聚合物点：合成方法、性能及光学应用进展（英文）

聚合物点由于具有易调控的光电特性一直备受相关领域研究者们的关注。作为一种新型碳基纳米材料,聚合物点的分类、合成方法及性能仍缺乏较为系统的总结。本篇综述根据聚合物点的结构,将其分为共轭聚合物点和碳化聚合物点,主要围绕两种聚合物点的定义、合成方法及发光机理进行了讨论。此外,本文还对聚合物点近年来的光学应用进行了总结,包括生物成像和荧光标记、药物和基因传递、传感、光电器件、光催化和防伪等。     

壳聚糖基聚合物碳点荧光材料合成及其自组装载药应用

荧光碳点具有化学稳定性好、毒性小、可表面功能化等优点,引起了人们极大的兴趣。近年来,由高分子多糖合成的聚合物碳点成为另一研究热点。本文通过水热法合成了一种壳聚糖基荧光聚合物碳点材料（P（CS-g-mPEG-CA）CDs）,并用于载药研究。基于壳聚糖和聚乙二醇既是碳点的碳源也是碳点的钝化试剂,本文选择壳聚糖接枝聚乙二醇单甲醚和柠檬酸衍生物作为聚合物碳点的碳源,以提高聚合碳点的量子产率。另外,聚合物碳点还可以保留聚乙二醇与壳聚糖分子结构,为其在载药方面的应用提供有利条件。采用红外光谱、紫外光谱、X射线衍射、光电子能谱、透射电子显微镜和光致发光光谱对P（CS-g-mPEG-CA）CDs进行了结构表征以及pH值稳定性的测试。结果表明,所合成的P（CS-g-mPEG-CA）CDs具有较高的荧光量子产率（66.81%）、较长的荧光寿命（15.247 ns）、良好的pH稳定性。以阿霉素为模型药物,利用该聚合物碳点进行了负载研究,结果表明,当聚乙二醇单甲醚取代度为11.9%时,聚合物碳点的载药量最高为51.3%,最大药物释放率为28.7%,此外,药物的装载和释放可以通过mPEG的接枝率进行控制。采用MTT法评价了聚合物的碳点对鼻咽癌细胞（CNE-2）的毒性作用。研究表明,空白聚合物碳点无明显细胞毒性,CNE-2细胞存活率随着载药胶束的增加而降低,说明载药胶束对CNE-2细胞有较强的抑制作用。可见该P（CS-g-mPEG-CA）CDs在荧光标记、药物递送、荧光示踪系统和控制释放方面,具有一定的应用前景。     

两亲性壳聚糖基聚合物碳点的合成及其在载药方面的应用

通过水热法合成了系列具有高荧光量子产率（42.9%）辛基化壳聚糖基两亲性聚合物碳点荧光材料。利用红外光谱、紫外吸收光谱、光电子能谱、透射电镜、X射线衍射及荧光光谱对聚合物碳点进行了表征。以阿霉素为模型药物,研究了聚合物碳点对阿霉素的载药性能。当辛基取代度为76.42%时,其最大载药量和包封率分别为49.6%与47.4%。在磷酸盐缓冲液中,载药纳米胶束呈前期快速释放,后期缓慢释放的双相特征。将载药纳米胶束与鼻咽癌细胞作用,发现其存活率随着载药纳米胶束加入量的增加而降低,说明该纳米胶束对鼻咽癌细胞有一定的抑制作用。总之,该聚合物碳点材料在药物载体与荧光示踪方面有潜在的应用价值。     

有机合成——光电子材料研究的重要工具

以有机电致发光显示与照明技术、有机太阳能电池等为代表的有机光电子器件在世界范围内吸引了产业界和研究机构的关注。新型有机光电材料的开发是近些年来有机光电子飞速发展的基石和巨大推动力。合成方法与材料设计思路的突破,使包括小分子和聚合物光电材料的性能得到了飞跃式发展。从材料的设计与合成入手,综述了材料化学结构与分子自组织行为及最终器件性能的关系。以窄带共轭聚合物、全共轭嵌段聚合物、超支化材料等为例阐述了上述材料溶液与本体中的自组织行为,以及用于有机太阳能电池给体材料时形貌对器件行为的影响。     

