CN114736676A - 一种藻基碳量子点及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种藻基碳量子点及其制备方法。本发明的藻基碳量子点的制备方法，通过将微藻和醇溶剂进行醇热反应得到混合物，将混合物离心分离，将上层液体进行旋转蒸发分离醇相和油相碳量子点。微藻尺度小，无需破碎就能有很好的分散性，反应更加充分，且微藻的高含氮量有益于提高碳量子点产率，生成的藻基碳量子点具有较强的双光子荧光特性；在相同的时间内，醇热法相较于水热法反应更加充分，碳量子点产率更高；产生的双相碳量子点具有不同的荧光激发峰和发射峰，在紫外灯的照射下呈现出明显的蓝光和红光，拓宽了产物的应用渠道；相较于水热法，醇热法不需要长时间透析和冷冻干燥分离产物，简化了分离纯化步骤，降低了工艺能耗，节约成本。

Description

一种藻基碳量子点及其制备方法
技术领域
本发明涉及属于纳米材料的制备技术领域，尤其涉及一种藻基碳量子点及其制备方法。
背景技术
碳量子点是一种小的碳纳米颗粒(<10nm)，具有强光致发光特性、良好的电化学特性、低毒、环保、成本低、合成路线简单等优点，在医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等许多的领域都有较好的应用前景，受到了全世界学者的广泛关注。微藻具有人工培养不占用耕地、培养周期短、固碳能力强等突出特点，被认为是一种很有前途的可再生生物原料。
目前碳量子点制备方法主要包括自下而上法和自上而下法两种，自上而下法由于原料来源广、价格低，更适用于工业生产。自上而下法用于制备生物质碳量子点的前驱物通常为蔬菜、水果、树木茎叶等植物及其衍生物，少部分利用动物的毛发、骨骼等。与其他生物质前驱体相比，微藻尺度小，无需破碎就能有很好的分散性，反应更加充分，且微藻的高含氮量有益于提高碳量子点产率，生成的藻基碳量子点具有较强的双光子荧光特性，细胞毒性低，细胞吸收效率高，具有高对比度生物成像的潜力。目前利用微藻制备碳量子点的方法主要是水热法，然而水热法反应效率低，产物的分离纯化需要进行长时间的透析和冷冻干燥过程，大大提高了制备成本，延缓了制备时长，并不适用于大规模的工业化生产。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种藻基碳量子点及其制备方法，以解决现有技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明提供了一种藻基碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将微藻、醇溶剂加入至反应釜中，通过醇热反应得到混合物；
将混合物离心分离，并收集上层液体；
将上层液体进行旋转蒸发分离得到醇相碳量子点和油相碳量子点。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，醇热反应的温度为180～220℃、时间为2～6h。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，所述微藻包括蛋白核小球藻、拟微绿球藻中的至少一种；
所述醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的至少一种。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，微藻、醇溶剂的质量比为1:(1～200)。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，将混合物于转速为2000～8000rpm下离心5～20min。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，醇热反应中还同时对反应釜中的反应物进行搅拌，搅拌速率为150～250rpm。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，醇热反应之前还向反应釜内通入惰性气体。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，将微藻、醇溶剂加入至反应釜中后，再向反应釜中加入氧化剂。
优选的是，所述的藻基碳量子点的制备方法，所述氧化剂包括H2O2。
第二方面，本发明还提供了一种藻基碳量子点，采用所述的制备方法制备得到。
本发明的一种藻基碳量子点的制备方法，相对于现有技术具有以下有益效果：
本发明的藻基碳量子点的制备方法，通过将微藻和醇溶剂进行醇热反应得到混合物，将混合物离心分离，收集离心后的上层液体，离心后的下层固体作为副产物生物焦；将上层液体进行旋转蒸发分离醇相和油相，得到的无色液体为醇相碳量子点，黑色粘稠固体为油相碳量子点。与其他生物质前驱体相比，微藻尺度小，无需破碎就能有很好的分散性，反应更加充分，且微藻的高含氮量有益于提高碳量子点产率，生成的藻基碳量子点具有较强的双光子荧光特性，细胞毒性低，细胞吸收效率高，具有高对比度生物成像的潜力；在相同的时间内，醇热法相较于水热法反应更加充分，碳量子点产率更高；产生的双相碳量子点具有不同的荧光激发峰和发射峰，在365nm紫外灯的照射下呈现出明显的蓝光和红光，拓宽了产物的应用渠道；醇溶剂在反应过程中与微藻蛋白质分解产生的酸性物质发生酯化反应，减弱产物酸性，不易腐蚀设备，可延长设备使用寿命；相较于水热法，醇热法不需要长时间透析和冷冻干燥分离产物，简化了分离纯化步骤，降低了工艺能耗，节约成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种藻基碳量子点的制备方法流程示意图；
