JP2021088477A - Carbon quantum dot, and method of manufacturing the same - Google Patents

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英也 川▲崎▼
Hideya Kawasaki
英也 川▲崎▼
恵太 三木
Keita Miki
恵太 三木
康博 日高
Yasuhiro Hidaka
康博 日高
昌信 河村
Masanobu Kawamura
昌信 河村
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Abstract

To provide a carbon quantum dot capable of more widely adjusting luminous color; and further, to provide a method of manufacturing such a carbon quantum dot simply and efficiently by using safe and inexpensive raw material.SOLUTION: There is provided a method of manufacturing a carbon quantum dot exhibiting visible light-emitting ability, the method comprising a step (1) of preparing a solution containing (A) lignin or its carbonized product, (B) an aromatic compound comprising a hydroxy group and an amino group, and (C) aliphatic polyamine; and a step (2) of heating and carbonizing the solution prepared in the step (1).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は炭素量子ドット(Carbon Quantum Dot:CQD)およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、リグニンを原料とする炭素量子ドットおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to carbon quantum dots (CQD) and a method for producing the same, and more particularly to carbon quantum dots using lignin as a raw material and a method for producing the same.

一般的な有機系色素及び蛍光タンパク質と比較して、極めて高い輝度を有し、かつ、光で退色し難い発光材料として、近年、量子ドットが注目されている。量子ドットとは、通常、約0.5〜約100nm、特に約2〜10nmの直径を有する超微細ナノ粒子であって、三次元的に電子を閉じ込める構造を有する。量子ドットの粒子サイズを制御することによって、バンドギャップを制御して、発光波長(色)を調節することができる。 In recent years, quantum dots have been attracting attention as a light emitting material having extremely high brightness and being less likely to fade with light as compared with general organic dyes and fluorescent proteins. Quantum dots are ultrafine nanoparticles usually having a diameter of about 0.5 to about 100 nm, particularly about 2 to 10 nm, and have a structure that three-dimensionally confine electrons. By controlling the particle size of the quantum dots, the band gap can be controlled and the emission wavelength (color) can be adjusted.

代表的な量子ドットとして、II−VI属のCdSe及びCdTe等、I−VII属のCuCl等、III−V属のInAs等、IV属のSi及びC等からなる超微細ナノ粒子を例示できる。CdSe等の遷移金属を含む量子ドットは、毒性等の懸念があり、バイオ分野に応用することができない。これに対し、生体適合性、低毒性、低環境負荷、原料供給の安定性及び低コスト化等の観点から、炭素で構成された粒子ドット、即ち、炭素量子ドットが注目されている。 As typical quantum dots, ultrafine nanoparticles composed of CdSe and CdTe of the genus II-VI, CuCl of the genus I-VII, InAs of the genus III-V, Si and C of the genus IV, etc. can be exemplified. Quantum dots containing transition metals such as CdSe cannot be applied to the biotechnology field due to concerns about toxicity and the like. On the other hand, from the viewpoints of biocompatibility, low toxicity, low environmental load, stability of raw material supply and cost reduction, particle dots composed of carbon, that is, carbon quantum dots are attracting attention.

そのような炭素量子ドットの製造方法として、例えば、炭素ターゲットをレーザーアブレーション(laser ablation)した後、化学処理する製造方法、ろうそくの煤から製造する方法、グラファイト酸化物を化学処理する製造方法、フラーレンの転換反応から製造する方法、炭素繊維及び活性炭等のより安価な炭素原料を化学処理する製造方法が報告されている。これらの方法は、硫酸、硝酸又はこれらの混酸を用いて炭素原料を化学処理するので、製造条件が大変厳しい。更に、反応後に、大量のアルカリを用いて強酸を中和することを要する。従って、安全かつ安価な原料を用いて、より簡便かつ効率的に、炭素量子ドットを製造する方法が求められている。 As a method for producing such carbon quantum dots, for example, a production method in which a carbon target is laser ablated and then chemically treated, a method for producing from candle soot, a production method for chemically treating graphite oxide, and a fullerene are used. A method for producing from the conversion reaction of graphite and a method for chemically treating cheaper carbon raw materials such as carbon fiber and activated carbon have been reported. In these methods, the carbon raw material is chemically treated with sulfuric acid, nitric acid or a mixed acid thereof, so that the production conditions are very strict. Furthermore, after the reaction, it is necessary to neutralize the strong acid with a large amount of alkali. Therefore, there is a demand for a method for producing carbon quantum dots more easily and efficiently using safe and inexpensive raw materials.