壳聚糖基聚合物点荧光材料的合成及其对纸张的抗紫外老化性能

以壳聚糖、柠檬酸、N-(2-羟乙基)乙二胺为原料,通过水热法合成了壳聚糖基聚合点(P(CS-g-CA)Ds)荧光材料,发现柠檬酸的接枝可明显提高壳聚糖聚合物点的量子产率。对P(CS-g-CA)Ds进行了红外光谱、紫外光谱、光电子能谱、透射电镜、热分解性能及光致发光光谱表征,测试了不同p H值下的荧光强度。结果表明,P(CS-g-CA)Ds在p H=4~12范围内有良好的稳定性。通过测试紫外老化前后宣纸的羰基指数和乙烯基指数研究了P(CS-g-CA)Ds在宣纸中的应用,结果表明其具有良好的抗紫外老化性能。     

碳纳米管掺杂对聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)对苯乙炔-PbSe量子点复合材料性能的影响

基于碳纳米管的良好导电性、激子传输性能和量子点聚合物复合材料高的光电转换性能, 采用原位缩合法制备了聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔(MOPPV)功能化碳纳米管(SWNT)-PbSe量子点复合材料, 通过对复合材料的X射线衍射、透射电子显微镜和紫外可见吸收光谱研究, 发现MOPPV, SWNT与PbSe量子点可以有效地复合, 且SWNT与MOPPV形成网状结构; PbSe量子点尺寸为5.75 nm, 其可均匀地分散在MOPPV-SWNT基体中形成包覆或镶嵌结构, 并发生了光诱导电荷转移.通过对复合材料的光电性能研究发现, 当MOPPV, SWNT, PbSe三者的质量比为1: 0.3 : 1 时其光电性能最好, 开路电压为0.556 V, 短路电流为2.133 mA, 填充因子为34.48%, 转换效率为0.452%, 与聚合物MOPPV-PbSe量子点复合材料材料相比, 光电性能提高了2–3倍. 关键词： 量子点 碳纳米管 复合材料 转换效率     

壳聚糖衍生物基聚合物碳点对Pd2+的传感性能

以柠檬酸与壳聚糖为主要原料,以1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)为偶合剂,合成了一种壳聚糖衍生物(CS-g-CA)。然后将CS-g-CA与掺杂试剂N-(2-羟乙基)-乙二胺通过水热法合成了壳聚糖衍生物聚合物碳点(P(CS-g-CA)Ds)。采用荧光光谱、紫外光谱、透射电镜对P(CS-g-CA)Ds进行了表征和性能测试。结果表明该聚合物碳点具有良好的荧光性能,有较高的量子产率(54.7%)和较长的荧光寿命(13.12 ns)。将P(CS-g-CA)Ds应用于金属离子检测中,发现P(CS-g-CA)Ds对Pd~(2+)有良好的选择性,其检测极限为63.3 nmol/L。通过紫外吸收光谱、荧光寿命以及不同温度下猝灭常数的测定研究了Pd~(2+)对P(CS-g-CA)Ds的荧光猝灭机制,结果均表明其猝灭机制为静态猝灭。     

CdSe/ZnSe量子点在油水两相体系下的聚合物包覆相转移及其光谱表征

采用油水两相溶液体系,借助于双亲聚合物包覆实现了CdSe/ZnSe核壳结构量子点自油相到水相的相转移。油水两相中的聚合物包覆与已经报道的均相溶液中聚合物包覆量子点的方法不同,包覆过程在油水两相界面处完成,有效地减少了聚合物缠绕引起的量子点团聚,实现了聚合物对量子点的无团聚单分散包覆。透射电镜和激光粒度分析仪对聚合物包覆量子点的表征结果表明获得的水溶性量子点具有良好的分散性,均一的水力尺寸。吸收和发射光谱表明聚合物包覆过程对量子点的发射峰位和峰型没有引起明显的改变,维持了较高的量子产率。通过荧光微区成像技术成功实现了对人IgG蛋白的特异性检测,证实这种方法获得的聚合物包覆量子点具有较好的与生物分子偶联的功能化基团,适合于生物学标记应用。     

