Mn2+掺杂发光量子点对环境中氧的传感研究与应用

In the project, sensitive photoluminescence sensing probes to oxygen will be synthetized and prepared by the host QDs selection, doping and the surface defect regulation of the quantum dots (QDs) based on Mn2+ doped. The obtained monodisperse Mn2+-QDs will be of high stability and fluorescence quantum yield in the high efficiency sensing of O2. The sensing mechanisms will be revealed including the energy transfer between the dopping Mn2+ and the host of quantum dots in Mn2+-QDs. We will also investigate the influence of O2 in the energy transfer process in order to establish a new O2 sensing model based on the effect of O2 on energy transfer. these results will broaden the applications of Mn2+-QDs in environmental analytical chemistry

项目拟通过对Mn2+掺杂发光量子点（Mn2+-QDs）的量子点（QDs）种类筛选、Mn2+掺杂以及QDs表面缺陷调控方式，制备对氧具有高灵敏响应的发光传感材料。建立具有单分散性、双发射波长、高稳定性和高发光量子产率Mn2+-QDs的新型合成方法，通过对Mn2+-QDs结构与表面状态的设计，实现对Mn2+-QDs发光性能的精准调控。研究Mn2+-QDs内部的Mn2+与QDs能量转移过程及与O2作用机理，阐明Mn2+-QDs与O2的作用过程和规律，建立基于O2 影响Mn2+与QDs能量转移的O2传感模型。发展环境样品中O2的传感检测方法，拓展Mn2+-QDs在环境分析化学领域的应用。

氧是与生命联系最为密切的元素之一，气态氧和溶解氧的高灵敏快速传感研究对生命和环境科学领域具有重要意义。发光猝灭型光学氧传感法是目前主流的环境中氧的检测方式，本项目执行期间，在目前常见的对氧敏感的稠环芳烃及贵金属有机配合物等荧光化合物之外另辟蹊径，发现了基于半导体材料中Mn2+掺杂发光的氧传感特性。以铅卤钙钛矿纳米材料和硫化锌量子点为代表物质，利用量子点和半导体纳米材料结构及组成的可调节性，设计合成Mn2+掺杂CsPbCl3钙钛矿量子点和Mn2+掺杂ZnS量子点，建立基于掺杂d-d发光（4T1→6A1）、长寿命激发态、大斯托克斯位移的Mn2+掺杂发光的氧传感新模式。在此基础上通过对钙钛矿进行有机胺阳离子杂化，能够提高Mn2+掺杂荧光的氧传感灵敏度，实现对低氧和常氧含量范围的快速线性传感。根据有机胺阳离子杂化铅卤钙钛矿中Mn2+掺杂发光的氧传感性质，引入具有类似d-d掺杂发光（4T1→6A1）的过渡金属离子Fe3+掺杂成分，能够使得Fe3+掺杂发光表现出高灵敏的荧光氧气传感性质，表明氧气响应来源于低维铅钙钛矿中掺杂发光中心的特定电子结构。进一步通过低维合成，筛选不同的有机胺阳离子，能够实现对0-100%全范围氧气含量的快速、可逆、高灵敏线性传感。通过研究一系列半导体材料中Mn2+掺杂发光行为对O2的响应规律，在激子能量转移过程、电子转移行为、缺陷钝化的基础上提出多种新的O2传感机理。以上结果表明，构建以Mn2+掺杂量子点探针为代表的新型荧光半导体氧传感材料具有快速响应、高选择性、良好可逆性、材料合成可控、成本低廉等优点，推动了荧光分析方法对环境中氧传感的发展。为了拓宽以过渡金属为发光中心的新型氧传感材料的研究，项目执行期间发展了基于过渡金属Cu+发光中心的铜碘杂化团簇，同样实现了对气态氧和溶解氧的高灵敏和快速可逆荧光传感应用。在以上半导体钙钛矿量子点的合成调控及掺杂研究基础上，进一步发展了对环境温度、环境水体氨氮、重金属离子的荧光传感应用，对建立一系列有效、直观、快捷的环境分析荧光方法具有前瞻性意义。