CN104845619A - 一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，包括以下步骤：1)将一水柠檬酸和乙二胺混合并搅拌均匀，得混合溶液；2)将步骤1)的混合溶液置于微波反应器中进行反应，温度设定为130℃；3)冷却，得褐色液体产物，将褐色液体产物注入透析袋中透析，透析袋的分子量为500Da，收集透析袋中液体，进行旋转蒸发浓缩，对浓缩后的样品冷冻干燥即得荧光碳点。本发明操作简单，原料易得且价格便宜。反应条件可以调控，所得碳量子点量子产率高，解决了现有荧光碳点的制备方法因工艺和原料限制无法快速规模化生产，解决了碳量子点荧光产率较低的问题，本发明的荧光碳点可用于金属离子检测、生物标记、生物影像等。

Description

一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法

技术领域

本发明涉及化学及纳米材料科学领域，更具体地说，本发明涉及一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法。

背景技术

碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种，也称为碳点、碳纳米点和碳纳米晶，是尺寸大小在10nm以下的、单分散的、几何形状近乎准球型的一种新兴的碳纳米功能材料。相对于传统的半导体量子点和有机染料，荧光碳量子点粒径小，水溶性好，化学惰性高，易于功能化，耐光漂白，低毒性，并且具有良好的生物相容性，同时传统的半导体量子点和有机染料的制备方法繁琐，价格昂贵，环境不友好，易发生光漂白等问题。

荧光碳量子点的诸多领域的应用，集结了众多研究者对其制备方法、性能优化、应用拓展方面研究的兴趣和探索的步伐。近年来众多研究者利用不同的方法，不同的原料制备了结构、组成相似或有差异的一系列的碳量子点，并且有的研究者对其进行修饰例如：结合金属粒子、金属化合物、有机聚合物、元素沉积和包覆等，丰富了碳量子点在生物科学、化学科学和物理科学方向的新应用。

碳量子点的制备方法目前主要有两种：自上而下法和自下而上法。自上而下的合成方法，即从较大的碳结构剥落制备碳纳米颗粒的物理方法，再通过聚合物表面钝化的方式使其有效发光，主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、电子书辐射等。该方法往往需要严格的实验条件和特殊的能源，成本高，而且获得的碳量子产率比较低。自下而上的合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成荧光碳量子点，方法包括：燃烧法、热液碳化法、超声法等，但这类方法所采用的往往都是不可再生能源且需要严格的后期处理，所以也不利于持续并规模生产荧光碳量子点。因此，寻找廉价易得、天然无毒的原料，利用简易有效的方法快速制备光学异性优异且高量子产率的碳量子点显得尤其重要。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种荧光碳点的合成方法，利用一水柠檬酸和乙二胺为原料，获得高产率的荧光碳点。

本发明还有一个目的是利用微波反应器完成荧光碳点的合成，相较于传统合成方法，大大缩短了合成时间。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，包括以下步骤：

1)将一水柠檬酸和乙二胺混合并搅拌均匀，得混合溶液；

2)将步骤1)的混合溶液置于型号为CEM Discover的微波反应器中进行反应，温度设定为130℃；

3)冷却，得褐色液体产物，将所述褐色液体产物注入透析袋中透析，所述透析袋的分子量为500Da，收集透析袋中液体，进行旋转蒸发浓缩，对浓缩后的样品冷冻干燥即得荧光碳点。

优选的是，其中，所述旋转蒸发浓缩的条件为：旋转蒸发仪的温度设定为50℃，设定旋转蒸发的时间为10min。

优选的是，其中，所述步骤3)中将微波反应后的溶液冷却至50℃。

优选的是，其中，所述步骤1)中一水柠檬酸的用量为0.42g，乙二胺的用量为400μL，将两者溶于5mL的超纯水中，得所述混合溶液。

优选的是，其中，步骤2)中，微波反应器设定的时间为15分钟，微波反应器的功率为80w。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供方法操作简单，不需要进行后期的强酸或表面钝化处理，仅通过微波处理，在130℃下就可合成荧光碳点。

