環(huán)境監(jiān)測中熒光碳點的應(yīng)用范文

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熒光碳點的生物相容性非常高，而且在水溶液中非常容易聚集，與有機物的反應(yīng)能力強，在環(huán)境監(jiān)測中可以發(fā)揮非常好的效果，對微生物進(jìn)行標(biāo)記。

熒光碳點的光學(xué)特征

隨著研究人員對熒光碳點的深入研究，其原材料的制備方法也越來越完善，鈍化中修飾的試劑不同，也對碳點的性質(zhì)產(chǎn)生很大的影響。在nm材料中，碳元素可以提供發(fā)射光譜，隨著雙光子成像技術(shù)日益完善，熒光碳點成像在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常多。熒光碳點的熒光性質(zhì)非常好，其鈍化的修飾表面含有大量的電子，電子在轉(zhuǎn)移中可以發(fā)光，在環(huán)境監(jiān)測中發(fā)揮非常好的效果。

熒光碳點在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

金屬離子監(jiān)測在環(huán)境空氣壓力下，將反應(yīng)混合物回流，通過鈣與其他金屬反應(yīng)制備了催化裂化裝置。2g的環(huán)境中金屬離子在50ml燒杯中溶解在3ml水中，在室溫下添加3ml熒光碳點試劑，將混合物加熱并將其保持在水的沸騰溫度下30min，使用溫度計監(jiān)測反應(yīng)溫度。在水完全蒸發(fā)后，進(jìn)一步加熱反應(yīng)混合物，并將其從黃色液體轉(zhuǎn)化為深棕色軟半固體，使環(huán)境中的金屬離子和熒光碳點試劑的冷凝形成聚合物狀的點。通過將產(chǎn)品空冷至室溫，得到了棕色固體粉末的催化裂化產(chǎn)物。行業(yè)曲線linkindustryappraisementDOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2019.16.024可替代度影響力可實現(xiàn)度行業(yè)關(guān)聯(lián)度真實度利用日立H－9500透射電子顯微鏡在明場模式下拍攝了一幅典型的高分辨率透射電子顯微鏡圖像，用聚丙烯酰胺凝膠電泳研究了混合物的分子量，采用PieleCe預(yù)染蛋白分子量標(biāo)記作為標(biāo)記物。采用Perkinelemer光譜GX傅立葉變換紅外光譜儀獲得了紅外光譜，使用單色鋁X射線源進(jìn)行了X射線光電子能譜進(jìn)行環(huán)境中的金屬離子測量。在空氣中以10℃/min的加熱速率測量激光器激發(fā)的雙光子發(fā)光光譜，利用時間相關(guān)單光子計數(shù)系統(tǒng)，在390nm激發(fā)和450nm發(fā)射條件下，測量了環(huán)境中金屬離子的含量。在環(huán)境中的金屬離子研究前24h，在96孔培養(yǎng)皿中培養(yǎng)金屬離子，每個孔中含有約60000個金屬離子。然后將熒光碳點樣品添加到每個孔中，以分別達(dá)到0、50、100、150、200、250和300μg•ml–1的最終濃度。用3－4，5－二甲基噻唑基和2，5－二苯基四唑溴化銨測定法評估環(huán)境中金屬離子3h和24h后產(chǎn)生的毒性。未經(jīng)熒光碳點處理的金屬離子被認(rèn)為是對照金屬離子，其存活率估計為100%，并作為用熒光碳點孵育的金屬離子相對有效性的參考。將金屬離子接種在35mm培養(yǎng)皿中24h后，將100μl的熒光碳點s水溶液（1mg•ml–1）加入培養(yǎng)皿中。未添加熒光碳點的金屬離子被認(rèn)為是對照組。用熒光碳點S孵育2h后，用1×磷酸鹽緩沖液洗滌金屬離子3次。采用共聚焦激光掃描顯微鏡結(jié)合激光激發(fā)系統(tǒng)和picoquant微時200單元對金屬離子進(jìn)行成像。

