CN110194447A - 采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法 - Google Patents

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陈卫丰
申佳露
吕果
徐旺旺
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Abstract

本发明提供了一种采用脱氧核糖核酸(DNA)为前驱体合成石墨烯量子点(GQDs)的方法。合成过程仅以DNA和去离子水为原料，不添加任何其它化学试剂，在高压水热釜中按一定比例混合脱氧核糖核酸和去离子水反应后，产物用高速离心机离心分离得到上层清液即石墨烯量子点水溶液。用DNA为前驱体制备的石墨烯量子点具有良好的分散性和稳定性，粒径分布均匀，具有优异的荧光特性，有望应用于生物细胞成像。本发明的合成方法简单、绿色，所得到的GQDs产品质量高。

Description

采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法
技术领域
本发明涉及采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的新方法，属于纳米材料领域。更具体指仅以DNA与去离子水为原料，不添加其他氧化剂合成GQDs的绿色方法，所得到的GQDs具有良好的分散性和稳定性，粒径分布均匀，具有优异的荧光特性，有望应用于生物细胞成像。
背景技术
英国科学家在2004年首次制备了由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体-石墨烯, 其厚度只有0.3354 nm，是目前世界上发现最薄的材料。由于石墨烯超大的平面共轭结构，石墨烯中的π电子具有显著的离域效应。因此，较大二维尺寸的石墨烯片具有零带隙的半金属材料特性，这限制了石墨烯在光电器件和半导体等领域的应用。如何打开石墨烯带隙，将其从半金属材料转变成半导体材料，是亟待解决的重大问题。目前，打开石墨烯带隙的方法主要有两种，一种是对石墨烯进行化学掺杂以破坏其π电子共轭体系。另外一种是基于量子效应，将石墨烯切割成纳米带、纳米筛或石墨烯量子点（GQDs）。GQDs是近年来颇为热门的一种新型碳材料，具有多种引人关注的性质，比如光致发光可调、生物相容性良好和光稳定性优异等等，在生物医学、光电、能源或传感器等相关领域具有良好的应用前景。石墨烯量子点的合成通常需要将石墨烯、氧化石墨烯、碳纤维等含碳前体材料“切”得更小，所用方法包括化学氧化、水热或溶剂热处理等，需要强酸、强氧化剂等较为苛刻的条件，环境风险和健康风险较高，显然不符合“绿色化学”的发展趋势。而且，这些方法所用原材料成本较高、不易获得，所得产品含酸或金属残留，需要较为复杂的后处理步骤。同时，这些方法或者原料所制备的GQDs其质量较低。因此，寻找新的碳源或新的绿色方法制备出品质较高的GQDs引起了各国学者的广泛关注。
发明内容
针对上述技术问题，本发明方法创造性地将DNA用作GQDs的含碳前驱体。只用GQDs和去离子水，通过水热反应一锅法高效地制备了GQDs。反应无需强酸和氧化剂，没有涉及任何金属试剂，所得产物除石墨烯量子点之外，仅包括水和碳化物沉淀，后处理极为方便。
本发明的技术方案仅以脱氧核糖核酸和去离子水为原料，在高压水热釜中混合二者反应后，产物用高速离心机分离即可得到石墨烯量子水溶液。
本发明的所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成的石墨烯量子点，平均粒径为1.89nm，制备的石墨烯量子点的紫外吸收在201nm与260nm有特征峰。
采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，包括如下步骤：
（1）在容器内加入脱氧核糖核酸，再加入去离子水，搅拌分散至完全溶解，
得到脱氧核糖核酸溶液；
（2）将步骤（1）中得到的脱氧核糖核酸溶液加入高压水热釜，高压反应得
到棕黄色物料；
（3）将步骤（2）中得到的棕黄色物料经离心，分离出的上层棕黄色透明液体，即为GQDs的水溶液。
所述的步骤（1）中去离子水与脱氧核糖核酸的质量比为25 ~ 150：10 ~ 25。
所述的脱氧核糖核酸取自鱼精。
所述的步骤（2）中的压力为8-10Mpa以内，升温至150-250℃，水热反应2-15h。
所述的步骤（3）中离心分离转速为3000-15000r/min。
本发明的技术方案中所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的新方法，仅以脱氧核糖核酸与去离子水为原料，不添加其他氧化剂合成石墨烯量子点的绿色合成方法，所得到的石墨烯量子点具有良好的水分散性和稳定性，粒径分布均匀，具有优异的荧光特性，可用于生物细胞成像。
所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的新方法创造性地将脱氧核糖核酸用作石墨烯量子点的含碳前驱体。只用脱氧核糖核酸和去离子水，通过水热反应一锅法高效地制备了高品质的石墨烯量子点。反应无需强酸和氧化剂，没有涉及任何金属试剂，所得产物除石墨烯量子点之外，仅包括水和碳化物沉淀，后处理极为方便。在反应过程中，DNA首先发生水解，生成低分子有机化合物，比如脱氧核糖等，然后脱氧核糖在水热条件下发生碳化成环反应，形成石墨烯量子点。
附图说明
图1为实施例1所制备的石墨烯量子点的XRD谱图。
图2为实施例1所制备的石墨烯量子点的TEM照片。
图3为实施例1所制备的石墨烯量子点的粒径分布统计图。
图4为实施例1所制备的石墨烯量子点的紫外吸收光谱图。
具体实施方式
实施例1
取25mg的脱氧核糖核酸，于50mL烧杯中，加入25mL去离子水，用玻璃棒搅拌至充分溶解；将该溶液转移至50mL高压水热釜中，放置鼓风干燥箱，调节温度为180℃，反应8h；将反应得到的棕黄色溶液离心，速度为10000r/min，用吸管分离上清液，即可得到石墨烯量子点溶液，产率可达54%。
实施例2
取20mg的脱氧核糖核酸，于50mL烧杯中，加入30mL去离子水，用玻璃棒搅拌至充分溶解；将该溶液转移至50mL高压水热釜中，放置鼓风干燥箱，调节温度为170℃，反应12h；将反应得到的棕黄色溶液离心，速度为8000r/min，用吸管分离上清液，即可得到石墨烯量子点溶液，产率可达51%。
实施例3
取15mg的脱氧核糖核酸，于25mL烧杯中，加入10mL去离子水，用玻璃棒搅拌至充分溶解；将该溶液转移至25mL高压水热釜中，放置鼓风干燥箱，调节温度为190℃，反应10h；将反应得到的棕黄色溶液离心，速度为12000r/min，用吸管分离上清液，即可得到石墨烯量子点溶液，产率可达47%。

Claims (5)

1.采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在容器内加入脱氧核糖核酸，再加入去离子水，搅拌分散至完全溶解，得到脱氧核糖核酸溶液；
（2）将步骤（1）中得到的脱氧核糖核酸溶液加入高压水热釜，高压反应得到棕黄色物料；
（3）将步骤（2）中得到的棕黄色物料经离心，分离出的上层棕黄色透明液体，即为GQDs的水溶液。
2.根据权利要求1所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，其特征在于，步骤（1）中去离子水与脱氧核糖核酸的质量比为25 ~ 150：10 ~ 25。
3.根据权利要求1所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，其特征在于，所述的脱氧核糖核酸取自鱼精。
4.根据权利要求1所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，其特征在于，步骤（2）中的压力为8-10Mpa以内，升温至150-250℃，水热反应2-15h。
5.根据权利要求1所述的采用脱氧核糖核酸为前驱体合成石墨烯量子点的方法，其特征在于，步骤（3）中离心分离转速为3000-15000r/min。
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