稀土元素是21世纪非常重要的战略性元素,涉及在先进医疗设备、超级磁体、磁共振成像、可再生能源、能量储存、激光、催化剂和高性能合金等方面的广泛应用。稀土元素具有极强的化学相似性以及在地壳中存在极低的浓度,使其浓缩、分离、提纯及分析检测都面临挑战。本论文就稀土元素的定性、定量分析的重要性展开,结合最新发展的碳量子点概念,应用多种荧光机制,探索了稀土元素荧光的定性区分、定量分析的可能性和局限性,为区分稀土元素间的微弱差别提供了创新的尝试和有益成果。本论文共分为五个章节。第一章主要介绍了稀土元素广泛用途和重要性,分析了荧光产生及稀土元素电子结构的量子化学基础,并综述了碳量子点的最新发展,从而确立了本论文借助碳量子点去考察化学性质相近的稀土在定量区分、定性分析方面的核心研究内容。第二、三、四章深入阐述了本论文涉及的两种荧光分析机制(荧光淬灭、天线敏化荧光),以及三种不同碳基原料以极为简单的方法获取的三种新型碳量子点的基本特性和在稀土元素分析中的应用,除涉及的荧光测试(荧光强度、淬灭、寿命等),还涉及了大量材料表征手段(SEM/TEM、XRD、XPS、红外光谱,紫外可见光吸收光谱、Zeta电位等),还进行了荧光机理分析。第五章对本论文全文总结,阐述了获得的主要结果。主要结果包括如下几个方面,(1)以即为碳源、又为氮源叶酸,采用一步水热法成功合成氮掺杂碳量子点(NCDs);NCDs是具有能带结构的、高量子转化效率的蓝光发射量子点,因其表面电负性使其与带正电稀土离子很好的结合;NCDs溶液和不同种类的稀土结合NCDs本身会发生荧光谱线红移、淬灭等现象(机制一),其中不同程度淬灭可以定量分析稀土含量,而红移现象可应用于稀土定性识别,由此可将稀土分为两大类,第一组稀土离子(Y3+,La3+,Lu3+)与NCDs结合使NCDs荧光发射峰发生明显红移(20nm),而在第二类稀土(Pr3+,Nd3+,Sm3+,Eu3+,Gd3+,Tb3+,Dy3+)没有类似现象。(2)以浓酸、采用自上而下法对多层氧化石墨烯裁剪获得尺寸小于20 nm石墨烯量子点(GQDs),GQDs具有在水中良好的分散性、均匀的尺寸、电负性的表面和荧光效应;GQDs与稀土结合除发生前述机制一的荧光特性外,还可作为能量吸收中间体,将能量进一步传递、敏化稀土元素,起到天线效应,尤其对稀土铽离子效应最为显著,从而激发稀土铽在490 nm、546 nm、585 nm、620 nm处的自身特征荧光(机制二),以546 nm处稀土铽特征荧光确定其检测限为0.3 μM(0-30μM)。(3)推广至更普遍碳的原料-无烟煤,采用简单的自上而下裁剪法成功合成了分子结构为C40H1sN3O7S2P2的多元素氮、磷、硫掺杂石墨烯量子点(NPS-GQDs)。NPS-GQDs具有明显荧光发射,铅离子可使其发生荧光淬灭、且不受大多数离子干扰(荧光机制一),对铅离子的检测限达到0.75 μM;同时NPS-GQDs能对稀土离子Tb3+起到天线敏化效应,发出Tb3+离子自身的荧光光谱(荧光机制二),铽离子浓度检测范围在0-50 μM与荧光强度呈良好的线性关系,检测限为0.2 μM。本论文研究是建立在前人工作基础上的再创新,绝大部分研究结果属首次发表。