CN104477880B - 高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法及其应用。以酚醛树脂为碳源，明矾或氯化铁等为胶体前驱体，酚醛树脂通过胶体表面的吸附，经固化处理，过滤，高温碳化即获得碳量子点粉末及碳量子点溶液。本制备碳量子点的方法具有操作简单，成本低廉，易于大量生产的特点。本方法制备的碳量子点具有高荧光性能，发射光可调，生物相容性良好等优异特性，适合于应用在活细胞荧光成像等领域。本发明合成的碳量子点在生物医学领域将具有广阔的应用前景。

Description

高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及碳纳米材料领域，具体涉及一种采用酚醛树脂做碳源制备的高荧光碳量子点的方法及其应用。
背景技术
荧光纳米材料理化性能优异，被广泛应用于生物传感器、化学催化、环境监测和光电器件等领域。其中，荧光量子点荧光性能独特而广泛应用于细胞的荧光标记、显示技术和照明等。如早期由重金属制备的量子点(如CdSe、CdS、CdTe等)已被作为荧光探针应用于活细胞标记和体内细胞示踪，取得了很好的效果。但这类重金属量子点本身具有毒性并且对环境具有污染，因而其在生物医学领域的应用受到了极大限制。最近，对碳量子点的研究有了很大进展。这种碳量子点不仅具备类似于重金属量子点的良好光学性质，而且具有合成方便、易于修饰、生物相容性优异等特点，更符合细胞标记和生物医学成像需要。同时，其发射的荧光除了有可见光区和近红外光区外还在近紫外区有发射，这些荧光性质对生物医学领域应用研究具有重大的意义。
目前关于制备碳量子点方法的报道很多，这些方法主要包括强酸氧化法、电化学氧化法、微波热解法、微波合成法、化学氧化法和高温热解法、电弧放电法、激光等离子体剥离石墨法等，采用的碳前躯体主要有石墨烯、碳纳米管、活性炭、蜡烛灰和有机碳源等。所制备的碳量子点表面往往富含羧基，需要富含氨基的化合物进一步钝化后，才能保证碳量子点获得稳定的光学性能。另外这些方法所需设备和原料昂贵，后续处理手段复杂等等，在很大程度上限制了荧光碳量子点的大规模生产和实际应用。因此，探索利用廉价易得、天然无毒和环境友好型的前驱物，采用简单有效的方法大规模制备具有高荧光性能的碳纳米粒子是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种制备工艺简单、适于大规模制备、生物相容性良好、荧光强度高、发光波长随激发波长可调的荧光碳量子点的制备方法。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
(1)将胶体前驱体物质溶解于蒸馏水中，静置得到胶体溶液；
(2)将步骤(1)得到的胶体溶液中加入适量酚醛树脂，静置一段时间后，经固化、过滤、洗涤，得到中间体固体物质；
(3)将步骤(2)得到的中间体固体物质烘干，然后置于还原或中性气氛中进行碳化，碳化产物即为碳量子点粉末；
(4)将碳化后产物用溶剂进行溶解即可得碳量子点溶液。
进一步，所述胶体前驱体物质与酚醛树脂的质量体积比为0.5～1.5:0.5～2.0g/ml。
进一步，所述胶体前驱体物质优选明矾或氯化铁。
进一步，所述步骤(1)和步骤(2)的静置时间均为3～5小时。
进一步，所述步骤(2)的酚醛树脂优选水溶性酚醛树脂。
进一步，所述步骤(2)的固化温度为140～180℃，固化时间为1～4小时，所述固化反应可以在反应釜等密闭容器里进行。
进一步，所述步骤(3)的碳化温度为600～800℃。
进一步，所述步骤(3)的还原气氛为氢气气氛，中性气氛为氮气气氛。
进一步，所述步骤(4)的溶剂为二甲亚砜或/和蒸馏水。
本发明的另一个目的是拓宽荧光碳量子点发射区范围从而拓宽在生物医学领域的应用，包括活细胞成像、活细胞标记和荧光示踪等。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明选用廉价易得、含碳量较高的水溶性酚醛树脂为碳源，产率较高，适合大规模工业生产。
(2)本发明反应设备简单，操作简便，经高温碳化，获得的碳量子点不含羧基，不需要钝化。
(3)本发明制备的碳量子点具有较高的荧光性能，发射光可调，并且具有较好的细胞相容性。尤其是粒子粒径小，易于透过细胞膜进入到细胞内，因此比较适合作为荧光探针应用于活细胞成像和抗体标记等生物医学领域。
附图说明
图1为本发明实施例1所得的碳量子点荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。
本发明是采用酚醛树脂为碳源，通过在胶体表面的吸附，然后固化得到中间体，最后碳化，实现快速大量地制备高荧光性能碳量子点。
实施例1
将1.5g明矾溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置3小时，得到胶体；向上述溶液中加入0.5ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再静置4小时，置于反应釜中于160℃固化2小时，过滤，洗涤2次(弱酸性)，然后置于马沸炉中于750℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。
由图1可知，本实施例所得的碳量子点具有高强度的荧光。
实施例2
将1g明矾溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置4小时，得到胶体；向上述溶液中加入1.0ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再静置5小时，置于反应釜中于180℃固化1小时，过滤，洗涤1次(弱酸性)，置于马沸炉中于650℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。
实施例3
将0.5g明矾溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置5小时，得到胶体；向上述溶液中加入2.0ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再静置5小时，置于反应釜中于140℃固化3小时，过滤，洗涤2次(弱酸性)，置于马沸炉中于600℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。
实施例4
将0.5g氯化铁溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置4小时，得到胶体；向上述溶液中加入1.5ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再静置3小时，置于反应釜中于170℃固化3小时，过滤，洗涤2次(弱酸性)，置于马沸炉中于800℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。
实施例5
将1g氯化铁溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置5小时，得到胶体；向上述溶液中加入2.0ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再次静置3小时，置于反应釜中于160℃固化4小时，过滤，洗涤2次(弱酸性)，置于马沸炉中于700℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。
实施例6
将1.5g氯化铁溶于40mL蒸馏水中，待明矾充分溶解后，静置4小时，得到胶体；向上述溶液中加入2.0ml水溶性酚醛树脂，搅拌匀后，再静置3小时，置于反应釜中于150℃固化3小时，过滤，洗涤1次(弱酸性)，置于马沸炉中于750℃碳化，即得碳量子点粉末；以二甲亚砜和水溶解即获得含有高荧光酚醛树脂基碳量子点的溶液。