图2～5为本发明实施例1所制备的醇相碳量子点在不同倍率下的透射电镜(HRTEM)图；
图6～9为本发明实施例1所制备的油相碳量子点在不同倍率下的透射电镜(HRTEM)图；
图10为本发明实施例1所制备的醇相碳量子点的紫外可见光吸收光谱、荧光激发与发射光谱图；
图11为本发明实施例1所制备的油相碳量子点的紫外可见光吸收光谱、荧光激发与发射光谱图；
图12为本发明实施例1所制备的醇相碳量子点的傅里叶红外(FT-IR)光谱图；
图13为本发明实施例1所制备的油相碳量子点的傅里叶红外(FT-IR)光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供了一种藻基碳量子点的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将微藻、醇溶剂加入至反应釜中，通过醇热反应得到混合物；
S2、将混合物离心分离，并收集上层液体；
S3、将上层液体进行旋转蒸发分离得到醇相碳量子点和油相碳量子点。
需要说明的是，本申请的藻基碳量子点的制备方法，通过将微藻和醇溶剂进行醇热反应得到混合物，将混合物离心分离，收集离心后的上层液体，离心后的下层固体作为副产物生物焦；将上层液体进行旋转蒸发分离醇相和油相，得到的无色液体为醇相碳量子点，黑色粘稠固体为油相碳量子点。与其他生物质前驱体相比，微藻尺度小，无需破碎就能有很好的分散性，反应更加充分，且微藻的高含氮量有益于提高碳量子点产率，生成的藻基碳量子点具有较强的双光子荧光特性，细胞毒性低，细胞吸收效率高，具有高对比度生物成像的潜力；在相同的时间内，醇热法相较于水热法反应更加充分，碳量子点产率更高，相同条件下，水热法的荧光量子点产率为6～7％，醇热法的荧光量子点产率为10～11％；产生的双相碳量子点具有不同的荧光激发峰和发射峰，在365nm紫外灯的照射下呈现出明显的蓝光和红光，拓宽了产物的应用渠道；醇溶剂在反应过程中与微藻蛋白质分解产生的酸性物质发生酯化反应，减弱产物酸性，不易腐蚀设备，可延长设备使用寿命；相较于水热法，醇热法不需要长时间透析和冷冻干燥分离产物，简化了分离纯化步骤，降低了工艺能耗，节约成本。
在一些实施例中，醇热反应的温度为180～220℃、时间为2～6h。醇热反应的时间和温度会影响最终产物碳量子点的产率和性能，时间过短或温度太低会使碳量子点产率过低，时间过长或温度过高会使碳量子点的荧光特性发生改变。
在一些实施例中，微藻包括蛋白核小球藻、拟微绿球藻中的至少一种；
醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的至少一种。
在一些实施例中，微藻、醇溶剂的质量比为1:(1～200)，优选的微藻、醇溶剂的质量比为1:(10～20)，醇溶剂过多会导致反应混合物浓度太低，增加抽滤和旋转蒸发时长，而醇溶剂太少则会导致反应不充分，碳量子点产率减少。
在一些实施例中，将混合物于转速为2000～8000rpm下离心5～20min。
在一些实施例中，醇热反应中还同时对反应釜中的反应物进行搅拌，搅拌速率为150～250rpm。
在一些实施例中，醇热反应之前还向反应釜内通入惰性气体；具体的，惰性气体为氩气、氦气、氮气等，通过向反应釜中通入惰性气体置换反应釜内空气。
在一些实施例中，将微藻、醇溶剂加入至反应釜中后，再向反应釜中加入氧化剂。通过加入氧化剂增强脱水碳化效果。
在一些实施例中，氧化剂包括H2O2。
具体的，旋转蒸发的温度略高于醇溶剂的沸点即可，温度过低导致分离不完全，温度过高会导致油相发生二次反应，影响产物性质，旋蒸温度可随真空度的增加适当降低。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供了一种藻基碳量子点，采用上述的制备方法制备得到。
本申请制备得到的藻基碳量子点的主要成分为碳源核及其外层有机官能团，制备过程中将前驱体分解成小分子再脱水碳化聚合成为球状纳米颗粒即为碳量子点，碳量子点的粒径在0～10nm，荧光量子产率可达10.2％，醇、油两相碳量子点样品，质量产率可达50％～60％。
以下进一步以具体实施例说明本申请的藻基碳量子点的制备方法。
实施例1
本申请实施例提供了一种藻基碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、将12g蛋白核小球藻、200g无水乙醇加入至反应釜中，封闭反应釜，打开反应釜的进气阀，通入氩气，置换釜内空气，对反应釜加热并升温至200℃，在200r/min搅拌下醇热2h得到混合物；
S2、打开反应釜，将混合物倒入离心管内，在4500rpm的转速下离心10min；离心后的下层固体在200℃烘干24h后作为副产物生物焦；
S3、离心后的上层液体在真空、30℃条件下进行旋转蒸发分离醇相和油相，得到的无色液体为醇相碳量子点，黑色粘稠固体为油相碳量子点。
按照实施例1中的方法计算得到的碳量子点(醇相碳量子点、油相碳量子点之和)产率为11％。而直接将上述实施例1中步骤S1中的无水乙醇替换成水，按照水热法制备得到碳量子点(仅制备得一种碳量子点，即油相碳量子点)，产率仅为6％。
按照上述实施例1中相同的方法，提供实施例2～9的藻基碳量子点的制备方法，具体制备工艺参数如下表1所示，其余未列的工艺参数均与实施例1相同。
