CN104694120A

CN104694120A - 荧光富氮量子点的制备方法及其产品和用途

Info

Publication number: CN104694120A
Application number: CN201510038232.0A
Authority: CN
Inventors: 汤新景; 陈修贤
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: CN104694120B

Abstract

本发明公开了一种荧光富氮量子点(N-dots)的制备方法及其产品和用途。包括：(1)将式Ⅰ所示化合物溶于甲醇或水等溶剂中进行加热反应或光照反应；(2)除去反应产物中的溶剂，干燥；除去干燥产物中的反应原料，再干燥，加水重分散得到水溶液；(3)水溶液过滤膜，滤液干燥，得到粗品富氮量子点；利用排阻色谱法从粗品富氮量子点中分离出三种光学性质不同的富氮量子点，含氮量最高可达34.48％，粒径小于10nm，荧光性质优异，水溶性好，可制备成荧光墨水或生物相容性染料应用于各种研究领域。本发明采用单一小分子为起始原料在温和条件下制备得到荧光性质优良的富氮量子点，该方法重复性好并可人为控制反应进程，量子效率高。

Description

荧光富氮量子点的制备方法及其产品和用途

技术领域

本发明涉及一种新型量子点的制备方法及其产品，尤其涉及一种高含氮量荧光氮量子点的制备方法以及由该方法制备得到的量子点产品，本发明进一步涉及该高含氮量荧光碳量子点在制备成荧光标示材料应用于生命科学、材料科学、物理科学、化学科学等研究领域中的用途，属于量子点的制备和应用领域。

背景技术

近年来，量子点越来越受科研工作者们的关注。量子点粒径较小，粒径范围一般在1～20nm，其电子和空穴被量子限域，因而表现出许多独特的物理性质，其中以其优异的光学性质最为突出。由于量子点具有一般有机荧光染料无法比拟的独特的荧光光谱性能，如：无光漂白性，较宽的激发波长范围，发射波长可控等，已引起生命科学领域研究者的极大兴趣。但荧光量子点中所含重金属具有潜在的长期毒性及环境污染，荧光碳量子点的发现则很好的弥补了这一缺陷。

碳量子点具有杰出的生物安全性和生物相容性，同时具备了量子点独特的光学性质，现已被广泛用于生命科学、材料科学、物理科学、化学科学等热点研究领域。碳量子点合成包括激光消融法、燃烧法、电化学法、水热法、超声法、微波法、紫外照射法等方法。上述碳量子点合成方法中反应条件均较剧烈并需要强酸或强碱氧化，且未经修饰的碳点量子效率低，反应原料不够单一，反应较难重复等。此外，碳量子点合成过程中起始原料均为石墨或有机分子且组分复杂，对于碳点的形成机制研究增添了很大难度，有待改进。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种反应条件温和、原料单一、反应可控且重复性好的荧光富氮量子点的方法；

本发明的目的之二是提供一种由所述方法制备得到荧光富氮量子点，该荧光富氮量子点具有较高的氮含量、水溶性好且荧光性质优良。

本发明的目的之三是将所制备的荧光富氮量子点制备成荧光标示材料应用于生命科学、材料科学、物理科学、化学科学等研究领域。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提供了一种荧光富氮量子点的制备方法，该方法包括：

(1)将式Ⅰ所示的化合物溶于甲醇或水等溶剂中进行加热反应；或者将式Ⅰ所示的化合物溶于甲醇或水等溶剂中进行光照反应；

其中，X为氮；Y为氮、硫、氧或硒；Z为碳或氮；

(2)除去反应产物中的甲醇，干燥；除去干燥产物中的反应原料，再干燥；干燥产物加水重分散得到水溶液；(3)将水溶液过滤膜，滤液真空冷冻干燥，得到粗品富氮量子点。

优选的，所述式Ⅰ化合物为2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑；

为了达到更好的效果，优选的，步骤(1)中将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇中至其终浓度为3～10mg/ml；

步骤(1)中所述的加热反应的反应温度优选为50-100℃，更优选为70℃；所述的加热反应时间优选为12-48小时，更优选为24小时；如选用光照反应，所述的光照反应在以下条件下进行：光照波长300-400nm，光照时间30-120分钟；优选的，光照波长为365nm，光照时间为30-60分钟。

