CN105219385A - 一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，包括：将谷氨酸钠在N₂氛围下煅烧，得到碳点粉末；将碳点溶解，超声振荡，过滤，烘干；将烘干的产物溶解，透析，即得。本发明的制备方法操作简便，不需要高压环境，易于产业化。本发明的方法制备得到的碳量子点具有对环境pH发光稳定、量子效率高、无“光眨眼”现象、大小均一、稳定性极高、生物相容性好等优势。

Description

一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法

技术领域

本发明属于碳量子点的制备方法领域，特别涉及一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法。

背景技术

近年来，由于传统的荧光染料和重金属量子点在生物标记和科研应用中，常常在苛刻的环境pH条件下发光性能严重受损，这就限制了这些标记物的应用范围。因此，越来越多的研究开始关注于无机非金属碳颗粒量子点。与传统的生物标记物相比，碳颗粒量子点可以在较大的环境pH波动下正常使用，荧光强度以及其他各方面的光学性质均不会受到影响。因此，无机非金属碳颗粒量子点正是目前生物标记、生物检测、生物探针等科研应用方面的最优异的材料。

目前无机非金属碳量子点的合成方法主要有两种。一种是从上到下的合成方法：粉碎碳源，通过聚合物表面钝化的方式使其有效发光，主要包括电弧放电法、激光法、电化学法、机械粉碎、球磨或化学氧化。这种方法制备的碳点虽然粒径均一度较高，但是耗能过高，除激光灼烧法之外其他方法制备的碳点荧光产率都较低。另外一种方法是从下到上的合成方法：热解或碳化合适前驱物直接合成荧光碳量子点，包括灰烬的氧化或腐蚀法、热解有机物法、微波合成法、超声法、掺杂法。这些方法中大部分都由于能耗过高，污染严重和产品质量不好等局限限制了产品的工业化应用。因此，寻找一种能制备出发光性能优异、绿色无污染且易于工业化的方法是非常有必要的。

通过高温热解的方法制备荧光碳点是一种比较主流的自下而上的荧光碳点制备方法。目前已有报道的，通过微波热解各种氨基酸来制备荧光碳点，但是存在着微波温度不可控(存在局部过热点)以及荧光效率不高等缺点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，该方法简便易行，成本低，制备得到的碳量子点具有pH性质稳定、量子效率高以及粒径分布均一、单分散性好等优势。

本发明的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，包括：

(1)将谷氨酸钠在N₂氛围下煅烧，得到碳点粉末；

(2)将步骤(1)中碳点溶解，超声振荡，过滤，烘干；

(3)将步骤(2)中烘干的产物溶解，透析，得到pH稳定的强发光的碳量子点。

所述步骤(1)中谷氨酸钠的样品为味精。

所述步骤(1)中煅烧的温度为200～500℃，时间为10min～2.5h。

所述煅烧时升温速率为10℃/min。

所述步骤(2)中溶解用的溶剂为乙醇或者水。

所述步骤(2)中超声振荡的时间为10～60min。

所述步骤(2)中过滤为用中速滤纸过滤。

所述步骤(2)中烘干温度为40～90℃。

所述步骤(3)中透析为3000Da～3500Da的透析膜透析12h。

本发明中运用氨基酸盐，即谷氨酸钠，为碳源和氮源，在N₂保护高温条件下，一步完成碳化和掺杂；并且在制备的碳点中引入一定量的Na原子，从而提高产物的荧光效率。由于不需要高压条件和材料简单易得属于工业原料，另外无需污染性溶剂绿色环保，所以以谷氨酸钠为原料制备荧光碳量子点可以实现工业化。通过本发明方法得到的热解产物通过分离纯化透析处理后，得到的碳颗粒量子点具有pH性质稳定，量子产率高发光强度高等诸多优点。这些优点为谷氨酸钠碳量子点在生命科学、分析科学、材料科学、免疫医学、检验检疫等传统及新兴领域的应用打下了良好的基础。

有益效果

(1)本发明的方法操作简单方便，温度要求不高，重复性好，成本低，绿色无污染，易于工业化生产；

(2)本发明的方法得到的量子点具有pH性质稳定、量子效率高(最大可达41.8％，以0.05M硫酸溶液配置硫酸奎标准溶液，以其激发波长313nm以及338nm处紫外吸光度小于0.05时的稀释溶液为标准参比溶液，计算量子产率)、生物相容性好、荧光性能优异(荧光稳定性、无光眨眼和优异的pH特性)、粒径分布均一、单分散性好等优势。