特許文献1は、正に帯電したクエン酸溶液と負に帯電させたエチレンジアミン溶液を対向させてエレクトロスプレーして、得られた液滴を加熱して炭化させる、発光性ナノカーボンの製造方法を開示している(例えば、請求項1、段落0026〜0027、段落0030等参照)。 Patent Document 1 discloses a method for producing luminescent nanocarbon, in which a positively charged citric acid solution and a negatively charged ethylenediamine solution are electrosprayed to heat and carbonize the obtained droplets. (See, for example, claim 1, paragraphs 0026 to 0027, paragraph 0030, etc.).

特許文献2は、活性炭等の炭素材を、過酸化酸素と混合し、過酸化酸素により炭素材中の炭素を分解することを含む、炭素量子ドットの製造方法を開示している(例えば、請求項1、段落0029等参照)。 Patent Document 2 discloses a method for producing carbon quantum dots, which comprises mixing a carbon material such as activated carbon with oxygen peroxide and decomposing carbon in the carbon material by oxygen peroxide (for example, claim). Item 1, paragraph 0029, etc.).

特許文献3は、(1)(A)ポリフェノール及び(B)アミン化合物を含む溶液を製造すること;及び(2)溶液を加熱して炭化させることを含む、炭素量子ドットの製造方法を開示している(例えば、請求項1、段落0014〜0018等参照)。
等参照)。
Patent Document 3 discloses a method for producing carbon quantum dots, which comprises producing a solution containing (1) (A) a polyphenol and (B) an amine compound; and (2) heating and carbonizing the solution. (See, for example, claim 1, paragraphs 0014 to 0018, etc.).
Etc.).

非特許文献1は、リグニン誘導体を用いて、水熱反応による、青色の蛍光炭素ドットの製造方法を開示する。 Non-Patent Document 1 discloses a method for producing blue fluorescent carbon dots by a hydrothermal reaction using a lignin derivative.

非特許文献2は、リグニン誘導体を用いて、水熱反応による、黄色の蛍光炭素ドットの製造方法を開示する。 Non-Patent Document 2 discloses a method for producing yellow fluorescent carbon dots by a hydrothermal reaction using a lignin derivative.

特開2015−174945号公報JP 2015-174945 特開2014−133685号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-133685 特開2018−35035号公報JP-A-2018-35035

Sudheer Rai et. al., “Lignin derived reduced fluorescence carbon dots with theranostic approaches: Nano-drug-carrier and bioimaging”, Journal of Luminescence, 190, 492-503(2017).Sudheer Rai et. Al., “Lignin derived reduced fluorescence carbon dots with theranostic approaches: Nano-drug-carrier and bioimaging”, Journal of Luminescence, 190, 492-503 (2017).

Aye AyeMyint et. al., “Water-soluble, lignin-derived carbon dots with high fluorescent emissions and their applications in bioimaging”, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 66, 387-395(2018)Aye AyeMyint et. Al., “Water-soluble, lignin-derived carbon dots with high fluorescent emissions and their applications in bioimaging”, Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 66, 387-395 (2018)

上述のとおり、従来の炭素量子ドットの製造方法では、炭素を分解するため、硫酸、硝酸又はこれらの混酸を用いて炭素原料を化学処理する必要がある。従って、安全かつ安価な原料を用いて、簡便かつ効率的に炭素量子ドットを製造する更なる方法が求められている。 As described above, in the conventional method for producing carbon quantum dots, it is necessary to chemically treat the carbon raw material with sulfuric acid, nitric acid or a mixed acid thereof in order to decompose carbon. Therefore, there is a need for a further method for producing carbon quantum dots easily and efficiently using safe and inexpensive raw materials.

また、炭素材料の有効利用という観点から、バイオマスを炭素材料として用いて、簡便かつ効率的に炭素量子ドットを製造する方法が求められている。 Further, from the viewpoint of effective utilization of carbon materials, there is a demand for a simple and efficient method for producing carbon quantum dots using biomass as a carbon material.

特許文献1〜3、並びに非特許文献1および2に開示されている炭素量子ドットでは、青色、青緑色、黄色までの発光色が報告されている。しかし、橙色系または赤色系の発光色を有する炭素量子ドットはまだ開発されていない。したがって、さらに様々な発光色の炭素量子ドットが求められている。 In the carbon quantum dots disclosed in Patent Documents 1 to 3 and Non-Patent Documents 1 and 2, emission colors up to blue, blue-green, and yellow have been reported. However, carbon quantum dots having orange or red emission colors have not yet been developed. Therefore, carbon quantum dots of various emission colors are required.