步骤(2)中优选采用减压旋转蒸发的方式和冷冻干燥的方法除去反应产物中的溶剂；

步骤(3)中优选将水溶液依次过0.8μm、0.45μm及0.22μm的滤膜。

为了解决粗品富氮量子点粒径分布不均的问题，本发明利用排阻色谱法成功分离出三种光学性质不同的三种组分(N-dot1、N-dot2、N-dot3)，含氮量最高可达34.48％。分离所得三组分后经FTIR，HRTEM，AFM及详细的光学性质检测，三组分的性能得到进一步的表征及验证。

为此，本发明提供了三种光学性质不同的荧光富氮量子点，分别为：

第1种组分(N-dot1)：荧光富氮量子点的粒径分布范围为2.07±0.61nm，氮元素含量为18.92％，碳元素含量为21.75％，氢元素含量为3.34％

第2种组分(N-dot2)：荧光富氮量子点的粒径分布范围为4.62±0.64nm，氮元素含量为31.21％，碳元素含量为31.12％，氢元素含量为3.85％；

第3种组分(N-dot3)：荧光富氮量子点的粒径分布范围为5.39±0.80nm，氮元素含量为34.48％，碳元素含量为24.51％，氢元素含量为4.72％。

此外，X射线衍射证明上述三种荧光富氮量子点的衍射峰较宽且最大峰值均在23°左右，表明N-dot1、N-dot2和N-dot3具有相似的结晶的核和无定型表面结构。

本发明进一步提供了一种制备上述三种荧光富氮量子点(N-dot1、N-dot2和N-dot3)的方法，该方法包括以下步骤：

(1)将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇或水中，于70℃的温度条件下加热反应；或者将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇或水中在光照条件下进行光照反应；(2)除去反应产物中的溶剂后干燥，将干燥物中的反应原料除去，再干燥；干燥产物加水重分散得到水溶液；(3)将水溶液过滤膜，滤液真空冷冻干燥，得到粗品富氮量子点；(4)将粗品富氮量子点经葡聚糖凝胶G-25色谱柱纯化，展开剂为水：甲醇＝95:5，根据洗脱的先后顺序，分离得到三种荧光富氮量子点分，依次为N-dot1，N-dot2和N-dot3。

为了达到更好的效果，优选的，步骤(1)中将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇中至其终浓度为3-10mg/ml；

步骤(1)中所述的加热反应时间优选为12-48小时，更优选为24小时；所述的光照反应在以下条件下进行：光照波长300-400nm，光照时间30-120分钟；优选的，光照波长为365nm，光照时间为30-60分钟。。

步骤(2)中优选采用减压旋转蒸发和冷冻干燥的方式除去反应产物中的溶剂；

步骤(3)中优选将水溶液依次过0.8μm，0.45μm及0.22μm的滤膜。

本发明将葡聚糖凝胶G-25色谱柱分离得到的三种光学性质不同的荧光富氮量子点(N-dot1、N-dot2和N-dot3)，本发明将三种组分分别进行了FTIR，HRTEM、AFM及光学性质检测或表征。

紫外-可见光吸收图谱表明，N-dot1及N-dot2有着相似的紫外吸收曲线，并在310nm处有着较弱的吸收峰，而N-dot3除在310nm处有着较弱的吸收峰外，在400-500nm范围内有较宽的肩峰。

从荧光发射谱图可见，在340-500nm内，以20nm的间隔逐渐改变激发波长，N-dot1和N-dot2会随着激发波长的改变而发射波长不断红移，并伴随着荧光强度的降低，与传统碳量子点相似。而N-dot3则表现出较特殊的荧光性质，当激发波长在340-400范围内，其荧光发射峰会伴随着激发波长的增加而红移，当激发波长大于400nm时，其发射峰则稳定在515nm左右，且荧光强度仅有微弱变化。

