CN110669512A - 一种水溶性无毒碳量子点的制备及荧光调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水溶性无毒碳量子点的制备及荧光调控方法，制备方法包括以下步骤：1）制备碳量子点前驱体溶液；2）制备碳量子点：将前驱体溶液移入反应釜中，于200℃反应24h，反应后自然冷却，经透析袋提纯，得到碳量子点；3）荧光调控方法为：利用pH值和反应釜的填充度调控B和N掺杂的碳量子点发光，制备出不同的荧光波长和不同发光强度的碳量子点。本发明的方法操作简单、操作工艺难度低，获得的碳量子点其荧光波长不随激发光能量的变化而变化。

Description

一种水溶性无毒碳量子点的制备及荧光调控方法
本发明涉及一种水溶性无毒碳量子点的制备及荧光调控方法，属于水溶性荧光量子点材料与应用领域。
背景技术
碳量子点在发光，稳定性，生物相容性和低成本方面的突出优势，过去十年来，人们对碳量子点进行了广泛的研究。碳量子点可以用于组装荧光探针，发光设备和生物传感器。碳量子的制备方法也得到了发展，激光烧蚀，热解，电化学氧化，水热反应和微波处理等都可以合成碳量子点。碳量子点光致发光光谱宽，且发光波长随着激发光能量的改变发生移动，最大值在蓝色区域。另外，碳量子点的吸收曲线显示出逐渐衰减而没有明显的吸收带，表明制备的碳量子点中含有大量的杂质或混合物。液相色谱和聚丙烯酰胺凝胶电泳等方法能够分离出高纯度碳量子点。但是，使用这些技术成本高，操作复杂，且只能获得极少量的产物，进一步限制了碳量子点的应用。碳量子点荧光调控技术研究滞后阻碍了碳量子点在应用领域的发展。因此，发展一种新型的碳量子点的制备与荧光调控技术至关重要。
发明内容
本发明的目的是为了解决碳量子点的制备与荧光调控方面的难题，提供一种水溶性无毒碳量子点的制备及荧光调控方法。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种水溶性无毒碳量子点的制备方法，所述的碳量子点为B和N掺杂的碳量子点，该制备方法包括以下步骤：
1）制备碳量子点前驱体溶液：H3BO3和CH4N2O分别溶解在水、乙醇和氨水的混合溶液中，利用NaOH和HCl调节混合溶液的pH值；
2）制备碳量子点：将前驱体溶液移入反应釜中，在 200℃反应24h，反应后自然冷却，经透析袋提纯，得到碳量子点。
3）碳量子点的荧光调控技术：利用pH值和反应釜的填充度调控B和N掺杂的碳量子点发光，制备出不同的荧光波长和不同发光强度的碳量子点。
作为本发明的一种改进，步骤1）中所述碳量子点前驱体溶液配置方法是将4mmol的H3BO3和8mmol的CH4N2O混合后加入到5mL的水、5mL的乙醇和5mL的10%的氨水混合溶液中。
作为本发明的一种改进，步骤2）中所述碳量子点的制备反应温度为200℃，反应时间为24h，自然冷却后利用透析袋提纯。透析方法为：将反应完的溶液倒入1000Da分子量的透析袋，在过去离子水的情况下透析24h，期间每6h更换一次去离子水。
作为本发明的一种改进，步骤3）中所述pH值的调节是利用12mol/L的HCl溶液和2mol/L的NaOH溶液调节步骤1）前驱体溶液至pH值为1，7和13。
作为本发明的一种改进，步骤3）中所述的填充度为：聚四氟乙烯内胆的体积为50mL,取前驱体溶液的体积为5mL,10mL，20mL，30mL。
本发明还公开了一种采用水溶性无毒碳量子点进行荧光调控的方法，通过在碳量子点体系中掺杂B和N使其发光更强，促使了360nm波长处新的荧光峰的出现。利用上述水溶性无毒碳量子点的制备方法制备量子点，通过改变溶液pH值和反应釜的填充度来得到不同的B和N掺杂的碳量子点，制备出不同的荧光波长和不同发光强度的碳量子点，且荧光波长不随激发光能量改变而改变。
上述步骤中蓝色波长的碳量子点制备条件为：反应温度200℃，反应时长为24h，溶液pH值为1，硼酸加入量为4mmol，尿素加入量为8mmol，溶液体积为17mL；
紫外波长的碳量子点制备条件为：反应温度200℃，反应时长为24h，溶液pH值为13，硼酸加入量为4mmol，尿素加入量为8mmol，溶液体积为17mL。
有益效果：
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1）本发明提出的碳量子点的制备方法简单、操作工艺难度低，且可以对该量子点的荧光波长和强度进行调控；
2）本发明提出的碳量子点的制备方法所需设备简单、耗能低、原料单一、容易操作，没有危险性，原料供给方便，原料价格低廉。
附图说明
图1为未经调控的碳量子点荧光光谱图；
图2为经过pH值调控（pH13）的碳量子点荧光光谱图；
图3为经过pH值调控（Ph7）的碳量子点荧光光谱图；
图4为经过pH值调控（pH1）的碳量子点荧光光谱图；
图5为经过pH值调控的碳量子点的TEM图像。
图6为经过反应釜填充度调控的碳量子点荧光光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释，下列实施例仅用于说明本发明，但并不用来限定本发明的实施范围。
以下实施例所用的硼酸、尿素、乙醇和氨水等原料均为分析纯试剂；实验过程中所用的玻璃仪器使用前用去离子水润洗三遍后真空干燥。
实施例1：
一种水溶性无毒碳量子点的制备方法
1）将CH4N2O（0.5g）加入到5mL的去离子水中，H3BO3（0.25g）加入到5mL的乙醇中；
2）将二者混合，并加入5mL10%的氨水溶液，超声10min；
3）将超声后的溶液移入50mL的及四氟乙烯的内胆中，反应釜反应釜于200℃下反应24h，反应后自然冷却至室温，将产物于6500rmp/min的转速下离心10min，取上清液，将上清液于1000Da分子量的透析袋中透析24h得到产物。
实施例2：
利用一种水溶性无毒碳量子点的制备方法（实施例1）制备量子点，通过改变pH值得到不同荧光波长的B和N掺杂的碳量子点。
紫外波长的碳量子点：反应温度200℃，反应时长为24h，溶液pH值为13，硼酸加入量为4mmol，尿素加入量为8mmol，溶液体积为17mL。
紫外/蓝色波长共存的碳量子点：反应温度200℃，反应时长为24h，溶液pH值为7，硼酸加入量为4mmol，尿素加入量为8mmol，溶液体积为17mL。
蓝色波长碳量子点：反应温度200℃，反应时长为24h，溶液pH值为1，硼酸加入量为4mmol，尿素加入量为8mmol，溶液体积为17mL。
实施例3：
利用一种水溶性无毒碳量子点的制备方法（实施例1）制备量子点，通过改变反应釜反应釜的填充度得到不同荧光强度的B和N掺杂的碳量子点。
将硼酸、尿素的前驱液调节pH值为1，分别取5mL，10mL，20mL，30mL，加入到50mL的聚四氟乙烯内胆中，于200℃反应24h得到产物。
图1为未经过调控的碳量子点光谱图，可以看出荧光波长随着激发光改变发生移动，且荧光强度低。
图2，图3，图4分别为调控后的碳量子点荧光光谱图。可以明显看出，荧光波长表现出了相对规律的变化。在pH值为1的时候表现为在450nm的发光峰，且荧光并未随激发光改变而移动；在pH值为7的时候表现为在360nm和450nm的两个发光峰，且荧光并未随激发光改变而移动；在pH值为13的时候表现为在360nm的发光峰，且荧光并未随激发光改变而移动。
图5为经过pH值调控的碳量子点的TEM图像，可以明显看出碳量子点的晶格和形貌。
图6为经过反应釜填充度调控的碳量子点荧光光谱图。经过填充度的调节，荧光呈现出先变强后变弱的趋势，则表明填充度对碳量子点发光有显著的调控作用。