本発明は、上述の状況に鑑みて行われたものであり、発光色をより幅広く調整しうる炭素量子ドットを提供することを課題とする。また、そのような炭素量子ドットを、安全かつ安価な原料を用いて、簡便かつ効率的に製造する方法を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide carbon quantum dots capable of broadly adjusting the emission color. Another object of the present invention is to provide a simple and efficient method for producing such carbon quantum dots using safe and inexpensive raw materials.

本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む混合物の炭化物として生成した炭素量子ドットが、青色、緑色、または橙色の多色発光材料となり得ることを見出した。また当該炭素量子ドットは、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を加熱して炭化させるという、安全かつ安価、しかも簡便かつ効率的な方法で製造することができることを見出した。 As a result of diligent studies, the present inventors have obtained (A) a lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) a carbide of a mixture containing an aliphatic polyamine. It has been found that the generated carbon quantum dots can be a multicolor light emitting material of blue, green, or orange. Further, the carbon quantum dots are safe in that a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine is heated and carbonized. Moreover, it has been found that it can be produced by a simple and efficient method at low cost.

即ち、本発明は、その様々な実施形態として、下記の炭素量子ドットおよびその製造方法を提供する。
〔1〕 (A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む混合物の炭化物である、炭素量子ドット。
〔2〕 前記(A)リグニンが、リグニンスルホン酸、クラフトリグニン、ソーダリグニン、およびオルガノソルブリグニンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔1〕に記載の炭素量子ドット。
〔3〕 前記(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物が、ジアミノフェノール、ドーパミン、及びチロシンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔1〕または〔2〕に記載の炭素量子ドット。
〔4〕 前記(C)脂肪族ポリアミンが、エチレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノヘキサン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、及びポリアミドアミンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔1〕〜〔3〕のいずれか一項に記載の炭素量子ドット。
〔5〕 (1)(A)リグニンまたはその炭化物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を用意すること;及び
(2)前記(1)で用意された溶液を加熱して炭化させること、
を含む、炭素量子ドットの製造方法。
〔6〕 前記(A)リグニンが、リグニンスルホン酸、クラフトリグニン、ソーダリグニン、およびオルガノソルブリグニンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔5〕に記載の製造方法。
〔7〕 前記(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物が、ジアミノフェノール、ドーパミン、及びチロシンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔5〕または〔6〕に記載の製造方法。
〔8〕 前記(C)脂肪族ポリアミンが、エチレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノヘキサン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、及びポリアミドアミンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、上記〔5〕〜〔7〕のいずれか一項に記載の炭素量子ドットの製造方法。
〔9〕 前記(2)の処理を、マイクロ波を照射すること、及び/又は、密閉して加熱することによって行う、上記〔5〕〜〔8〕のいずれか一項に記載の製造方法。
〔10〕 前記(2)の処理を、有機溶媒を用いるソルボサーマル法によって行う、上記〔5〕〜〔9〕のいずれか一項に記載の製造方法。
That is, the present invention provides the following carbon quantum dots and a method for producing the same as various embodiments thereof.
[1] A carbon quantum dot which is a carbide of a mixture containing (A) a lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine.
[2] The carbon quantum dot according to the above [1], wherein the (A) lignin contains one or more selected from the group consisting of lignin sulfonic acid, kraft lignin, soda lignin, and organosolvrignin. ..
[3] The above [1] or [2], wherein the aromatic compound having a hydroxy group and an amino group (B) contains one or more selected from the group consisting of diaminophenol, dopamine, and tyrosine. The carbon quantum dots described in.
[4] The above [1] to the above [1], wherein the (C) aliphatic polyamine contains one or more selected from the group consisting of ethylenediamine, diaminobutane, diaminohexane, polyethyleneimine, polyallylamine, and polyamideamine. The carbon quantum dot according to any one of [3].
[5] Prepare a solution containing (1) (A) lignin or a carbide thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine; and (2) the above (1). ) To heat and carbonize the solution prepared in
A method for producing carbon quantum dots, including.
[6] The production method according to the above [5], wherein the (A) lignin contains one or more selected from the group consisting of lignin sulfonic acid, kraft lignin, soda lignin, and organosolvrignin.
[7] The above [5] or [6], wherein the aromatic compound having a hydroxy group and an amino group (B) contains one or more selected from the group consisting of diaminophenol, dopamine, and tyrosine. The manufacturing method described in.
[8] The above [5] to the above [5], wherein the (C) aliphatic polyamine contains one or more selected from the group consisting of ethylenediamine, diaminobutane, diaminohexane, polyethyleneimine, polyallylamine, and polyamideamine. The method for producing carbon quantum dots according to any one of [7].
[9] The production method according to any one of the above [5] to [8], wherein the treatment of (2) is performed by irradiating with microwaves and / or by sealing and heating.
[10] The production method according to any one of [5] to [9] above, wherein the treatment of (2) is carried out by a solvothermal method using an organic solvent.

