CN103395771A - 高荧光量子产率碳点及其在荧光显色方面的应用 - Google Patents
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Abstract
高荧光量子产率碳点及其在荧光显色方面的应用，属于荧光碳纳米材料的应用领域。具体涉及一种以柠檬酸、乙二胺为原料合成的高荧光量子产率的碳点作为荧光墨水用于手写及荧光打印，进一步拓展其在荧光电纺丝，荧光微米阵列和荧光复合物中的应用。是将柠檬酸1～100mmol与乙二胺1～100mmol共混于5～100mL的去离子水中并转移到反应釜中，在100～500℃条件下水热反应2～10小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液倒入分子量为3500的渗析袋中渗析48～60h，取渗析外液旋干，真空干燥后即得高荧光量子产率碳点。
Description
技术领域
本发明属于荧光碳纳米材料的应用领域，具体涉及一种以柠檬酸、乙二胺为原料合成的高荧光量子产率的碳点作为荧光墨水用于手写及荧光打印，进一步拓展其在荧光电纺丝，荧光微米阵列和荧光复合物中的应用。
背景技术
近几年来，荧光碳材料受到人们广泛的青睐。碳点（Carbon dots，CDs）是一种新兴的尺寸小于10nm的碳基材料。由于其廉价而丰富的制备原料，自2004年第一次被发现以来便得到了广泛的关注。由于其化学性质稳定，生物毒性低，生物相容性好等特点使其在生物标记，生物成像，和药物运输等领域具有广泛的潜在应用价值。
碳点（包括碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米点和复合物点）的合成方法可以主要分为两种：化学方法和物理方法。化学方法包括：电化学合成，热反应，模板合成法，微波或超声法等。而物理方法则包括弧放电，激光燃烧/钝化，Plasma处理。
然而碳点在应用方面的报道则大多是关于检测，光电器件和生物成像等方面的，基于碳点做荧光墨水的应用却鲜有研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种由柠檬酸和乙二胺制备的具有高荧光量子产率的碳点，并将其作为荧光墨水，应用于荧光喷墨打印、钢笔水手写及荧光微米阵列等方面。更进一步，基于碳点制备荧光纺丝及荧光纳米复合物。
我们通过简单的一步水热合成法，由柠檬酸和乙二胺碳化制备了具有极高荧光量子产率的碳点。此种碳点可以广泛的应用于荧光墨水及荧光纳米复合物。作为荧光墨水，不同碳点浓度的墨水荧光强度不同。作为荧光纳米复合物，其仍保持原来的荧光性质，且具有较强的抗光致漂白性。
本发明将具有高量子产率的荧光碳点应用于荧光墨水和荧光纳米复合物中，扩展了碳点的应用，同时一定程度上克服了碳点自身易光致漂白的特点。且由于碳点自身的造价低廉、后处理简单，可以广泛的应用于工业生产。
本发明所述的具有高荧光量子产率的碳点，可由如下方法制备得到：
将柠檬酸1～100mmol与乙二胺1～100mmol（进一步优选，柠檬酸与乙二胺的摩尔比为1：10～10：1）共混于5～100mL的去离子水中并转移到反应釜中，在100～500℃条件下水热反应2～10小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液倒入分子量为3500的渗析袋中渗析48～60h，取渗析外液旋干，真空干燥后即得碳点。
进一步地，将浓度为0.001～8mg/mL的碳点水溶液作为碳点墨水装入到喷墨打印墨盒中，并将电脑与打印机相连即可进行荧光打印。除打印外，该墨水还可作为钢笔墨水用于荧光书写，字迹可在手提紫外灯下显色。
将碳点墨水滴在光刻后的亲水条带（条带的宽度为13μm，条带的周期为87μm）上即可得到有图案的微尺度结构，即用于制备荧光微米阵列；紫外光（或者蓝色和绿色光）激发下，这种结构可以在显微镜下观测到。而且这种荧光可以在2000W紫外光光照30min后仍得到保持。
碳点的水溶液还可以用于制备荧光高分子纳米复合物。我们将0.001～10g的碳点溶解于1～100mL的N,N-二甲基丙烯酰胺中，加入10～1000μL2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮（作为引发剂）混匀。将混合物倒入模具中，使用100～10000W的中等强度的汞灯照射1～100min使其聚合，便得到了高分子纳米复合物。