掺杂PbSe/PVA量子点的光致聚合物全息特性

通过原位合成法以聚乙烯醇辅助合成了6.5nm、10nm和15nm的PbSe量子点,研究了掺杂PbSe量子点的光致聚合物的全息特性.将三种尺寸的PbSe量子点按不同浓度分别掺入光致聚合物中,制成无机-有机复合型光致聚合物膜,并对其全息性能进行研究.复合聚合物膜的UV-Vis吸收光谱表明掺入的PbSe量子点并未与聚合物中的有机组分发生化学反应.采用氩氪离子激光器输出的647nm红光研究了复合聚合物膜的透过率和全息记录光栅的布喇格偏移与衍射效率.透过率曲线表明PbSe量子点在复合聚合物膜中分散良好,膜表面均匀.由于PbSe量子点在聚合物链中起支撑作用,复合聚合物膜在全息记录过程中不易发生形变,从而增加了聚合物膜的抗缩皱能力.衍射效率曲线表明掺入PbSe量子点的复合聚合物膜的衍射效率比未掺杂的有所提高.此外,体系存在一个最优值,当掺入平均粒径为10nm且浓度为3.6×10-6 mol/L的PbSe量子点时,样品的透过率达到84%,衍射效率从67.2%提升到89.7%,缩皱率降低到0.8%,极大提高了材料的全息性能.     

Synthesis and Adsorption Study of BSA Surface Imprinted Polymer on CdS Quantum Dots

开发了CdS量子点用于牛血清白蛋白(BSA)表面压印的方法,将CdS量子点掺杂进BSA的分子压印聚合物中. 实验过程中对制备条件和吸附条件进行了优化. 量子点(QDs)和量子点分子压印聚合物(QDs-MIP)的形貌用扫描电子显微镜进行了表征. 当该QDs-MIP重新结合模板分子BSA时,CdS量子点的荧光被淬灭. 荧光淬灭的原因可能是量子点与模板蛋白质分子之间的荧光共振能量转移. 该聚合物对压印分子的吸附为单分子层吸附,符合Langmuir等温吸附模型. 化学吸附为速率控制步骤. 该新型聚合物的最大吸附容量可达226.0 mg/g,比未掺杂量子点的BSA压印聚合物提高142.4 mg/g.     

不同厚度阴极修饰材料LiF对聚对苯乙炔MOPPV-SWNT-PbSe量子点复合材料太阳电池性能的影响

基于碳纳米管的良好导电性、激子传输性能和量子点聚合物复合材料高的光电转换性能,采用原位缩合法制备了聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔-功能化碳纳米管-硒化铅量子点复合材料.通过对复合材料的X射线衍射、透射电子显微镜和紫外可见吸收光谱研究,发现聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔,功能化碳纳米管与硒化铅量子点可以有效地复合,且功能化碳纳米管与聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔形成网状结构;硒化铅量子点尺寸为5.75nm,其可均匀地分散在聚合物聚(2-甲氧基-5-辛氧基)-对苯乙炔-功能化碳纳米管基体中形成包覆或镶嵌结构,并发生了光诱导电荷转移.通过对复合材料的光电性能研究发现,插入不同厚度阴极修饰材料LiF后其光电性能提高,且当LiF为3nm时,开路电压为0.558 V,短路电流为2.338 mA,填充因子为37.6%,转换效率为0.466%,与不插入修饰材料时相比复合材料光电性能提高了30%.     

拉曼光谱在线测量技术在聚合物合成与加工中的应用研究进展

聚合物的合成与加工过程影响着材料的聚合度、结晶度、取向度以及共混组分的均匀性,最终影响聚合物产品的性能。因此对聚合物合成与加工过程中材料的实时状态进行监控至关重要。拉曼光谱在线测量技术凭借其无损检测、采样简单、可靠性高,对试样的外形和物态没有任何特定要求,且能在高温、高压、有毒的环境中直接进行在线测量等特点,在高分子材料合成与加工领域有了越来越广泛的应用。将此在线测量技术应用到高分子合成与加工过程中,实时测量高分子材料的化学组成和物理性质,并将测量数据用于控制合成与加工过程,可以提高高分子材料的性能。本文选择聚合反应转化率、聚合产物粒径及其分布、聚合物结晶度、聚合物取向度、多相共混聚合物组分含量等五个反映聚合物合成或加工过程状态的参量,概述了拉曼光谱在线测量上述参量的相关研究进展,并对拉曼光谱在线测量技术在聚合物合成及加工中的应用发展进行了展望。     