Claims (7)

1.一种高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将胶体前驱体物质溶解于蒸馏水中，静置得到胶体溶液；
（2）将步骤（1）得到的胶体溶液中加入适量酚醛树脂，静置一段时间后，经固化、过滤、洗涤，得到中间体固体物质；
（3）将步骤（2）得到的中间体固体物质烘干，然后置于还原或中性气氛中进行碳化，碳化产物即为碳量子点粉末；
（4）将碳化后产物用溶剂进行溶解即可得高荧光酚醛树脂基碳量子点溶液；
所述的胶体前驱体物质为明矾或氯化铁；
所述的酚醛树脂为水溶性酚醛树脂；
胶体前驱体物质与酚醛树脂的质量体积比为0.5～1.5:0.5～2.0g/mL。
2.根据权利要求1所述的高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）和步骤（2）的静置时间均为3～5小时。
3.根据权利要求1所述的高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）的固化温度为140～180℃，固化时间为1～4小时。
4.根据权利要求1所述的高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的碳化温度为600～800℃。
5.根据权利要求1所述的高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）的还原气氛为氢气气氛，中性气氛为氮气气氛。
6.根据权利要求1所述的高荧光酚醛树脂基碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）的溶剂为二甲亚砜或/和蒸馏水。
7.权利要求1至6任一项所述的制备方法制备的高荧光酚醛树脂基碳量子点在活细胞成像、活细胞标记和荧光示踪中的应用。
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