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碳点(CDs)作为一种新型功能材料具有许多迷人的特性，如可调的激发/发射波长、化学惰性、光稳定性、低毒性、良好的生物相容性、易于功能化等。由于其独特的光物理化学性质，碳点已广泛应用于生物成像、传感、光催化、酶催化、光电子器件等诸多领域。但同时碳点也存在一定的缺陷，例如量子产率及催化效率较低，从而限制了碳点的进一步应用。为了提高碳点的性能，表面功能化和掺杂是常用的且较为有效的手段。掺杂是通过引入杂原子来改变碳点结构，调节能量带隙，从而赋予碳点新的功能，使其应用前景更为广阔。
本文主要通过金属掺杂或与普鲁士蓝(PB)复合以提高碳点的性能。并初步考察了碳点/金属掺杂碳点在传感、光催化、酶催化方面的应用。分别构建了基于铜掺杂碳点(Cu-CDs)的荧光传感体系检测对硝基苯酚;以碳点为光催化剂降解四环素;利用Mn-CDs、Pd-CDs及PB/CDs模拟酶活性构建比色传感平台实现抗坏血酸、葡萄糖以及谷胱甘肽的定量分析。
本论文分为六章。具体内容如下：
第一章，绪论，首先对碳点进行了概述，其次，对碳点的性质、合成方法以及应用进行了介绍，最后提出论文设想。
第二章，采用简易的一步水热法以乙二胺作为碳源，CuCl2·2H2O为铜源，制备了金属铜掺杂碳点(Cu-CDs)，通过透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段分析碳点的形貌、结构和成分。合成出来的碳点在紫外灯照射下发出明亮的蓝光。然后通过紫外、荧光光谱考察了Cu-CDs的光学性能，通过对pH和时间的优化，使Cu-CDs的灵敏性得到提高。此外，设计了一种简单而有效的基于Cu-CDs的对硝基苯酚(p-NP)检测方法，当加入p-NP，导致Cu-CDs的荧光猝灭，可能机制是内滤效应。检测p-NP的线性范围为0.5-50μM，检测限(LOD)低至0.08μM(R2=0.998)。另外，基于Cu-CDs的荧光传感平台定量检测实际湖泊水样中的p-NP，结果令人满意。
第三章，以乙二胺为前驱体，采用简易的一步水热法制备了具有光催化活性的碳点(CDs)。通过一系列表征技术，对CDs的形貌、化学组成和光学性能进行了研究。CDs作为催化剂可用于四环素(TC)的光催化降解，模拟太阳光照射下，60min内降解效率达到63％。初步机理研究表明，光催化反应的主要活性物质是超氧化物和羟基自由基。同时利用质谱对TC降解反应的中间产物进行鉴定，提出了合理的降解途径。CDs作为一种具有优异性能的光催化材料，在能源和环境领域发挥着越来越重要的作用。
第四章，采用一步水热路线合成了锰掺杂碳点(Mn-CDs)作为氧化物模拟酶催化剂，以3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)为显色底物对其催化活性进行研究。通过各种手段表征Mn-CDs的光学性能、形貌、结构等。当向TMB溶液中加入Mn-CDs时，652nm处立即出现明显的吸收峰，伴随着颜色从无色变为蓝色。我们探究了模拟酶的催化机理，推测可能是由于溶解氧的作用。为了获得较为优异的催化性能，对一系列实验条件包括pH、温度、催化剂用量和TMB浓度进行了优化。构建了一种新型的比色传感平台用于检测抗坏血酸(AA )，随着AA的量逐渐增加，Mn-CDs-TMB体系的吸光度值连续下降，AA检测线性范围为50-2500nM，相关系数R为0.998。检测限(LOD)低至9nM，并采用加标回收法检测了市售维生素片剂和橙汁样品中AA的含量，获得了令人满意的结果。同时测定了人血清中AA的含量，并与高效液相色谱法(HPLC)测定结果进行了比较，结果一致。
第五章，我们成功制备了金属钯/碳点复合材料(Pd-CDs)作为过氧化物模拟酶催化剂。以Pd-CDs作为催化剂在过氧化氢(H2O2)的存在下催化氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)，从而产生蓝色的产物(OXTMB)。此外，为了考察制备方法的重现性，又采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定了四批Pd-CDs样品中Pd的掺杂量，发现不同批次催化剂中Pd含量相差较小且催化剂活性基本没有差异。然后，通过一系列的条件优化，使得Pd-CDs获得良好的催化性能。同时构建了一种快速、简易、灵敏的过氧化氢和葡萄糖比色检测分析平台，其线性范围分别为1-30μM和0-100μM，相应的检测限为0.03μM和0.2μM。该传感体系成功应用于实际果汁样品中葡萄糖的测定。此外，还初步探讨了Pd-CDs作为过氧化物模拟酶的催化机理。
第六章，采用普鲁士蓝和乙二胺为反应前驱体合成了具有氧化物酶和过氧化物模拟酶催化活性的PB/CDs。通过荧光、紫外、XPS等手段对PB/CDs的光学性能和结构表征进行分析。通过条件优化，考察其对TMB氧化反应的催化性能。PB/CDs的加入可使无色TMB变为蓝色，同时H2O2的加入使蓝色明显加深，可能由于过氧化氢与溶解氧相比具有更强的氧化能力。表明PB/CDs具有双酶活性。进一步探讨了PB/CDs的催化机制，PB/CDs可以活化O2生成超氧自由基，还可以活化H2O2生成羟基自由基，促进了TMB的氧化。动力学分析结果表明PB/CDs具有较高的催化活性和催化效率。最后，构建基于PB/CDs比色传感体系实现对谷胱甘肽的检测，线性范围为0.05-70μM，检测限低至8nM，并成功应用于人血清中谷胱甘肽含量的检测，所得结果与Ellman方法的结果一致。
