杂原子掺杂石墨烯量子点的介质阻挡放电合成法及其发光特性研究

Combing with fluorescence characteristics investigation of heteroatom doping of graphene quantum dot (GQDs) , the project aims to investigate the electrochemiluminescence and chemiluminescence behaviors of GQDs, which was obtained based on the dielectric barrier discharge (DBD) microplasma. Taking advantage of simple equipment, mild discharge, fast reaction and low consumption, a DBD discharge device will be developed to get GQDs by carbon source and heteroatom source. GQDs with high quantum yield, good water solubility, good stability, and emission wavelength can be tuned to near infrared region, which can be obtained by controlling the discharge time, density of the plasma, the doping concentration or doping multielement, or combining with surface passivation with functional groups. The dependence of doping elements on the fluorescence characteristics will be explored by means of the characterization of AFM, TEM, XPS, elemental analyzer. The eletrochemiluminescence and chemiluminescence behaviors of GQDs acting as a luminophore will be investigated. Comparison the difference of the effect of doping on the florescence with on the electrochemiluminescence. New methods for the determination of inorganic ion or biological molecules in the cells based on luminescence behaviors of GQDs will be developed with improved sensitivity and selectivity. This study is help to enrich the theory of luminescence, and can provide new ideas for the potential application in biological imaging of GQDs.

本项目提出采用介质阻挡放电（DBD）微等离子体法合成杂原子掺杂石墨烯量子点(GQDs)，结合荧光特性，研究其电化学发光和化学发光特性。构建DBD放电装置，将碳源和杂原子源放电掺杂合成GQDs。利用DBD 放电模式具有简单方便，放电温和，快速，低能耗等优势，有效控制放电时间和等离子体密度，控制元素掺杂量，组合多元素掺杂，表面基团功能化和掺杂元素协同掺杂，筛选量子产率高，发射波长可以调谐到近红外光区的GQDs。利用AFM,TEM, XPS，元素分析仪等表征手段，探究掺杂元素对荧光特性影响的规律。研究GQDs作为发光体的电化学发光特性及化学发光特性；比较掺杂元素对GQDs荧光特性和电化学发光特性影响的差异；以细胞里的无机离子和生物小分子为分析物，建立灵敏度高，选择性好的GQDs检测无机离子和小分子光学分析方法。这项研究有助于丰富发光理论，为GQDs的生物成像分析提供新的思路和方法。

本项目通过放电手段掺杂杂原子并合成了发射红光的碳量子点，研究其电化学发光，化学发光等光学特性。采用放电手段建立了简单，低能耗，操作方便的掺杂杂原子的能够发射红光碳基量子点，探究了杂原子掺杂对红光发射影响规律。开展了碳点合成，发光特性，发光分析的研究。以乙醇为溶剂，铂丝为电极，有机小分子为碳源，构建了简单，易于操作，成本低的合成碳点方法。考察了含氮碳源，氢氧化钠，碳源共轭结构差异对碳点光学性能的影响。电解溶解在乙醇中的吲哚时，当碱不存在时，可以合成蓝光碳点；当体系加入碱后可以合成双发射的碳点（460和610 nm， 荧光量子产率为13%）。分析了两种碳点的中间产物，比较了用2-萘二胺和萘为碳源得到碳点的光学性质，探究红光发射主要原因：1）碱-乙醇体系在放电过程产生的羟基自由基引起表面氧化和缺陷，从而产生表面状态相关的红光发射；2）含有杂原子的扩展π共轭体系引起的能带变化，有助于发射波长红移。对酸碱性的敏感性展现了红光碳点在极端碱性介质中的传感潜力。制备的红光碳点成功地应用于HepG2细胞的全彩色生物成像，并显示出精确的线粒体靶向能力。另外在考察碳点掺杂硫元素的过程中，意外发现了硫量子点。升华硫和强碱反应，聚乙二醇为表面钝化剂，构建了条件温和，操作简单的合成方法。合成的硫量子点具有良好的水溶性，较强的发光性能(量子产率3.8%)，优异的光学稳定性(在室温下稳定两个月)，并且可以通过控制反应时间来控制发射波长(550-440nm，从绿光到蓝光)。考察了硫量子点的电化学发光和化学发光特性。结合硫独特的抗真菌特性，其优异的发光特性为其后续可视化抗菌成像分析提供可能。这项研究建立了简单的掺杂方法，揭示了红光碳点的起源，发现了另一类量子点-硫量子点， 为发光成像分析，光学器件研究提供重要参考。发表论文4篇，其中一篇发表在JACS(影响因子13.8)，申请专利2项，获得陕西省高等学校科学技术奖二等奖一项，培养硕士研究生3名。