谈谈上转换和量子点发光纳米粒子制备与发光性质

摘要：近年来，生物标记已经成为现代浅析化学领域重要的探讨热点之一。其中纳米标记物是一种新兴的标记物，在化学、生物学等探讨中有着广阔的进展前景。目前较常用的纳米标记物有金属纳米粒子、上转换发光纳米粒子和量子点。在本论文中，我们主要探讨的是后两者，即上转换发光纳米粒子和量子点。众所周知，理想的发光标记物应当具有发光效率高、物理化学性质稳定、分子量小和易于被化学试剂修饰等特点。本论文以这一目标为出发点，寻求探讨合适的基质材料和制备策略来优化合成出粒度合适的、高发光效率的上转换发光纳米粒子和半导体量子点，并探讨探讨了它们的形貌和发光性能及相关的机理。主要的探讨工作包括以下几个方面：通过利用甘氨酸作为燃料在引燃温度低至为200℃的燃烧法下制备出了Er~(3+)/Yb~(3+)共掺杂的CaSc_2O_4纳米粉。探讨了Yb~(3+),Er~(3+)掺杂浓度，引燃温度和甘氨酸与金属硝酸盐的摩尔比对系统的上转换发光强度的影响，在室温下，用980nm的半导体激光器激发此纳米粉，其发出强烈的绿色(525nm，552nm)和红色(652-674nm)上转换发光，发光强度与泵浦功率的双对数曲线表明652-674nm的红光发射和552nm的绿光发射属于两光子历程，525nm处的绿光发射属于三光子历程，探讨了其可能的上转换发光机理。样品具有立方晶系的CaFe_2O_4型结构和平均直径约为30nm的类球形结构的形貌。低至200℃的引燃温度是目前已报道的燃烧法制备镧系氧化物中最低的温度，制备出的样品具有更好的分散性，有望用于生物标记领域。采取水相法在二氢硫辛酸作为稳定剂的条件下合成了CdS量子点溶胶，合成的CdS量子点具有良好的稳定性和较强的荧光强度，其平均粒径均在10nm以内，探讨了反应温度、pH值大小、Cd/S比例、Cd/DHLA比例，反应物浓度等一系列的条件对合成CdS量子点溶胶的影响，其最佳的合成条件是反应温度为室温，pH=8.0，Cd/S=1.2/1，Cd/DHLA=1/1，[S~2-]=33mmol/L。并且探讨了不同的合成条件对其形貌和荧光强度的影响。运用此策略合成出的量子点在冰箱中能较长时间的保存，具有很好的稳定性。为后续试验的进一步运用打下了良好的基础。以L-半胱氨酸为稳定剂在水溶液中合成CdS量子点溶胶，探讨了Cd~(2+)/S~(2-)、Cd~(2+)/Cys比例、pH值等因素对其荧光光谱的影响，确定了最佳的合成条件。为了改善量子点表面缺陷结构，提升其荧光效率，采取CdSO_4对其表面进行修饰，利用UV-Vis、FS(fluorescencespectrum)等表征策略证实了CdS/CdO·nH_2O核壳结构纳米颗粒的形成，结果表明该纳米粒子发光强度显著高于单一的CdS量子点，发射光谱峰和紫外吸收峰的位置均有所红移。为了进一步改善CdS量子点表面缺陷，在CdS量子点表面上包裹无机氧化物以期望制成核壳结构提升其荧光强度。通过简单的超声沉降策略在CdS量子点上包裹上了ZnO和CdO，简单的探讨出了一些合成核壳结构的条件，探讨了包裹物质的量、超声时间、反应温度、pH等条件对形成核壳结构量子点的影响，并且初步讨论了它们的形成机制。关键词：纳米标记物论文CaSc_2O_4论文量子点论文稀土论文燃烧法论文水相法论文

摘要3-5

Abstract5-9

第1章 前言9-14

1.1 纳米标记物的探讨近况9

1.2 纳米标记物的种类及特点9-11

1.2.1 金属纳米粒子9-10

1.2.2 稀土掺杂上转换纳米粒子10

1.2.3 半导体纳米粒子10-11

1.3 纳米发光标记物的制备策略11-12

1.3.1 上转换发光纳米粒子的制备策略11

1.3.2 量子点的制备策略11-12

1.4 本论文的探讨目的和主要内容12-14

第2章 燃烧法制备CaSc_2O_4:Yb~(3+), Er~(3+)纳米粉及上转换发光性质14-25

2.1 引言14

2.2 实验14-16

2.2.1 实验试剂与仪器14-15

2.2.2 实验步骤15-16

2.3 结果与讨论16-24

2.3.1 晶体结构和形貌16-17

2.3.2 上转换 发光光谱17-18

2.3.3 Yb~(3+)/Er~(3+)掺杂浓度对上转换发光强度的影响18-20

2.3.4 合成条件对上转换发光强度的影响20-22

2.3.5 泵浦功率对发光强度的影响和上转换发光机理22-24

2.4 本章小结24-25

第3章 二氢硫辛酸稳定的CdS量子点的制备及其表征25-42

3.1 引言25

3.2 实验25-27

3.2.1 实验试剂与仪器25-26

3.2.2 实验内容26-27

3.3 结果与讨论27-41

3.3.1 CdS量子点结构表征27-28

3.3.2 CdS量子点合成条件的探讨28-34

3.3.3 不同合成条件对CdS量子点形貌的影响34-38

3.3.4 pH值对CdS量子点荧光性能的影响38-39

3.3.5 乙醇对CdS量子点荧光性能和形貌的影响39-40

3.3.6 CdS量子点的稳定性40-41

3.4 本章小结41-42

第4章 L-半胱氨酸稳定的CdS量子点的制备及其表面修饰42-55

4.1 引言42

4.2 实验42-44

4.2.1 实验试剂与仪器42-43

4.2.2 样品合成与表征43-44

4.3 结果与讨论44-54

4.3.1 CdS量子点的物相浅析和形貌表征44-45

4.3.2 合成条件对CdS量子点荧光光谱的影响45-50

4.3.3 CdO·nH_2O对CdS量子点荧光光谱的影响50-54

4.4 本章小结54-55

第5章 CdS量子点包裹氧化物的制备及其性质的探讨55-67

5.1 引言55-56

5.2 实验56-57

5.2.1 实验试剂与仪器56

5.2.2 实验步骤56-57

5.3 结果与讨论57-66

5.3.1 CdS量子点及核壳结构CdS量子点的形貌表征57-59

5.3.2 ZnO和CdO包裹量对荧光强度的影响59-61

5.3.3 pH对CdS/ZnO和CdS/CdO荧光强度的影响61-62

5.3.4 超声时间对CdS/ZnO和CdS/CdO荧光强度的影响62-64

5.3.5 温度对CdS/ZnO和CdS/CdO荧光强度的影响64-65

5.3.6 可能的超声波形成机制65-66

5.4 本章小结66-67

第6章 结论与展望67-69

6.1 结论67-68

6.2 展望68-69