荧光量子效率测定结果表明，三组分N-dot1,N-dot2和N-dot3的荧光量子效率依次为10.4％,14.3％,8.9％，均具有良好的量子效率。

为了进一步验证并区分三组分N-dot1，N-dot2和N-dot3，本发明采用透射电子显微镜(TEM)，原子力显微镜(AFM)对其拓扑学结构进行表征。根据TEM(HRTEM)拍摄的晶格结构图可见，三组分均有着较优的单分散性并呈圆球形且晶型良好。进一步的AFM表征再次验证了三组分良好的分散性及球形结构，通过对AFM图像中约70个左右的粒子的高度进行统计学计算可知三组分N-dot1，N-dot2和N-dot3的粒径分布依次为2.07±0.61nm,4.62±0.64nm和5.39±0.80nm。更进一步的X射线衍射发现三组分的衍射峰较宽且最大峰值均在23°左右，表明N-dot1、N-dot2和N-dot3具有相似的晶核结构和表面的无定型结构。其XRD(X射线衍射)图谱结果与HRTEM数据共同证明了柱分离出的三组分(N-dot1，N-dot2和N-dot3)的可能结构是由无定型结构包裹的具有晶型核心的球形结构。

为了进一步了解三组分富氮量子点的性质，验证其表面功能基团及所包含化学键，本发明分别对N-dot1、N-dot2和N-dot3作红外谱图(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)分析。FTIR谱图表明N-dot1、N-dot2和N-dot3有着相似的表面功能基团，如-OH or N-H,CH,C–O–C(醚),C＝O或C＝N等。三组分的XPS图谱显示所得富氮量子点主要组分为氮、碳、氧，对X射线光电子能谱峰面积积分可知三组分均含有较高的含氮量，这与元素分析的结果一致。XPS窄区谱(高分辨谱)同样也表明N-dot1、N-dot2和N-dot3有着相似的功能基团，如：C-O，-NH₂，-OH等，确保了本发明富氮量子点具有优良的水分散性。

本发明采用单一的小分子为起始原料在甲醇或水等溶剂中于温和条件下反应一定时间即可得到荧光性质优良的粗品富氮量子点，该方法重复性优良并可人为有效地控制反应进程，不需要苛刻的反应条件，也不需要进一步的表面钝化即可得到较高量子效率的碳量子点，其量子效率高达14％。此外，通过改变反应温度及反应时间，能够可控调节碳量子点的荧光性质。

为了解决粗品富氮量子点粒径分布不均的问题，本发明利用排阻色谱法成功分离出三种光学性质不同的富氮量子点组分(即：N-dot1、N-dot2、N-dot3)，含氮量最高可达34.48％(目前已报道文献中，碳量子点中含氮量最高约为12％，而且主要是碳量子点的表面N元素修饰)，粒径小于10nm，碳氮元素比例接近甚至超过1：1，而且表面和整体的元素分析表明氮原子在纳米粒子晶核和表面都具有高的分布，这说明本发明制备的量子点是一种全新的富氮量子点。

本发明分离所得的富氮量子点荧光性质优异，水溶性好，生物安全性和生物相容性好，拥有较高的量子效率且在不同激发波长下，发射波长随之改变，以上这些性质使本发明的富氮量子点作为荧光染料有着很高的应用价值，譬如，可作为研究工具或材料(例如荧光墨水、生物相容性染料等)广泛应用于生命科学、材料科学、物理科学、化学科学等领域。

附图说明

图1为本发明荧光富氮量子点的合成路线图。

图2为不同反应温度条件下所得粗品富氮量子点的荧光发射谱:a)50℃；b)70℃；c)100℃，激发波长由300到500nm每隔20nm激发一次。

图3为粗品富氮量子点的紫外-可见吸收谱及其在360nm激发下的荧光发射谱。

图4为三种组分(N-dot1，N-dot2和N-dot3)紫外-可见光吸收图谱以及荧光发射谱图；a为三种组分的的紫外-可见吸收谱(66.7μg/mL)；激发波长由300到500nm每隔20nm激发一次的荧光发射谱；b-d为三种组分的荧光发射谱图；b)N-dot1；c)N-dot2；d)N-dot3。

图5为三种组分(N-dot1，N-dot2和N-dot3)的TEM图片以及AFM图片；a-c为N-dot1、N-dot2及N-dot3的TEM图片，a-c图片中插入的图片为HRTEM图片；d-f为N-dot1、N-dot2和N-dot3的AFM图片。