发光碳纳米点的带隙调控及应用

碳点作为一种新型的碳基荧光纳米粒子由于其可调谐发光、高光稳定性、生物相容性和低成本等独特优势而引起了很多关注。在过去的十几年中,碳点的制备和应用取得了巨大进展。然而,由于前体和合成方法的多样性,碳点的光致发光机理具有很大争议。现在人们普遍认为,碳点的光致发光源于电子在带隙的跃迁,并将荧光起源分别归结为碳核跃迁(π-π~*)、表面态跃迁(n-π~*)以及分子荧光团等。本文总结了碳点发光起源的几种可能和机制,分别讨论了通过调控碳点粒径以及进行表面工程处理的方法来实现碳纳米点带隙可调控的高效发光。介绍了通过表面工程、元素掺杂等手段提升碳纳米点光致发光量子产率及其在光电器件、信息存储、生物成像、光热治疗以及光动力治疗中的应用。     

掺杂石墨烯量子点对P3HT:PCBM太阳能电池性能的影响

为研究掺杂石墨烯量子点(GQDs)对聚合物电池的影响,采用溶剂热法制备了GQDs,掺杂到聚3-己基噻吩和富勒烯衍生物(P3HT∶PCBM)中作光敏层制备了聚合物太阳能电池。掺杂不同浓度的GQDs后,聚合物电池的开路电压和填充因子都比未掺杂器件高。GQDs掺杂质量分数为0.15%时,形成的掺杂薄膜平整、均匀,填充因子提高了17.42%。GQDs经还原后,随还原时间的延长,填充因子FF增大。到45 min时,电池的FF基本稳定,从31.57%提高至40.80%,提高了29.24%。退火后,获得了最佳的掺杂GQDs的聚合物太阳能电池,开路电压Voc为0.54 V,填充因子FF为55.56%,光电转换效率为0.75%。     

喷墨打印量子点薄膜的形貌控制

基于微流体理论,对采用聚合物量子点墨水打印薄膜的干燥过程进行了研究,并通过优化溶剂配比、聚合物含量及干燥温度克服"咖啡环"现象,改善薄膜形貌.研究结果表明:墨水中添加高沸点溶剂有助于延缓外向流动;调节聚合物含量可改变墨水的物理性质,有利于在诱发内向流动的同时阻碍外向流动,二者均可明显改善"咖啡环"形貌,另外聚合物的流平作用可提高薄膜的平整度;调节干燥温度可优化液滴与基板的接触线钉扎,从而进一步改善"咖啡环"形貌.最终,在量子点浓度为12mg/mL,墨水中氯苯/环己基苯体积比为8∶2,聚丙烯酸酯质量百分比为11wt%,干燥温度为25℃时制备了直径约为169μm,高度约为65nm的均匀量子点薄膜及量子点点阵,为QLED器件的制备及Micro-LED面板的全彩化提供了技术支持.     

氮掺杂碳点的合成与应用

碳纳米点(碳点)是一种新型的纳米发光材料,具有优异的发光性能、良好的生物相容性、低毒性、水溶性好和表面易功能化等特性,在光电器件、生物成像、光热治疗等领域展现了潜在应用价值。然而,合成碳点的前驱体材料多种多样,合成方法各有不同,导致其发光机理复杂多样。本文主要针对使用柠檬酸作为碳源、尿素或氨水作为氮源,采用微波和溶剂热的合成方法制备的氮掺杂碳点,探索碳点的发光机理和抑制碳点聚集诱导荧光猝灭的方法,并进一步研究碳点在固态照明、可见光光通讯、生物成像和光热治疗等领域的应用前景。     

2019年5期 电子期刊

碳纳米点（碳点）是一种新型的纳米发光材料,具有优异的发光性能、良好的生物相容性、低毒性、水溶性好和表面易功能化等特性,在光电器件、生物成像、光热治疗等领域展现了潜在应用价值。然而,合成碳点的前驱体材料多种多样,合成方法各有不同,导致其发光机理复杂多样。本文主要针对使用柠檬酸作为碳源、尿素或氨水作为氮源,采用微波和溶剂热的合成方法制备的氮掺杂碳点,探索碳点的发光机理和抑制碳点聚集诱导荧光猝灭的方法,并进一步研究碳点在固态照明、可见光光通讯、生物成像和光热治疗等领域的应用前景。     