此外还可以将碳点应用于电纺丝中，制备荧光纳米纺丝。将0.1～10g聚乙烯醇（PVA，分子量为77000，99%）分散于0.1～10g冷水中2小时；然后在50～150℃条件下水浴10～60min，得到溶解完全的PVA水溶液；最后向该溶液中加入0.0001～1g的碳点和0.001～1g的磺基琥珀酸钠二辛酯（AOT），同时剧烈搅拌。这里AOT的加入是为了降低表面张力和PVA溶液的粘度。
由以上方法制得的均一的溶液即可用于电纺丝。将一只内部含有铜棒和PVA/CDs水溶液的滴管与高压电连接，铝薄片作为接收器。将滴管与铝薄片接收器的距离固定在10～100cm，同时将高压电固定在10～100kV。将2mm×2mm的硅片放在铝薄片上来收集样品。
附图说明
图1:碳点水溶液作为荧光墨水用于手写的照片（a）日光照射下照片；（b）4:1荧光墨水在手提紫外灯照射下的照片；c）5:5荧光墨水在手提紫外灯照射下的照片；d）1:4荧光墨水在手提紫外灯照射下的照片；
在日光下无明显痕迹，纸张呈现原有的桃红色；紫外手提灯下，（b）中的字迹具有蓝绿色明亮荧光，（c）中的字迹具有很强蓝色荧光，（d）中的字迹具有较强的蓝色荧光。
图2:碳点水溶液作为荧光墨水的打印照片（a）日光照射下照片；（b）手提紫外灯照射下照片；（c）黑红黄蓝四种颜色的圆点及其打印出来的效果；
在手提紫外灯下，（a）中原来没有字迹的地方在（b）中出现了明亮的蓝色荧光。（c）在打印不同颜色时，荧光墨水中碳点的浓度不同因而其荧光强度不同，荧光墨水中碳点的浓度越大，荧光越强。
图3：荧光微米结构的显微镜照片（a）紫外光激发；（b）蓝光激发；（c）绿光激发；
在紫外光下呈现明亮的蓝色，在蓝光激发下呈现绿色荧光，在绿光激发下呈现红色荧光。
图4：荧光电纺丝的显微镜照片（a）紫外光激发；（b）蓝光激发；（c）绿光激发；
紫外光激发下纺丝呈现很亮的蓝色荧光，蓝光激发时纺丝呈现绿色荧光，且亮度下降，绿光激发时纺丝呈现红色荧光，且亮度很低。
图5：PDMAA/CDs纳米复合物（a）日光照射下照片；（b）手提紫外灯照射下照片。
日光下碳点复合物呈透明状略带淡黄色，在紫外手提灯下具有很强的蓝色荧光。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的阐述。实施例1-5主要说明碳点作为荧光墨水的应用方法，实施例6-7主要阐述碳点与聚合物复合后仍具有很强的荧光性质，且经过紫外曝光后荧光性质得以保持。
实施例1
1.高量子产率荧光碳点的制备
将柠檬酸4mmol与乙二胺1mmol共混于5mL的去离子水中并转移到反应釜中，在200℃条件下水热反应7小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液用旋转蒸发仪旋干，并进一步放入真空干燥箱内干燥，即得4：1的碳点。
2.4:1碳点作为荧光墨水的手写应用
配置1mg/mL的碳点水溶液作为荧光墨水，灌注到商业钢笔中，并使用钢笔进行书写，该“荧光”字迹在日光下观测不到（图1a），只有在紫外灯下观测得到（图1b）。
实施例2
1.高量子产率荧光碳点的制备
将柠檬酸5mmol与乙二胺5mmol共混于10mL的去离子水中并转移到反应釜中，在200℃条件下水热反应7小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液倒入分子量为3500的渗析袋中渗析48h，取渗析外液用旋转蒸发仪旋干，并进一步放入真空干燥箱内干燥，即得5:5的碳点。
2.5:5碳点作为荧光墨水的手写应用
配置1mg/mL的碳点水溶液作为荧光墨水，灌注到商业钢笔中，并使用钢笔进行书写，该“荧光”字迹在日光下观测不到（图1a），只有在紫外灯下观测得到（图1c）。
实施例3
1.高量子产率荧光碳点的制备
将柠檬酸1mmol与乙二胺4mmol共混于5mL的去离子水中并转移到反应釜中，在200℃条件下水热反应7小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液用旋转蒸发仪旋干，并进一步放入真空干燥箱内干燥，即得1:4的碳点。
2.1:4碳点作为荧光墨水的手写应用
配置1mg/mL的碳点水溶液作为荧光墨水，灌注到商业钢笔中，并使用钢笔进行书写，该“荧光”字迹在日光下观测不到（图1a），只有在紫外灯下观测得到（图1d）。
实施例4
1.高量子产率荧光碳点的制备
此实施例中高量子产率荧光碳点的制备方法如实施例2所示。
