稻壳基碳量子点的制备及其对重金属离子的检测研究背景和现状

随着人类社会的发展和人口的增长，对食物和能源的需求激增，使人类和地球陆地生态系统面临着前所未有的压力。工业革命以来，能源的需求和消费有了显著增长。能源短缺和安全问题已成为全球关注的焦点。另一方面，化石燃料产生的温室气体是大气污染的主要污染源和影响全球气候变化的重要因素。全球气候变化和能源危机正迫使寻求一个解决办法，使我们的生产，生活和国民经济可持续且健康的发展。面对上述双重压力，更多环保、经济的、可替代性的可再生能源逐渐进入人们的视野。生物能源是众多可再生能源 (风能、太阳能、水力、地热等)中不可或缺的一种，利用生物质不仅可以显著减少温室气体排放，还可以在能源稀缺的今天贡献出自己的一份力。因此稻壳资源作为一种以生物质资源为基础的生产，成为了一种化石能源的必不可少的替代品，而且目前贡献了全球9-13%的份额能源供应。不仅如此，生物质资源作为一种可再生能源可以直接使用，也可以间接使用，或者转换成另一种能源产品，如生物燃料。生物质能源的使用不仅可以补充短缺的化石燃料，而且可稳定大气温室气体浓度低于危险的水平，减少大气污染，生物能源在一定程度上可缓解环境污染问题。通过对生物能源的研究，可深入了解生物能源潜力的来源、类型、数量和分布。这些都有助于评价生物能源在多大程度上可以替代和补充能源短缺，在很大程度上可以减少温室气体排放，但是如何合理开发利用生物能源这个宝贵财富便需要世界人民的共同努力。

稻壳是生物质资源中的一种产量巨大的农业废弃物，稻壳含有丰富的硅、纤维素、木质素等。稻壳的资源利用已经越来越引起人们重视。稻壳里丰富的木质纤维素通过热解可制备生物油。稻壳其本身可制作为固体燃料和土壤改良剂等。利用强碱处理稻壳后可以有效地减少硅的含量。经过碳化之后可以制备成稻壳基碳量子点，利用量子点独特的荧光性能对重金属元素进行定性定量的检测。

荧光性材料的发现是从十六世纪开始的，人们偶然发现木切片的黄色溶液，在可见光照下，表现出蓝色溶液。此时，荧光材料被越来越多的国内外专家所研究。二十世纪时，普朗克量子理论的提出为专家学者提供了新的对自然界的思考和从微观世界来研究荧光材料。随着对荧光材料的不断研究，各种新型的荧光材料像似喷泉一般不断涌出，对各种荧光材料的应用也是越来越广泛。

量子点是上个世纪开始研究的荧光材料的重点方向，也是为了解决全球能源危机而发展起来的一个新型技术。1981 年贝尔实验室科学家Brus利用改变硫化镉胶体的大小得到了其变化的激发能量，首次将量子点的颜色和胶体的状态联系在一起，解释了量子点的颜色和大小之间的联系 ，也让后来的科学家可以更好地了解与研究量子点，也为量子点的发展作了很大的铺垫。

碳量子点（CQDs）是一种直径小于 10 nm 的新型荧光碳纳米功能材料。和传统的半导体量子点相比，荧光碳量子点粒径更小、水溶性好、荧光特性好、并且具有更好的生物相容性。最重要的是碳量子点成本低廉，不像半导体量子点高昂的成本，而且半导体量子点一般含有毒的金属离子，对环境和人体都具有很大的危害。正因为它的低毒性、生物相容性和荧光特性优越，所以近些年来碳量子点在医药方面、生物成像 、以及荧光分析检测都有着大量的应用。碳量子点有着很好的荧光特性，常见的表征手段有紫外-可见光谱法、透射电子显微镜法、红外光谱法、荧光光谱法等。2004 年 Xu等人在用电弧法合成碳纳米管时，首次观察到了发光的碳纳米粒子，即 CQDs，从而发现了其优越的性能。2006 年 Lu 等人利用激光刻蚀法也制得了碳量子点。2007 年，人们以电化学氧化法从多壁碳纳米管制备出可以发蓝光的碳量子点。近年来，由于碳量子点的优越性能和其制备方法简易，越来越多的人们进行了深入的探究。生物质 具有可再生、绿色低碳、易储存和运输特点。在生态环境恶化和资源短缺的条件下，生物质已经成为社会关注的热点。在中国，农作物生物质资源极为丰富，主要包括秸秆、麦秆、稻草等。我国农作物秸秆每年产量约为 8 亿吨，加工后废弃物每年产量约为 1.42 亿吨。在传统的利用方式中，有 60％的秸秆被用作农用燃料，直接燃烧，或者露天燃烧和掩埋。不仅造成资源的浪费，还加重了环境的污染。鉴于生物质资源如此的丰富，若将其制备成碳量子点，势必产生更高的经济价值。因此，本文探讨了稻壳制备荧光碳量子点作为纳米探针，对废水和废油中的重金属元素进行检测；采用现代分析技术对量子点理化特性进行系统地表征。主要确定碳量子点的荧光强度、尺寸大小、元素种类、微观结构和形貌等。

重金属元素是指在标准情况下单质密度大于 4500 kg/m 3 的金属元素 ，其中主要是指一些毒性较大的金属元素，例如镉、铅、砷等金属元素，它可以来自于矿山开采使重金属元素从地下深处暴露在地表或者地下水中，对环境的造成巨大的危害和对人体的健康造成了极大的威胁。比如镉是人体非必需摄入元素之一，自然界中多以化合物出现，环境中正常存在的镉离子含量很低，对身体无害，但当其含量超过限定范围时，环境受到破坏，镉离子便通过生物体进行富集，通过食物链进入人体引起人体中毒。镉离子会与人体内细胞结合为镉硫蛋白，积聚于肝、肾、脾中。当镉含量在人体体内积聚过多时，人体会出现一系列病变如萎缩、骨质疏松等。因此，镉的测定显得尤为重要。环境中的镉污染主要来源是电镀、采矿、电池等废弃物、废弃液的超标排放。目前，镉的检测方法主要有 ICP，电化学法，原子吸收分光光度法等。这些方法的不足之处是操作复杂、样品需进行预处理、检测速度不够快等，因此简单、高效灵敏的检测镉离子方法受到人们广泛关注。碳量子点优良的光学特性、小尺寸、低毒性、良好生物相容性及易于表面修饰、制备成本低廉和反应条件温和等优点，本文优选碳点作为荧光探针，开发出碳量子点检测水中金属离子的新方法。利用强碱处理稻壳后可以有效地减少硅的含量，经过碳化后可以制备碳量子点，探究荧光增强碳量子点的最佳工艺，并将其应用于重金属离子的检测，开发出快速检测重金属离子新技术。