图6为基于AFM的三种组分(N-dot1，N-dot2和N-dot3)的粒径分布柱状图；a)N-dot1；b)N-dot2；c)N-dot3。

图7为三种组分(N-dot 1、N-dot 2和N-dot 3)的XRD图谱。

图8为三种组分(N-dot1、N-dot2和N-dot3)的FTIR图谱(a)及XPS全谱(b)。

图9为本发明富氮量子点的应用效果实验；a,b)是以本发明制备的富氮量子点溶液为荧光墨水写出的毛笔字；(“p”,“k”,“u”三个字母所用染料依次为50℃，70℃，100℃条件下制备所得富氮量子点溶液(0.3mg/ml),英文“N-Dot”书写所用染料与“p”所用相同)，该荧光图片是在手提紫外(365nm)下激发拍摄；c-f为棉花纤维经本发明制备的富氮量子(0.3mg/mL)染色后的显微图片，明场及荧光图片；g-j)为线虫经本发明富氮量子(0.5mg/mL)染色后的显微图片，明场及荧光图片；棉花纤维及线虫荧光显微图片分别在紫外、蓝光及绿光三种通道下激发下拍摄；c-k中所用荧光染料为100℃条件下制备所得富氮量子点溶液；图中所示刻度大小为50μm。

具体实施方式

下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但是应理解所述实施例仅是范例性的，不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改或替换均落入本发明的保护范围。

实验材料

2-氨基咪唑硫酸盐由北京耦合购得；2，4，6-三氯-1，3，5-三嗪(Adamas)；3-氨基-1，2，4-三氮唑(阿拉丁)；3-氨基吡唑(J&K)；2-氯苯并咪唑(J&K)；葡聚糖凝胶G-25(Pharmacia)。

实施例1 反应原料的合成

2-叠氮咪唑的合成

2-叠氮咪唑硫酸盐(3.30g,25.0mmol)溶于HCl水溶液(5.0mol/L,20mL)，于冰水浴下冷却至0℃，后逐滴加入NaNO₂(1.73g，25.1mmol)水溶液和NaN₃(1.63g,25.1mmol)水溶液。混合液由0℃缓慢升值室温，后在室温下搅拌反应20h。停止反应，用固体NaHCO₃调节pH至中性后，乙酸乙酯萃取(3×50mL)，无水Na₂SO₄干燥，过滤，滤液旋干即得到黄色粉末。所得黄色粉末通过硅胶柱纯化(展开剂石油醚:乙酸乙酯＝1:1)，最终得2.31g黄色晶型固体，产率84.7％。¹HNMR(DMSO)δ[ppm]6.88(s，1H)；¹³CNMR(DMSO)δ[ppm]139.91，127.33，116.24。FTIR(cm^-1)-N₃2132cm^-1。

2-叠氮苯并咪唑(化合物1)的合成

化合物1的合成参考已报道文献。首先将2-氯苯并咪唑(0.315g,2.00mmol)与水合肼(2mL)于耐压瓶中160℃搅拌反应5h。反应结束后，室温下冷却得白色针状结晶，重结晶的淡黄色固体(0.225g)。将所得固体(0.225g,1.49mmol)溶解于8.0mL 17％HCl和4.0mL的乙醇溶液,冰浴将至0℃后，缓慢滴加NaNO₂(0.204g,2.96mmol)水溶液，并于冰浴下继续搅拌30min，然后升至室温反应过夜。停止反应后，NaOH调pH至中性,乙酸乙酯萃取3～4次，有机相干燥后旋干。所得粗产物经硅胶柱纯化(展开剂石油醚:乙酸乙酯＝1:2),得0.218g黄色固体，两步反应总产率为67.3％。¹HNMR(DMSO)δ[ppm]12.52(s，1H)，7.49(d，2H)，7.15(m，2H)；¹³CNMR(DMSO)δ[ppm]147.92，122.23，117.80，111.30；FTIR(cm^-1)N₃2147cm^-1