附图说明

图1为实施例1热解法制备无机非金属碳颗粒量子点的工艺流程图；

图2为实施例1热解法制备无机非金属碳颗粒量子点的透射电镜图；

图3为实施例1热解法制备无机非金属碳颗粒量子点的X射线衍射图；

图4为实施例1中热解法制备无机非金属碳颗粒量子点，等质量浓度的碳点溶液在不同环境pH下的荧光强度变化；

图5为实施例2中紫外吸收和荧光复合图谱；

图6为实施例3中紫外吸收和荧光复合图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

(1)将2g谷氨酸钠样品(一般味精)装入小坩埚中，无需研磨，有N₂保护下，煅烧温度为350℃，煅烧时间为30min，升温速率为10℃/min，进行煅烧碳化以及掺杂过程；

(2)将煅烧得到的产物，从坩埚上刮下，研磨充分后，乙醇溶解，超声振荡20min，用中速滤纸过滤后，60℃烘干备用；

(3)用少量所需溶液溶解(2)中干燥产物，用3000Da～3500Da透析膜透析12h，透析外液即为液体产品，干燥后既得固体产品。

图1为本实施例的工艺流程图；图2为热解法制备无机非金属碳颗粒量子点的透射电镜图，从图中可以看到粒子平均粒径约为7.13nm。图3为热解法制备无机非金属碳颗粒量子点的X射线衍射图，从图中可以看出衍射峰位与标准的石墨标准峰位置基本一致(碳点非完美石墨晶型结构的固有特性)。图4为热解法制备无机非金属碳颗粒量子点，等质量浓度的碳点溶液在不同环境pH下的荧光强度变化，可以看出在很多的环境pH变化范围内，产品的荧光强度基本没有变化。

实施例2

(1)将2g谷氨酸钠样品(一般味精)装入小坩埚中，无需研磨，煅烧温度为400℃，升温速率为10℃/min，有N₂保护下，煅烧时间分别为0.5h、1h、1.5h、2h和2.5h，进行煅烧碳化以及掺杂过程；

(2)将煅烧得到的产物，从坩埚上刮下，研磨充分后，加水溶解，超声振荡20min，用中速滤纸过滤后，取滤液用0.22μm水系滤膜再次过滤。

图5为热解法制备无机非金属碳颗粒量子点，煅烧温度为400℃，有N₂保护下，煅烧时间分别为0.5h、1h、1.5h、2h和2.5h的紫外吸收和荧光复合图谱，从图中可以看出煅烧温度相同的条件下，煅烧时间为0.5h的产品荧光强度最高。

实施例3

(1)将2g谷氨酸钠样品(一般味精)装入小坩埚中，无需研磨，煅烧时间为30min，升温速率为10℃/min，有N₂保护下，煅烧温度分别为200℃、300℃、400℃和500℃，进行煅烧碳化以及掺杂过程；

(2)将煅烧得到的产物，从坩埚上刮下，研磨充分后，加水溶解，超声振荡20min，用中速滤纸过滤后，取滤液用0.22μm水系滤膜再次过滤。

图6为热解法制备无机非金属碳颗粒量子点，煅烧时间为30min，有N₂保护下，煅烧温度分别为200℃、300℃、400℃和500℃的紫外吸收和荧光复合图谱，从图中可以看出煅烧时间相同的条件下，煅烧温度为400℃的产品荧光强度最高。

实施例4

(1)将2g谷氨酸钠样品(一般味精)装入小坩埚中，无需研磨，煅烧时间为30min，升温速率为10℃/min，有N₂保护下，煅烧温度为400℃，进行煅烧碳化以及掺杂过程；

(2)将煅烧得到的产物，从坩埚上刮下，研磨充分后，加水溶解，超声振荡20min，用中速滤纸过滤后，取滤液用0.22μm水系滤膜再次过滤。

用实施例4的方法得到1mg/mL碳量子点标准溶液，以硫酸奎宁溶液为参照，分别测试紫外吸收和荧光强度，此荧光碳点的量子产率可达41.8％。以0.05M硫酸溶液配置硫酸奎标准溶液，以其激发波长313nm以及338nm处紫外吸光度小于0.05时的稀释溶液为标准参比溶液，计算量子产率。

Claims (7)

1.一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，包括：

(1)将谷氨酸钠在N₂氛围下煅烧，得到碳点粉末；

(2)将步骤(1)中碳点溶解，超声振荡，过滤，烘干；

(3)将步骤(2)中烘干的产物溶解，透析，得到pH稳定的强发光的碳量子点。

2.根据权利要求1所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中煅烧的温度为200～500℃，时间为10min～2.5h。

3.根据权利要求2所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述煅烧时升温速率为10℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中溶解用的溶剂为乙醇或者水。

5.根据权利要求1所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中超声振荡的时间为10～60min。

6.根据权利要求1所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中过滤为用中速滤纸过滤。

7.根据权利要求1所述的一种pH稳定的强发光的碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中透析为3000Da～3500Da的透析膜透析12h。