Claims (6)

1.一种水溶性无毒碳量子点的制备，其特征在于：所述的碳量子点为B和N掺杂的碳量子点，该制备方法包括以下步骤：
1）制备碳量子点前驱体溶液：H3BO3和CH4N2O分别溶解在水、乙醇和氨水的混合溶液中，利用NaOH和HCl调节混合溶液的pH值；
2）制备碳量子点：将前驱体溶液移入反应釜中，在 200℃反应24h，反应后自然冷却，经透析袋提纯，得到碳量子点；
3）碳量子点的荧光调控技术：利用pH值和反应釜的填充度调控B和N掺杂的碳量子点发光，制备出不同的荧光波长和不同发光强度的碳量子点。
2.如权利要求1所述的一种水溶性无毒碳量子点的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述碳量子点前驱体溶液配置方法是将4mmol的H3BO3和8mmol的CH4N2O混合后加入到5mL的水、5mL的乙醇和5mL的10%的氨水混合溶液中。
3.如权利要求1所述的一种水溶性无毒碳量子点的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述碳量子点的制备反应温度为200℃，反应时间为24h，自然冷却后利用透析袋提纯；
透析方法为：将反应完的溶液倒入1000Da分子量的透析袋，在过去离子水的情况下透析24h，期间每6h更换一次去离子水。
4.如权利要求1所述的一种水溶性无毒碳量子点的荧光调控方法，其特征在于：步骤3）中所述pH值的调节是利用12mol/L的HCl溶液和2mol/L的NaOH溶液调节步骤1）前驱体溶液至pH值为1，7和13。
5.如权利要求1所述的一种水溶性无毒碳量子点的荧光调控方法，其特征在于：步骤3）所述的填充度为：聚四氟乙烯内胆的体积为50mL,取前驱体溶液的体积为5mL,10mL，20mL，30mL。
6.一种采用水溶性无毒碳量子点进行荧光调控的方法，其特征在于：所述的荧光调控方法为在体系中添加如权利要求1-5中任意一项采用不同pH值和反应釜的填充度，得到不同的荧光波长和荧光强度的碳量子点。
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