3-叠氮-1，2，4-三氮唑(化合物2)及3-叠氮吡唑(化合物3)的合成

3-叠氮-1，2，4-三氮唑及3-叠氮吡唑的合成与2-叠氮咪唑的合成方法类似。化合物2的合成以3-氨基-1，2，4-三氮唑为起始原料合成，最终得白色固体，产率89.3％，¹HNMR(DMSO)δ[ppm]14.34(s,1H),8.49～8.61(m,1H)；¹³CNMR(DMSO)δ[ppm]152.50,146.47.FTIR(cm^-1)N₃2148cm^-1。

化合物3的合成以3-氨基吡唑为起始原料，最终得米黄色固体，产率77.2％，¹HNMR(DMSO)δ[ppm]12.72(s,1H)，7.74(s，1H)，6.01(s，1H)；¹³CNMR(DMSO)δ[ppm]146.53，131.14，95.24；FTIR(cm^-1)N₃2122cm^-1

2，4，6-三叠氮-1，3，5-三嗪(化合物4)

2，4，6-三氮唑-1，3，5-三嗪的合成方法参考已报道文献。将2，4，6-三氯-1，3，5-三嗪(0.921g，5.00mmol)的丙酮溶液与NaN₃(1.04g,16.0mmol)水溶液充分混合,于30℃搅拌反应2h后，停止反应。反应液加水稀释，然后乙酸乙酯(3×30ml)萃取，合并有几层，无水NaSO₄干燥，过滤，旋干,所得粗品经硅胶柱(展开剂石油醚:乙酸乙酯＝3:1)纯化,得0.760g米黄色固体，产率74.5％。¹³CNMR(DMSO)δ[ppm]171.55；FTIR(cm^-1)N₃2114,2158,2193cm^-1。

实施例2 荧光富氮量子点的制备

方法一：2-叠氮咪唑(0.360g)的甲醇溶液(75ml)于70℃搅拌反应24小时。反应结束后，减压旋转蒸发除去甲醇，干燥，所得残渣用乙酸乙酯洗涤3～4次至反应原料(2-叠氮咪唑)消失，再干燥；干燥产物加水重分散，水溶液依次过0.8μm，0.45μm及0.22μm滤膜，滤液真空冷冻干燥得0.120g红棕色固体，粗品产率33％。所得粗品富氮量子点进一步经葡聚糖凝胶G-25色谱柱(所用色谱柱柱子内径1.5cm，凝胶柱高20-30cm，上样量<100mg，流速约为0.2ml/min)纯化，展开剂为水：甲醇＝95:5，根据洗脱先后顺序(首先洗脱出来的是组分命名为N-dot1，其次是N-dot2，最后洗脱出来的组分命名为N-dot3)，最终分离得到三组分，依次为N-dot1，N-dot2和N-dot3。

方法二：2-叠氮咪唑(0.109g)分散于15ml去离子水中，70℃搅拌反应24小时。反应结束后，加反应液10倍体积的四氢呋喃(THF)使目标产物沉降，后用THF继续离心洗涤3次至2-叠氮咪唑消失，再干燥，干燥产物加水重分散，水溶液依次过0.8μm，0.45μm及0.22μm滤膜，滤液真空冷冻干燥，得黑色粉末，其水溶液荧光颜色为蓝色荧光。

方法三：2-叠氮咪唑(0.050g)溶于5ml甲醇，选定激发波长365nm，荧光强度50mW/cm²，室温下光照搅拌反应1小时。反应结束后，减压旋转蒸发除去甲醇，干燥，所得残渣用乙酸乙酯洗涤3～4次至反应原料(2-叠氮咪唑)消失，再干燥，干燥产物加水重分散，水溶液依次过0.8μm，0.45μm及0.22μm滤膜，滤液真空冷冻干燥得红棕色粉末，其水溶液荧光颜色为蓝绿色荧光。

方法四：以2-叠氮苯并咪唑为起始原料合成富氮量子点，2-叠氮苯并咪唑(0.050mg)溶于5ml甲醇，选定激发波长365nm，荧光强度50mW/cm²，室温下光照搅拌反应1小时，反应结束后，溶液荧光为蓝绿色荧光量子点。

