征 165
6.2.2　YG-CDs的性能研究 166
6.2.3　基於YG-CDs的熒光傳感構建及對剛果紅的測定 168
6.2.4　YG-CDs對剛果紅的熒光傳感機理 171
6.2.5　YG-CDs的細胞毒性及成像研究 172
參考文獻 174