2、在用微波反应器处理时发现，当使用一水柠檬酸和乙二胺作为原料时，荧光碳点的产率最高-可达到80％左右。

在用微波反应器处理时，反应仅需15分钟，便能得到高效率的碳量子点。

3、本发明得到的荧光碳点和传统方法得到的荧光碳点相比，本发明的荧光碳点的荧光行为在生物成像和生物标记中效果更佳。

总之，本发明操作简单，原料易得且价格便宜。反应条件，例如，温度和时间均可以调控，所得碳量子点量子产率高，解决了现有荧光碳点的制备方法因工艺和原料限制无法快速规模化生产，解决了碳量子点荧光产率较低的问题，本发明的荧光碳点可用于金属离子检测、生物标记、生物影像等。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的荧光碳点的紫外吸收光谱、荧光发射光谱以及荧光激发光谱图；

图2为本发明所述的荧光碳点的荧光发射曲线随激发波长变化的光谱图；

图3为本发明所述的碳点荧光量子产率图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，包括以下步骤：

1)将一水柠檬酸和乙二胺混合并搅拌均匀，得混合溶液；

2)将步骤1)的混合溶液置于型号为CEM Discover的微波反应器中进行反应，温度设定为130℃；

3)冷却，得褐色液体产物，将所述褐色液体产物注入透析袋中透析，所述透析袋的分子量为500Da，收集透析袋中液体，进行旋转蒸发浓缩，对浓缩后的样品冷冻干燥即得荧光碳点。

其中，所述旋转蒸发浓缩的条件为：旋转蒸发仪的温度设定为50℃，设定旋转蒸发的时间为10min。

其中，所述步骤3)中将微波反应后的溶液冷却至50℃。

其中，所述步骤1)中一水柠檬酸的用量为0.42g，乙二胺的用量为400μL，将两者溶于5mL的超纯水中，得所述混合溶液。

其中，步骤2)中，微波反应器设定的时间为15分钟，微波反应器的功率为80w。

为了进一步说明本发明的优点，利用实施例1中所得的荧光碳点进行进一步的分析。

图1为本发明实施例1所述的荧光碳点的紫外吸收光谱、荧光发射光谱以及荧光激发光谱图，从图1可以看到该荧光碳点的紫外特征吸收峰在280-400nm，该荧光碳点在340nm处吸光度最强，在荧光激发光谱中，该荧光碳点的最大激发波长为342nm，与该碳点的紫外吸光度最强处相应，在荧光发射光谱中，该荧光碳点的最大发射波长为442nm。

为了确定该碳点的最佳激发波长，设置350nm-420nm范围的激发波长对荧光碳点进行试验，从图2可知，在350nm-420nm的激发波长中，随着激发波长的增加，该荧光碳点的荧光强度逐渐下降，但其发射峰位置并不移动，这种不受激发光影响的荧光行为在生物成像和生物标记中较现有的荧光碳点具有很大优势。

根据图3中氮掺杂量子点构成直线的斜率和硫酸奎宁点构成直线的斜率的比值乘以硫酸奎宁的量子产率(硫酸奎宁为标准量，其量子产率为54％)可以计算得出本发明的量子产率为80.6％。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将一水柠檬酸和乙二胺混合并搅拌均匀，得混合溶液；

2)将步骤1)的混合溶液置于型号为CEM Discover的微波反应器中进行反应，温度设定为130℃；

3)冷却，得褐色液体产物，将所述褐色液体产物注入透析袋中透析，所述透析袋的分子量为500Da，收集透析袋中液体，进行旋转蒸发浓缩，对浓缩后的样品冷冻干燥即得荧光碳点。

2.如权利要求1所述的快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，其特征在于，所述旋转蒸发浓缩的条件为：旋转蒸发仪的温度设定为50℃，设定旋转蒸发的时间为10min。

3.如权利要求2所述的快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，其特征在于，所述步骤3)中将微波反应后的溶液冷却至50℃。

4.如权利要求3所述的快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，其特征在于，所述步骤1)中一水柠檬酸的用量为0.42g，乙二胺的用量为400μL，将两者溶于5mL的超纯水中，得所述混合溶液。

5.如权利要求4所述的快速、高量子产率荧光碳点的合成方法，其特征在于，步骤2)中，微波反应器设定的时间为15分钟，微波反应器的功率为80w。