方法五：以3-叠氮吡唑为起始原料合成富氮量子点，3-叠氮吡唑(0.050mg)溶于5ml甲醇，选定激发波长365nm，荧光强度50mW/cm²，室温下光照搅拌反应1小时，反应结束后，365nm波长光照下，溶液有微弱蓝绿色荧光量子点。

实施例3 不同反应温度条件下制备荧光富氮量子点

通过改变由2-叠氮咪唑生成碳量子点的反应温度，也可得到具有不同荧光性质的富氮量子点。

2-叠氮咪唑的甲醇溶液在50℃条件下反应24后，所得粗品富氮量子点与N-dot3有着相似的光谱学性质，发射峰固定在515nm左右，如图2(a)。当改变反应温度为100℃，其它条件不变，所得粗品富氮量子点则与N-dot1光谱性质类似，随着激发波长的改变，发射峰随之改变，如图2(c)。因此，通过控制2-叠氮咪唑生成碳量子点的反应温度可以有效地控制反应的进度以及所得富氮量子点的荧光性质。

实验例1 荧光富氮量子点合成的反应原料筛选实验

将2-叠氮苯并咪唑(化合物1)、3-叠氮-1,2,4-三氮唑(化合物2)，3-叠氮吡唑(化合物3)，2,4,6-三叠氮-1,3,5-三嗪(化合物4)分别溶于甲醇中，至其终浓度为6mg/ml,然后于玻璃管中70℃反应24h。

实验结果发现在同样的反应条件下，以化合物1和化合物3为起始底物的反应会有微弱的荧光，证明以化合物1和化合物3作为反应原料具有反应可能性，增加反应温度并延长反应时间就能得到荧光富氮量子点。优化实验证明2-叠氮咪唑是最优的富氮量子点的制备原料。

实验例2 三种组分N-dot1，N-dot2和N-dot3的基本光学性质表征

将实施例2制备的粗品富氮量子点配制成水溶液1mg/ml(水溶液a),4℃冰箱保存，备用。将水溶液a经一定稀释后，做荧光及紫外扫描，结果发现紫外和荧光光谱较宽(图3)，表明粗品富氮量子点有着较大的粒径分布范围，这也是碳量子点合成过程中的常见弊端。

为了解决这一弊端，本发明采用了葡聚糖凝胶G-25排阻色谱柱对粗品富氮量子点进行有效分离，最终获得荧光性质表现不同的三种组分，即：N-dot1，N-dot2和N-dot3。进一步的元素分析表明(表1)，三种组分的含氮量呈现递增趋势，其中，第三组分含氮量高达34.48％，比含碳量高出约10％。

表1富氮量子点的元素分析

本实验进一步对N-dot1，N-dot2和N-dot3这三种分离的组分进行了有关性能的检测或表征：

紫外及荧光光学性质表征

将三组分N-dot1，N-dot2和N-dot3分别配制备成1mg/ml水溶液作为母液，4℃冰箱保存，备用。将三组分母液分别经一定稀释后做紫外及荧光扫描，如图4。图4(a)为三组分紫外-可见光吸收图谱，N-dot1及N-dot2有着相似的紫外吸收曲线，并在310nm处有着较弱的吸收峰，而N-dot3除在310nm处有着较弱的吸收峰外，在400-500nm范围内有较宽的肩峰。

图4b～d为三种组分荧光发射谱图，在340-500nm内，以20nm的间隔逐渐改变激发波长，N-dot1和N-dot2会随着激发波长的改变而发射波长不断红移，并伴随着荧光强度的降低，与传统碳量子点相似。而N-dot3则表现出较特殊的荧光性质，当激发波长在340-400范围内，其荧光发射峰会伴随着激发波长的增加而红移，当激发波长大于400nm时，其发射峰则稳定在515nm左右，且荧光强度仅有微弱变化。

荧光量子效率检测

在由2-叠氮咪唑生成碳量子点的过程及后处理中，本发明未对所得碳量子点进行任何修饰，但所得富氮量子点有着较高的量子效率。其计算公式如下：

Φ_u＝Φ_s(Y_u/Y_s)(A_s/A_u)(n² _u/n² _s)

