硅基碳量子点的制备及其荧光性能研究.pdfVIP

哈尔滨工业大学理学硕士学位论文

摘要

半导体量子点(QDs)因其量子限制效应和可调谐荧光发射特性而被广泛研

究，这使得它们多年来被用于生物传感和生物成像。然而，由于在生产过程中

使用重金属[如镉(Cd)、铅(Pb)和汞(Hg)]，半导体量子点有一些缺点，如高毒性。

碳量子点因其优良的荧光发光特性、荧光光谱可调控、光学性能稳定、生物兼

容性以及水溶性好等优点，在生物化学和分析化学等方面展现出广阔的应用前

景。本文主要围绕硅基碳量子点的合成与制备的工艺条件及硅基碳量子点荧光

效应的影响因素，在硅基碳量子点设计合成与性能表征方面开展研究，为拓展

硅基材料的可视化表征，提供方法和策略，进一步拓宽硅基碳量子点的合成方

法和应用范围。

在合成反应中，主要以3-氨丙基三乙氧基硅烷为硅源，采用水热法制备硅

基碳量子点，并探究了反应物比例、反应温度以及反应时间对合成产物荧光强

度的影响。通过荧光光谱对其荧光性能进行表征，实验结果表明：3-氨丙基三乙

氧基硅烷和无水甲酸比例为1：3时，反应温度为180℃，反应时间为3h时荧

光性能最优。且在高盐（0-1.0MNaCl溶液）、不同酸碱条件（3＜pH＜10）以及

氢氟酸环境下荧光性能仍具有稳定性。

通过表面钝化方法，利用3-氨丙基三乙氧基硅烷和低聚苯基POSS合成氨

丙基-苯基双官能团POSS，并将其与葡萄糖碳量子点进行硅氮掺杂处理，显著

提高了合成材料的荧光性能。探究了反应物质量、反应温度以及反应时间对以

葡萄糖为原料合成的碳量子荧光性能的影响，利用荧光光谱对其荧光性能进行

表征，其结果表明：葡萄糖原料为8mg、180℃反应温度、反应时间为24h时荧

光性能最优，然后将其于与通过低聚苯基POSS制备的氨丙基-苯基POSS进行

硅氮掺杂功能化处理。功能化制备的过程中氨丙基-苯基POSS有机链上的氨基

官能团会和碳点表面的羧基结合，制备出有机-无机杂化的碳点。通过对碳量子

点的表面钝化显著提高了碳量子点的荧光性能，且修饰后的碳点在高盐（0-1.0M

NaCl溶液）和不同酸碱条件（3＜pH＜10）下具有稳定性，表面氨基基团的加

入增加了碳量子点的水溶性。

采用Materialsstudio将碳量子点等效为单层石墨烯表面附着官能团，从吸

附能、差分电荷角度确定最佳碳量子点经氨丙基-苯基POSS钝化前后的分子构

型，并基于密度泛函理论模拟其能带、态密度以及差分电荷等电子结构信息，

-I-

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揭示碳量子点经钝化前后光学性能发生显著变化的原因。

关键词：碳点；荧光效应；硅烷偶联剂；双官能团POSS；密度泛函理论

-II-

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Abstract

Semiconductorquantumdots(QDs)havebeenextensivelystudiedduetotheir

quantumconfinementeffectsandtunablefluorescenceemissionproperties,makingthem

valuabletoolsinbiosensingandbioimaging.However,traditionalQDssynthesizedwith

heavymetalssuchascadmium(Cd),lead(Pb),andmercury(Hg)sufferfromdrawbacks

suchashightoxicity.Carbonquantumdots,ontheotherhand,exhibitexcellent

fluorescenceproperties,tunablefluorescencespectra,