本発明によれば、青色、緑色、または橙色の可視光発光能を有する炭素量子ドットを提供することができる。
また、本発明によれば、安全かつ安価に、簡便かつ効率的に炭素量子ドットを製造することができる。
According to the present invention, it is possible to provide carbon quantum dots having a blue, green, or orange visible light emitting ability.
Further, according to the present invention, carbon quantum dots can be produced safely, inexpensively, easily and efficiently.

図1は、実施例2〜4の紫外可視(UV−vis)吸収スペクトル測定、および、蛍光スペクトル測定の結果を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the results of ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectrum measurement and fluorescence spectrum measurement of Examples 2 to 4. 図2は、実施例2〜4のFT−IRスペクトル測定の結果を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the results of FT-IR spectrum measurement of Examples 2 to 4. 図3−1は、実施例2(Blue)のCQD水溶液のゼータ電位のpH依存性を調査した結果を示す図である。FIG. 3-1 is a diagram showing the results of investigating the pH dependence of the zeta potential of the CQD aqueous solution of Example 2 (Blue). 図3−2は、実施例3(Green)のCQD水溶液のゼータ電位のpH依存性を調査した結果を示す図である。FIG. 3-2 is a diagram showing the results of investigating the pH dependence of the zeta potential of the CQD aqueous solution of Example 3 (Green). 図3−3は、実施例4(Orenge)のCQD水溶液のゼータ電位のpH依存性を調査した結果を示す図である。FIG. 3-3 is a diagram showing the results of investigating the pH dependence of the zeta potential of the CQD aqueous solution of Example 4 (Orange). 図4は、原子間力顕微鏡(AFM)で観察した、実施例2〜4のCQDの画像を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing images of CQDs of Examples 2 to 4 observed with an atomic force microscope (AFM). 図5は、実施例2〜4のCQDのX線回折パターンを示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the CQDs of Examples 2 to 4. 図6は、実施例5で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the measurement results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 5. 図7は、実施例6で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの想定結果を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the assumed results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 6. 図8は、実施例7で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the measurement results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 7. 図9は、実施例8で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトの測定結果を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the measurement results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 8. 図10は、実施例9で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトの測定結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the measurement results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 9. 図11は、比較例1で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the measurement results of the UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Comparative Example 1.

<1.炭素量子ドット>
本発明は、炭素量子ドットを提供する。本発明の炭素量子ドットは、青色、緑色、または橙色の可視光発光能を有する。すなわち、およそ450nm〜620nmの波長範囲の発光能を有する炭素量子ドットでありうる。
<1. Carbon quantum dots >
The present invention provides carbon quantum dots. The carbon quantum dots of the present invention have a blue, green, or orange visible light emitting ability. That is, it can be a carbon quantum dot having a light emitting ability in the wavelength range of about 450 nm to 620 nm.

本発明の一実施形態において、炭素量子ドットは、
(A)リグニンまたはその炭化処理物、
(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び
(C)脂肪族ポリアミン
を含む混合物の炭化物である。
In one embodiment of the invention, the carbon quantum dots are
(A) Lignin or its carbonized product,
It is a carbide of a mixture containing (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine.