本文主要通过金属掺杂或与普鲁士蓝(PB)复合以提高碳点的性能。并初步考察了碳点/金属掺杂碳点在传感、光催化、酶催化方面的应用。分别构建了基于铜掺杂碳点(Cu-CDs)的荧光传感体系检测对硝基苯酚;以碳点为光催化剂降解四环素;利用Mn-CDs、Pd-CDs及PB/CDs模拟酶活性构建比色传感平台实现抗坏血酸、葡萄糖以及谷胱甘肽的定量分析。
本论文分为六章。具体内容如下：
第一章，绪论，首先对碳点进行了概述，其次，对碳点的性质、合成方法以及应用进行了介绍，最后提出论文设想。
第二章，采用简易的一步水热法以乙二胺作为碳源，CuCl2·2H2O为铜源，制备了金属铜掺杂碳点(Cu-CDs)，通过透射电镜(TEM)、红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段分析碳点的形貌、结构和成分。合成出来的碳点在紫外灯照射下发出明亮的蓝光。然后通过紫外、荧光光谱考察了Cu-CDs的光学性能，通过对pH和时间的优化，使Cu-CDs的灵敏性得到提高。此外，设计了一种简单而有效的基于Cu-CDs的对硝基苯酚(p-NP)检测方法，当加入p-NP，导致Cu-CDs的荧光猝灭，可能机制是内滤效应。检测p-NP的线性范围为0.5-50μM，检测限(LOD)低至0.08μM(R2=0.998)。另外，基于Cu-CDs的荧光传感平台定量检测实际湖泊水样中的p-NP，结果令人满意。
第三章，以乙二胺为前驱体，采用简易的一步水热法制备了具有光催化活性的碳点(CDs)。通过一系列表征技术，对CDs的形貌、化学组成和光学性能进行了研究。CDs作为催化剂可用于四环素(TC)的光催化降解，模拟太阳光照射下，60min内降解效率达到63％。初步机理研究表明，光催化反应的主要活性物质是超氧化物和羟基自由基。同时利用质谱对TC降解反应的中间产物进行鉴定，提出了合理的降解途径。CDs作为一种具有优异性能的光催化材料，在能源和环境领域发挥着越来越重要的作用。
第四章，采用一步水热路线合成了锰掺杂碳点(Mn-CDs)作为氧化物模拟酶催化剂，以3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)为显色底物对其催化活性进行研究。通过各种手段表征Mn-CDs的光学性能、形貌、结构等。当向TMB溶液中加入Mn-CDs时，652nm处立即出现明显的吸收峰，伴随着颜色从无色变为蓝色。我们探究了模拟酶的催化机理，推测可能是由于溶解氧的作用。为了获得较为优异的催化性能，对一系列实验条件包括pH、温度、催化剂用量和TMB浓度进行了优化。构建了一种新型的比色传感平台用于检测抗坏血酸(AA )，随着AA的量逐渐增加，Mn-CDs-TMB体系的吸光度值连续下降，AA检测线性范围为50-2500nM，相关系数R为0.998。检测限(LOD)低至9nM，并采用加标回收法检测了市售维生素片剂和橙汁样品中AA的含量，获得了令人满意的结果。同时测定了人血清中AA的含量，并与高效液相色谱法(HPLC)测定结果进行了比较，结果一致。
第五章，我们成功制备了金属钯/碳点复合材料(Pd-CDs)作为过氧化物模拟酶催化剂。以Pd-CDs作为催化剂在过氧化氢(H2O2)的存在下催化氧化3,3′,5,5′-四甲基联苯胺(TMB)，从而产生蓝色的产物(OXTMB)。此外，为了考察制备方法的重现性，又采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定了四批Pd-CDs样品中Pd的掺杂量，发现不同批次催化剂中Pd含量相差较小且催化剂活性基本没有差异。然后，通过一系列的条件优化，使得Pd-CDs获得良好的催化性能。同时构建了一种快速、简易、灵敏的过氧化氢和葡萄糖比色检测分析平台，其线性范围分别为1-30μM和0-100μM，相应的检测限为0.03μM和0.2μM。该传感体系成功应用于实际果汁样品中葡萄糖的测定。此外，还初步探讨了Pd-CDs作为过氧化物模拟酶的催化机理。
第六章，采用普鲁士蓝和乙二胺为反应前驱体合成了具有氧化物酶和过氧化物模拟酶催化活性的PB/CDs。通过荧光、紫外、XPS等手段对PB/CDs的光学性能和结构表征进行分析。通过条件优化，考察其对TMB氧化反应的催化性能。PB/CDs的加入可使无色TMB变为蓝色，同时H2O2的加入使蓝色明显加深，可能由于过氧化氢与溶解氧相比具有更强的氧化能力。表明PB/CDs具有双酶活性。进一步探讨了PB/CDs的催化机制，PB/CDs可以活化O2生成超氧自由基，还可以活化H2O2生成羟基自由基，促进了TMB的氧化。动力学分析结果表明PB/CDs具有较高的催化活性和催化效率。最后，构建基于PB/CDs比色传感体系实现对谷胱甘肽的检测，线性范围为0.05-70μM，检测限低至8nM，并成功应用于人血清中谷胱甘肽含量的检测，所得结果与Ellman方法的结果一致。