Φ代表荧光量子效率；Y代表所测荧光发射峰积分面积；A代表相应激发波长360nm下所测物质的光学密度；n代表折射率；下标“s”代表硫酸奎宁标准溶液；下标“u”代表着参数未知的富氮量子点。实验过程中，选择360nm为激发波长，以溶解于0.10M H₂SO₄的硫酸奎宁为标准物(360nm激发波长下，量子效率为0.54)。同时，为了降低浓度效应对荧光的干扰,测量荧光积分面积时的溶液浓度应使其在360nm下的紫外吸收值小于0.05。经测定，柱分离三组分N-dot1,N-dot2和N-dot3的荧光量子效率依次为10.4％,14.3％,8.9％。

富氮量子点的拓扑结构表征

为了进一步验证并区分过柱三组分N-dot1，N-dot2和N-dot3，本实验采用透射电子显微镜(TEM)，原子力显微镜(AFM)对其拓扑学结构进行表征，表征结果见图5。图5a-c分别为N-dot1，N-dot2和N-dot3的TEM图片，对应附图为高分辨TEM(HRTEM)拍摄的晶格结构图，由图5可见，三组分均有着较优的单分散性并呈圆球形，且晶型良好。进一步的AFM表征(图5d-f，附高度分布图)再次验证了三组分良好的分散性及球形结构，通过对AFM图像中约70个左右的粒子的高度进行统计学计算,可知三组分的粒径分布依次为2.07±0.61nm,4.62±0.64nm和5.39±0.80nm(图6)。

X射线衍射表征

更进一步的X射线衍射(图7)发现三组分的衍射峰较宽且最大峰值均在23°左右，表明N-dot1、N-dot2和N-dot3具有相似的晶核结构和表面无定型结构。其XRD(X射线衍射)图谱结果与HRTEM数据共同证明了过柱三组分的可能结构是由无定型结构包裹的具有晶型核心的球形结构。

富氮量子点表面功能基团研究

为了进一步了解过柱三组分富氮量子点的性质，验证其表面功能基团及所包含化学键，本实验分别对N-dot1、N-dot2和N-dot3作红外谱图(FTIR)及X射线光电子能谱(XPS)分析。

实验结果见图8。图8a中FTIR谱图表明N-dot1、N-dot2和N-dot3有着相似的表面功能基团，如-OH or N-H,CH,C–O–C(醚),C＝O或C＝N等。三组分的XPS图谱(图8b，全谱)显示所得富氮量子点主要组分为碳、氮、氧，对普峰面积积分可知三组分均含有较高的含氮量，这与元素分析的结果一致。XPS窄区谱(高分辨谱)同样也表明N-dot1、N-dot2和N-dot3有着相似的功能基团，本发明以N-dot1为例对XPS结果进行分析。高分辨碳XPS谱可分峰拟合出四个峰及所代表的四种类型碳：在284.80eV左右的C-C*，在286.31eV左右的C*＝N，在287.52eV左右的C*＝O，以及在288.66eV左右的C*-N或C*-O。高分辨氮XPS谱可分峰拟合为398.31eV，399.23eV，399.91eV和400.69eV四个峰，依次代表着石墨烯类似结构氮,吡啶型氮，吡咯型氮和N*-H。高分辨氧XPS谱可分峰拟合为530.68eV，531.38eV，532.24eV和532.93eV，代表着–O*H，*O＝C-O，C-O及O＝C-O*基团的存在。这些存在于富氮量子点表面的功能基团，如：C-O，-NH₂，-OH等，很好的解释了本发明所得富氮量子点优良的水分散性。

实验例3 高含氮量碳量子点的应用实验

本实验选择不同反应温度(50℃,70℃,100℃)制备富氮量子点溶液作为新型荧光染料进行不同的染色应用；除了温度条件不同外，其余的反应条件均相同，具体的制备方法请见实施例2和实施例3的制备方法。

以上述荧光染料作为“墨水”(量子点浓度为0.3mg ml^-1)，用毛笔在滤纸上写下英文书法(N-dots and P,K,U，图9a,b)，待干燥后，可见光下，滤纸上字体不可见，但于手提紫外下(365nm)可见清晰的荧光字体。荧光书法可于室温下长久保持，稳定性较佳。除此之外，该荧光书法在沾水之后仍能保持较清晰的字体形态，而对比试验(采用荧光素)沾水之后字体变花并模糊不清。