本発明において、(A)成分の「リグニン」とは、セルロース、ヘミセルロースとともに木材、竹、茎などの木化した植物体の主要成分として存在する、ポリフェノール構造を持つ化合物をいい、目的とする炭素量子ドットが得られる限り特に制限されることはない。リグニンとしては、例えば、サルファイト蒸解排液から得られるリグニンスルホン酸、クラフト蒸解排液から得られるクラフトリグニン、ソーダ蒸解排液より得られるソーダリグニン、オルガノソルブ法によって得られたオルガノソルブリグニン、NWL(摩砕リグニン)、爆砕リグニン、木質から有機溶媒によって抽出したリグニン等が挙げられる。 In the present invention, the component (A) "lignin" refers to a compound having a polyphenol structure, which exists as a main component of wood, bamboo, stems and other woody plants together with cellulose and hemicellulose, and is a target carbon. As long as quantum dots can be obtained, there are no particular restrictions. Examples of lignin include lignin sulfonic acid obtained from sulfite cooking effluent, kraft lignin obtained from kraft cooking effluent, soda lignin obtained from soda cooking effluent, organosolvrignin obtained by the organosolv method, and NWL. (Fractured lignin), blasted lignin, lignin extracted from wood with an organic solvent, and the like can be mentioned.

本発明において、「リグニン」の用語は、リグニンの基本骨格を備えた変性物(リグニン誘導体)を含みうる。リグニンの基本骨格を備えた変性物(リグニン誘導体)としては、例えば、リグニンスルホン酸(部分脱スルホン化リグニンスルホン酸、UF(限外濾過)処理等で精製したリグニンスルホン酸等を含む)、クラフトリグニン、ソーダリグニン、オルガノソルブリグニンなどが挙げられる。 In the present invention, the term "lignin" may include a modified product (lignin derivative) having a basic skeleton of lignin. Examples of modified products (lignin derivatives) having a basic lignin skeleton include lignin sulfonic acid (including partially desulfonated lignin sulfonic acid, lignin sulfonic acid purified by UF (ultra-extrafiltration) treatment, etc.), and craft Examples include lignin, soda lignin, and organosorb lignin.

本発明において用いうるリグニンとしては、好ましくはリグニンスルホン酸、クラフトリグニン、ソーダリグニン、オルガノソルブリグニンなどが挙げられ、より好ましくは、リグニンスルホン酸、およびクラフトリグニンなどが挙げられ、さらに好ましくは、リグニンスルホン酸などが挙げられる。リグニンは、1種であっても、2種以上の混合物であってもよい。 Examples of the lignin that can be used in the present invention include preferably lignin sulfonic acid, kraft lignin, soda lignin, organosolvrignin and the like, more preferably lignin sulfonic acid, kraft lignin and the like, and further preferably lignin. Examples include sulfonic acid. The lignin may be one kind or a mixture of two or more kinds.

(A)成分のリグニンは、予め又は予備的に炭化処理されたものであってもよい。リグニンの炭化処理物は、完全に炭化したものであっても、部分的に炭化したものであってもよい。なお、(A)成分として用いるリグニンの炭化処理物を、「炭化リグニン」という場合がある。 The lignin of the component (A) may be carbonized in advance or preliminarily. The carbonized product of lignin may be completely carbonized or partially carbonized. The carbonized product of lignin used as the component (A) may be referred to as "carbonized lignin".

(A)成分としては、リグニン及びその炭化処理物のうちの少なくとも一方が含まれていればよく、リグニンおよびその炭化処理物の双方が含まれていてもよい。 As the component (A), at least one of lignin and its carbonized product may be contained, and both lignin and its carbonized product may be contained.

本発明において、(B)成分の「ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物」とは、少なくとも1つのアミン基と1つのヒドロキシル基を有する化合物をいい、常温常圧で液体又は固体であり、リグニンまたはその炭化処理物とエチレンジアミンと反応しうる性質を有し、目的とする炭素量子ドットが得られる限り特に制限されることはない。(B)成分の芳香族化合物は、安全かつ安価であることが好ましい。(B)成分の芳香族化合物としては、例えば、ジアミノフェノール、ドーパミン、及びチロシンなどが好ましく、より好ましくは、ジアミノフェノールなどが挙げられる。(B)成分の芳香族化合物は、1種であっても2種以上の混合物であってもよい。 In the present invention, the "aromatic compound having a hydroxy group and an amino group" of the component (B) means a compound having at least one amine group and one hydroxyl group, which is liquid or solid at normal temperature and pressure. It has the property of reacting with lignin or a carbonized product thereof and ethylenediamine, and is not particularly limited as long as the desired carbon quantum dots can be obtained. The aromatic compound of the component (B) is preferably safe and inexpensive. As the aromatic compound of the component (B), for example, diaminophenol, dopamine, tyrosine and the like are preferable, and diaminophenol and the like are more preferable. The aromatic compound of the component (B) may be one kind or a mixture of two or more kinds.