2.碳点作为荧光墨水在打印上的应用
荧光打印需要一种在紫外灯下没有荧光且稳定适用于碳点附着的商业纸张，如亚龙纸制品（昆山）有限公司生产的彩色复印纸（桃红色）。在打印中，将1*10-3mg/mL的碳点水溶液作为一种无色墨水注入打印盒中。先用正常的打印机打印出图中黑色部分（图2a），再将打印好的纸张放入荧光打印机中进行第二次荧光打印，即图中显示荧光的部分（图2b）。
除1*10-3mg/mL的碳点水溶液外，不同浓度的碳点水溶液（0.08mg/mL、0.8mg/mL和8mg/mL）也可以作为荧光墨水。将浓度为1*10-3mg/mL、0.08mg/mL、0.8mg/mL和8mg/mL分别装入代表黑、红、黄、蓝的墨盒中，进行“彩色”打印。手提紫外灯下，不同颜色的部分荧光强度不同，即碳点的浓度越高打印出来的图像越亮（图2c）。
实施例5
1.高量子产率荧光碳点的制备
此实施例中高量子产率荧光碳点的制备方法如实施例2所示。
2.碳点作为荧光墨水在微纳结构上的应用
将碳点墨水滴在光刻后的亲水条带（条带的宽度为13μm，条带的周期为87μm）上即可得到有图案的微尺度结构。紫外光（蓝色和绿色光）激发下，这种结构可以在荧光显微镜下观测到（图3）。而且这种荧光可以在2000W紫外光光照30min后仍得到保持。
实施例6
1.高量子产率荧光碳点的制备
此实施例中高量子产率荧光碳点的制备方法如实施例2所示。
2.荧光碳点在电纺丝上的应用
0.15g PVA（分子量为77000，99%）分散于0.85g冷水中两小时，混合物在水浴中95℃30min，以得到溶解的PVA。最后向溶液中加入0.001g的碳点和0.004g的磺基琥珀酸钠二辛酯（AOT），同时剧烈搅拌。这里AOT的加入是为了降低表面张力和PVA溶液的粘度。由以上方法制得的澄清均一的溶液即可用于电纺丝。将一只内部含有铜棒和PVA/CDs水溶液的滴管与高压电连接，铝薄片作为接收器。将滴管与铝薄片接收器的距离固定在15cm，同时将高压电固定在15kV。将2mm×2mm的硅片放在铝薄片上来收集样品，在荧光显微镜下对其进行观测（图4）。
实施例7
1.高量子产率荧光碳点的制备
此实施例中高量子产率荧光碳点的制备方法如实施例2所示。
2.荧光碳点在荧光复合物中的应用
将0.005g碳点溶解于10mL的N,N-二甲基丙烯酰胺。然后将100μL2-羟基-2-甲基苯基丙烷-1-酮（作为引发剂）加入溶剂中。将混合物倒入模具中，然后将其暴露于中等强度的汞灯下，以1kW紫外光照射2min使其聚合，便得到了高分子纳米复合物（图5）。以此法得到的PDMAA/CDs纳米复合物经过2000W紫外光照射30min后仍保持其原来的荧光强度。
Claims (8)
1.一种高荧光量子产率碳点，其特征在于：是由如下方法制备得到，即将柠檬酸1～100mmol与乙二胺1～100mmol共混于5～100mL的去离子水中并转移到反应釜中，在100～500℃条件下水热反应2～10小时，反应结束后将反应釜冷却至室温，从而得到具有高荧光量子产率的碳点水溶液，将得到的碳点水溶液倒入分子量为3500的渗析袋中渗析48～60h，取渗析外液旋干，真空干燥后即得高荧光量子产率碳点。
2.如权利要求1所述的一种高荧光量子产率碳点，其特征在于：柠檬酸与乙二胺的摩尔比为1：10～10：1。
3.权利要求1或2所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用。
4.如权利要求3所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用，其特征在于：用于荧光打印。
5.如权利要求3所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用，其特征在于：用于荧光书写。
6.如权利要求3所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用，其特征在于：用于制备荧光微米阵列。
7.如权利要求3所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用，其特征在于：用于制备荧光高分子纳米复合物。
8.如权利要求3所述的高荧光量子产率碳点在荧光显色方面的应用，其特征在于：用于制备荧光纳米纺丝。
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