近红外光谱检测技术在聚合物领域的应用研究进展

近红外光谱(NIR)检测技术能够提供样品丰富的结构和组成信息,且具有分析速度快、样品无需处理等突出特点,在聚合物领域有了越来越广泛的应用。综述了该技术在聚合物合成到成型加工再到回收利用整个生命周期过程中各个环节的应用研究进展。在聚合物的合成和加工过程中,近红外光谱检测技术可用于材料参量的定量测量,且由于光纤良好的化学和热稳定性,使其能够在强腐蚀、高温、高压等危险环境下进行在线实时监测。对于聚合物合成,选择聚合反应转化率、聚合产物粒径和聚合物组成三个关键参量,概述了近红外光谱在线测量上述参量的相关研究进展;对于聚合物加工,主要讨论了反应性挤出加工过程中近红外光谱在线测量聚合物分子量、残余单体含量、接枝率等反映材料加工状态参量的应用研究。在聚合物的回收利用过程中,近红外光谱可用于废旧塑料制品的定性分类识别,围绕该应用分析了其国内外的研究现状。指出了近红外光谱检测技术在应用中存在的问题,并提出几点建议,最后对该技术在聚合物领域的发展方向进行了展望,并认为随着研究工作的深入和在线测量仪器的发展,近红外光谱检测技术将在聚合物领域有着更加广阔的应用前景。     

邻苯二甲酸结晶诱导荧光碳点制备及其在白光发光二极管中的应用

通过简单的方法获得基于碳纳米点的固态荧光材料,实现该类材料在光电器件领域的应用研究有着重要的意义.然而,由于聚集诱导猝灭效应的存在,合成该类材料仍面临着严峻的挑战.本文报道了一种简单热解合成硫(S)和氮(N)共掺杂荧光碳点晶态材料的方法.优化制备条件后,获得的材料能发出耀眼的橙红色荧光,这是由于在形成碳点的同时,碳点的...     

新型联苯胺基窄带隙共轭聚合物的光学及电化学性能研究

随着化石燃料的日益枯竭,人类社会对能源的需求在不断增长。为了平衡能量应用需求并提升能量使用效率,开发高效能量转换材料与电化学储能材料成为当前研究的重要课题。导电聚合物基电极材料面临着相应储能器件能量密度、功率密度、循环性能不高的挑战,需进行结构改性提高电导率、改善界面性质。鉴于共轭高分子的电子结构、光学及电化学性质由共轭链骨架结构决定,对导电共轭聚合物进行结构修饰以提升其电荷传输性能和载流子迁移率,进而设计合成新型高迁移率导电聚合物基共轭聚合物是提高相应器件特性的关键所在。已有研究大多借助复杂的结构设计来实现提升迁移率,设计合成了结构简单,有助提升电荷迁移的新型窄带隙聚联苯胺基共轭聚合物聚物。通过光谱学及电化学方法对材料结构与性能进行了表征分析。采用核磁共振氢谱、红外光谱,X射线粉末衍射对单体及聚合物进行了结构表征,通过紫外光谱、紫外可见漫反射、循环伏安、计时电位、交流阻抗对其进行了光学及电化学性能测试。结果表明,成功制得具有预期结构的共轭聚合物,所得聚合物结晶性较佳,光学带隙Eopt_g为1.85 eV,HOMO及LUMO能级分别为-5.44和-3.59 eV,前者高于,后者则低于大部分文献值,呈现可同时促进p-型和n-型掺杂的结构特性,具备增强材料容纳电荷能力的性能优势。聚合物储能特性受化学结构、晶体结构及微观形貌综合影响。改善材料微观结构特性有助于提升其电子电导率,但层状致密块体形貌特征又使其离子电导率受限。电化学性能测试结果显示,聚合物具有一定电化学活性,具有较小的电荷转移阻抗,具备基本满足使离子顺利扩散的条件,0.05 A·g-1时的放电比电容达256.6 F·g-1。研究结果表明,制得的联苯胺基窄带隙共轭聚合物在光电转换、储能及微型电子器件中有广阔的应用前景。