無機陰性離子污染物監(jiān)測

由于外部加熱后，環(huán)境中的無機物和熒光碳點試劑之間的酸堿中和釋放的熱量，混合物的溫度迅速升高。加熱約5分鐘后，溫度達(dá)到水的沸點，觀察到水蒸發(fā)產(chǎn)生顯著氣泡。水完全蒸發(fā)后，將反應(yīng)混合物進(jìn)一步加熱到150℃，用數(shù)字紅外溫度計測量，使環(huán)境中的無機物和熒光碳點試劑的冷凝形成聚合物狀點。類聚合物點的自發(fā)自組裝導(dǎo)致了nm球形熒光碳點，再現(xiàn)了合成熒光碳點的圖像，并顯示了平均直徑為3nm的均勻nm顆粒。結(jié)合圖像分析無機物熒光碳點的晶體結(jié)構(gòu)，熒光碳點的晶格間距測量為0.205nm，這與石墨一致。對催化裂化裝置的頁面研究也表明，這些催化裂化裝置的尺寸分布窄，分子量低。分析熒光碳點的X射線衍射圖案，其顯示了一個寬峰，熒光碳點光譜顯示環(huán)境中無機物中含有碳、氮和氧等，原子百分比分別為62.4%、21.5%和16.1%，觀察到初始重量損失20%；該損失是由熒光碳點物理吸附水的熱解吸引起的。隨后在200–500℃范圍內(nèi)的熱重失重歸因于含氧組的損失，當(dāng)溫度升高到550℃以上時，在TGA中觀察到熒光碳點中無機物的分解。在暗室中可見光和紫外線燈激發(fā)下的熒光碳點的光學(xué)吸收和熒光發(fā)射光譜應(yīng)用中，可以看出，在紫外光激發(fā)下，熒光碳點在水中無色透明的溶液呈亮藍(lán)色發(fā)射。在350nm處的獨特峰，其特征是羰基鍵的移動，其產(chǎn)生的原因在于氮雜環(huán)的移動。本次研究測量了環(huán)境中的無機物和熒光碳點試劑的吸收光譜，并且在250nm以上沒有觀察到吸收峰。在350nm的紫外激發(fā)下，熒光碳點在450nm處顯示熒光發(fā)射峰最為明顯。通過將發(fā)射波長設(shè)置為450nm獲得的熒光碳點激發(fā)光譜顯示出與200~400nm范圍內(nèi)的吸收光譜相似的趨勢，為了獲得激發(fā)發(fā)射圖，在激發(fā)波長超過300~450nm的情況下激發(fā)熒光碳點溶液。測量熒光碳點在不同發(fā)射波長下的發(fā)射強度，然后將其顯示為顏色方案中激發(fā)波長的函數(shù)，發(fā)現(xiàn)熒光碳點在450nm處表現(xiàn)出與激發(fā)波長無關(guān)的窄發(fā)射帶，這表明這些熒光碳點的尺寸和表面狀態(tài)都是一致的，在350nm紫外光激發(fā)下，環(huán)境中無機物含量為42.7%。

有機污染物的監(jiān)測

為了研究熒光碳點在環(huán)境中有機物監(jiān)測的應(yīng)用效果，我們用750nm和150fs左右的脈沖激光激發(fā)熒光碳點，并用光纖光譜儀記錄熒光光譜。測量了熒光碳點的透射光譜，并在600~900nm范圍內(nèi)顯示出可忽略的單光子吸收或消光。然而，在400~600nm的波長范圍內(nèi)觀察到750nmfs激光器對熒光碳點的雙光子激發(fā)熒光光譜，最大峰值位于約460nm時有機物監(jiān)測最多，這與其他的環(huán)境監(jiān)測方式得到了結(jié)果具有相似性。這些結(jié)果表明，對于單光子和雙光子激發(fā)熒光過程，熒光碳點中的激子最終放松到熒光發(fā)射發(fā)生的相同狀態(tài)。觀察熒光強度與激光功率值的二次關(guān)系，這表明在雙光子過程中至少有兩個光子同時被吸收。根據(jù)熒光碳點的結(jié)果，熒光碳點的平均熒光壽命估計約為7.2ns，該壽命明顯長于有機物自發(fā)熒光因此，這些熒光碳點顯示了作為nm探針在環(huán)境監(jiān)測中有機物的監(jiān)測發(fā)揮效果。為了研究熒光碳點的環(huán)境監(jiān)測相關(guān)應(yīng)用，我們通過MTT分析對熒光碳點的有機物活性進(jìn)行了環(huán)境中的有機物研究。經(jīng)過不同濃度的熒光碳點處理的Hela有機物在24h后的有機物活力，即使當(dāng)熒光碳點濃度增加到300μg•ml–1時，有機物活力也沒有明顯下降，可以精確的監(jiān)測到有機物含量的峰值。由于熒光碳點具有明亮的熒光發(fā)射和較低的有機物毒性，因此熒光碳點被用作有機物成像的熒光探針，以往對有機物內(nèi)熒光碳點有機物成像的研究大多是基于利用熒光碳點的光致發(fā)光強度來增強有機物與背景的對比度。由于熒光碳點通常在藍(lán)綠色區(qū)域，顯示光致發(fā)光發(fā)射，在短波長激發(fā)下，有機物自發(fā)熒光也非常強烈，因此熒光碳點的熒光信號與有機物自發(fā)熒光幾乎沒有區(qū)別，除非有機物中濃度非常高。熒光碳點的長熒光壽命促使我們研究其在活體有機物成像中的應(yīng)用，根據(jù)雙光子激發(fā)的熒光樣品的差異生成圖像，從而可以查看具有不同熒光衰減率的環(huán)境之間有機物的對比度。此外，由于近紅外激發(fā)光在組織中的強穿透能力，雙光子激發(fā)有利于潛在的深部組織成像。熒光碳點有助于區(qū)分熒光碳點熒光發(fā)射與有機物自身熒光，熒光碳點作為有機物內(nèi)成像具有巨大的潛力。

結(jié)語

熒光碳點的光學(xué)性能非常突出，在環(huán)境監(jiān)測中可以提升精確性，可以分別對金屬離子、無機物和有機物進(jìn)行監(jiān)測，使環(huán)境監(jiān)測更加有針對性。

作者：彭佃欽 單位：山東省臨沭縣環(huán)境保護(hù)局