本发明制备的量子点不仅可以作为荧光“墨水”，也可作为荧光染料对棉花纤维、葡聚糖凝胶、蚕丝等染色。图9c-f的实验结果表明棉花纤维在0.3mg ml^-1的100℃温度下制备得到的量子点溶液浸泡2min后再经去离子水清洗便可在倒置显微镜下清晰的观测到不同激发光下(紫外、蓝光、绿光)染色后的棉花纤维会呈现不同的荧光(图9b-e)。而对照组(用去离子水代替量子点溶液染色)在相同拍摄条件下则不可见荧光。此外，本实验还利用氮量子点溶液对线虫进行生物染色，采用0.5mg ml^-1的100℃温度下条件制备得到的量子点溶液对线虫进行染色，可在倒置显微镜下清晰的观测到不同激发光下(紫外、蓝光、绿光)染色后的线虫呈现不同的荧光(图9g-j)。而对照组(用去离子水代替量子点溶液染色)在相同拍摄条件下则不可见荧光。

Claims

1.一种荧光富氮量子点的制备方法，该方法包括：

其中，X为氮；Y为氮、硫、氧或硒；Z为碳或氮；

(2)除去反应产物中的溶剂，将反应产物干燥；除去干燥产物中的反应原料，再干燥；干燥产物加水重分散得到水溶液；(3)将水溶液过滤膜，滤液干燥，得到粗品富氮量子点。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：式Ⅰ所示的化合物为2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中将式Ⅰ所示的化合物溶于甲醇中至其终浓度为3～10mg/ml；步骤(1)中所述的加热反应的反应温度为50-100℃，优选为70℃；所述的加热反应时间为12-48小时，优选为24小时；所述的光照反应在以下条件下进行：光照波长300-400nm，光照时间0-120分钟；优选的，光照波长为365nm，光照时间为30-60分钟。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中将水溶液依次过0.8μm、0.45μm及0.22μm的滤膜。

5.由权利要求1-4任何一项方法制备得到的荧光富氮量子点。

6.一种荧光富氮量子点，其特征在于，选自以下三种组分中的任意一种：

第1种组分：量子点的粒径分布范围为2.07±0.61nm，氮元素含量为18.92％，碳元素含量为21.75％，氢元素含量为3.34％；

第2种组分：量子点的粒径分布范围为4.62±0.64nm，氮元素含量为31.21％，碳元素含量为31.12％，氢元素含量为3.85％；

第3种组分：量子点的粒径分布范围为5.39±0.80nm，氮元素含量为34.48％，碳元素含量为24.51％，氢元素含量为4.72％。

7.一种制备权利要求6所述的荧光富氮量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇或水等溶剂中，在70℃的温度条件下进行加热反应；或者将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇或水等溶剂中在光照条件下进行光照反应；(2)除去反应产物中的溶剂后干燥，将干燥物中的反应原料除去，再干燥；干燥产物加水重分散得到水溶液；(3)将水溶液过滤膜，滤液真空冷冻干燥，得到粗品荧光富氮量子点；(4)将粗品荧光富氮量子点经葡聚糖凝胶G-25色谱柱纯化，展开剂为水：甲醇＝95:5，根据从凝胶柱中的洗脱先后顺序，依次分离得到三种荧光富氮量子点组分，即：N-dot1，N-dot2和N-dot3。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(1)中将2-叠氮咪唑、2-叠氮苯并咪唑或3-叠氮吡唑溶于甲醇或水等溶剂中至其终浓度为3-10mg/ml；步骤(1)中所述的加热反应时间为12-48小时，优选为24小时；

所述的光照反应在以下条件下进行：光照波长300-400nm，光照时间0-120分钟；优选的，所述光照波长为365nm，所述光照时间为30-60分钟。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：步骤(3)中将水溶液依次过0.8μm、0.45μm及0.22μm的滤膜。

10.权利要求5或6所述的荧光富氮量子点在制备荧光标示材料中的用途；优选的，所述的荧光标示材料是荧光墨水或生物相容性荧光染料。