表1-实施例2～9中反应参数
实施例 醇溶剂 醇热反应温度 醇热反应时间
实施例2 乙醇 200℃ 4h
实施例3 乙醇 220℃ 2h
实施例4 甲醇 200℃ 2h
实施例5 甲醇 200℃ 4h
实施例6 甲醇 220℃ 2h
实施例7 丙醇 200℃ 2h
实施例8 丙醇 200℃ 4h
实施例9 丙醇 220℃ 2h
性能测试
图2～5为实施例1中制备得到的醇相碳量子点在不同倍率下的透射电镜(HRTEM)图；图6～9为实施例1中制备得到的油相碳量子点在不同倍率下的透射电镜(HRTEM)图。由图2～5以及图6～9中可以看出，两相碳量子点均呈球形，醇相尺寸分布较为均匀，粒径在0～6nm之间，平均粒径为2.68±0.73nm，对单个碳量子点颗粒进行放大，可以看到明显的晶格条纹，其晶格间距约为0.22nm；油相碳量子点尺寸大小差异较大，粒径也在0～6nm之间，平均粒径为2.99±0.85nm，其晶格间距约为0.23nm，与醇相类似。醇热时间和温度的改变会使碳量子点的尺寸发生相应的改变。
将实施例1中制备得到的藻基碳量子点分别加入至乙醇中形成醇溶液，将醇溶液置于紫外灯光照条件下，可看到醇相碳量子点发出明显的蓝色荧光，而油相碳量子点发出明显的红色荧光，说明两相碳量子点的性质存在差异，但均具有良好的水溶性和光致发光特性。
图10为实施例1中制备得到的醇相碳量子点的紫外可见光吸收光谱、荧光激发与发射光谱；图11为实施例1中制备得到的油相碳量子点的紫外可见光吸收光谱、荧光激发与发射光谱。
由图10～11中可以看出，醇相碳量子点在207nm处有一个明显的吸收峰，在267nm左右有一个较弱的吸收带。可以认为207nm处的吸收峰是源于醇相碳量子点核态荧光中心的sp2碳域的π-π*跃迁，而267nm处的紫外可见光吸收峰是由于醇相碳量子点的表面有机官能团在溶液环境中进行了n-π*跃迁引起的。然而，油相碳量子点溶液在270nm、410nm和665nm处均有较小的吸收峰，可以猜测油相碳量子点溶液具有多个光致发光源，并可以由不同的激发波长激发出不同颜色的荧光。醇相碳量子点溶液的PL光谱(光致发射光谱)存在明显的单峰发射特征，发射峰的半峰宽较窄，在波长为220nm的紫外光激发下，发射峰位于310nm左右，属于紫光发射波长。而油相碳量子点溶液的PL光谱出现了670nm和715nm两个发射峰，且715nm峰的荧光发射强度远低于670nm，这与油相碳量子点溶液在暗箱中改变激发波长却始终呈现红色荧光的现象是对应的，因为红色荧光对应的670nm峰的荧光强度远高于另一个荧光峰值强度。激发峰和发射峰的红移拓宽了E-BCDs的应用领域，能量低的长波长红光相较于蓝绿色荧光能够更深入穿透生物体和生物组织，且光损伤更小，更适合应用于生物医学成像领域，具有良好的应用前景。两相的PLE光谱则表明，当激发波长分别位于220nm、310nm和670nm时，可以获得最高强度的荧光发射峰强度，且醇相碳量子点拥有两个激发峰，更适合应用于高精度比率式探针。
图12实施例1中制备得到的醇相碳量子点的傅里叶红外(FT-IR)光谱图；
图13为实施例1中制备得到的油相碳量子点的傅里叶红外(FT-IR)光谱图。
从图12～13中可以看出，两相碳量子点均有大量的不饱和双键和丰富的表面官能团，使得其具有良好的醇溶性和光致发光特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将微藻、醇溶剂加入至反应釜中，通过醇热反应得到混合物；
将混合物离心分离，并收集上层液体；
将上层液体进行旋转蒸发分离得到醇相碳量子点和油相碳量子点。
2.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，醇热反应的温度为180～220℃、时间为2～6h。
3.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，所述微藻包括蛋白核小球藻、拟微绿球藻中的至少一种；
所述醇溶剂包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇中的至少一种。
4.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，微藻、醇溶剂的质量比为1:(1～200)。
5.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，将混合物于转速为2000～8000rpm下离心5～20min。
6.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，醇热反应中还同时对反应釜中的反应物进行搅拌，搅拌速率为150～250rpm。
7.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，醇热反应之前还向反应釜内通入惰性气体。
8.如权利要求1所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，将微藻、醇溶剂加入至反应釜中后，再向反应釜中加入氧化剂。
9.如权利要求8所述的藻基碳量子点的制备方法，其特征在于，所述氧化剂包括H2O2。
10.一种藻基碳量子点，其特征在于，采用如权利要求1～9任一所述的制备方法制备得到。
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