本発明において、(C)成分の「脂肪族ポリアミン」とは、アミノ基またはイミノ基を2つ以上もつ脂肪族化合物のことをいう。脂肪族ポリアミンは、非環式であっても環式であってもよい。また、脂肪族ポリアミンは、飽和であっても不飽和であってもよい。また、脂肪族ポリアミンは、分岐していてもよい。脂肪族ポリアミンとして好ましくは、例えば、エチレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノヘキサンなどのジアミン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、ポリアミドアミンなどの多価アミンが挙げられ、より好ましくはエチレンジアミン、ポリエチレンイミンなどが挙げられる。 In the present invention, the "aliphatic polyamine" of the component (C) refers to an aliphatic compound having two or more amino groups or imino groups. Aliphatic polyamines may be acyclic or cyclic. Also, the aliphatic polyamine may be saturated or unsaturated. Further, the aliphatic polyamine may be branched. Preferred examples of the aliphatic polyamine include diamines such as ethylenediamine, diaminobutane and diaminohexane, polyvalent amines such as polyethyleneimine, polyallylamine and polyamideamine, and more preferably ethylenediamine and polyethyleneimine.

(C)成分として用いうる脂肪族アミンの数平均分子量は、好ましくは300〜100000、より好ましくは300〜10000、さらに好ましくは300〜2000でありうる。 The number average molecular weight of the aliphatic amine that can be used as the component (C) can be preferably 300 to 100,000, more preferably 300 to 10000, and even more preferably 300 to 2000.

本発明の炭素量子ドットは、その実施形態として、青色から、緑色、または橙色までの可視光発光能を有しうる。これらの中でも青色発光する炭素量子ドットは、蛍光量子収率が高いものでありうる。 As an embodiment thereof, the carbon quantum dots of the present invention may have a visible light emitting ability from blue to green or orange. Among these, carbon quantum dots that emit blue light may have a high fluorescence quantum yield.

本発明の炭素量子ドットの蛍光量子収率は、好ましくは1%以上、より好ましくは5%以上、さらに好ましくは、10、15、18、または20%以上でありうる。 The fluorescence quantum yield of the carbon quantum dots of the present invention can be preferably 1% or more, more preferably 5% or more, still more preferably 10, 15, 18, or 20% or more.

本発明の炭素量子ドットは、一実施形態において、茶褐色の溶液でありうる。炭素量子ドットを含む溶液は、300〜800nmの近赤外から紫外領域に渡り、幅広い吸収が認められることが好ましい。 The carbon quantum dots of the present invention can be a brown solution in one embodiment. It is preferable that the solution containing carbon quantum dots has a wide range of absorption from the near infrared region of 300 to 800 nm to the ultraviolet region.

IRスペクトルで、炭素量子ドットの表面にアミノ基(−NH2)、ヒドロキシ基(−OH)及びカルボキシ基(−COOH)の存在を示すピークが認められることが好ましい。300〜480nmの励起光で、青色、緑色、橙色(又は赤色)の可視光の発光が観察されることが好ましい。 In the IR spectrum, it is preferable that a peak indicating the presence of an amino group (-NH 2 ), a hydroxy group (-OH) and a carboxy group (-COOH) is observed on the surface of the carbon quantum dot. It is preferable to observe blue, green, orange (or red) visible light emission with excitation light of 300 to 480 nm.

原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、炭素量子ドットを観察して、AFM画像の断面図により観察される粒子の高さを炭素量子ドットのサイズとすると、炭素量子ドットのサイズは、1〜500nmであることが好ましく、1〜100nmであることがより好ましく、1〜50nmであることが好ましく、1〜10nmであることが特に好ましい。 When carbon quantum dots are observed using an atomic force microscope (AFM) and the height of the particles observed in the cross-sectional view of the AFM image is taken as the size of the carbon quantum dots, the size of the carbon quantum dots is 1 to 1. It is preferably 500 nm, more preferably 1 to 100 nm, preferably 1 to 50 nm, and particularly preferably 1 to 10 nm.

本発明の炭素量子ドットの様々な実施形態において、従来から量子ドットが使用される技術分野に使用することができ、例えば、太陽電池、ディスプレイ、セキュリティインク、偽造防止、量子ドットレーザー、生体イメージング、バイオマーカー、医療画像装置(がん細胞のイメージング、たんぱく質の分析、細胞の追跡など)、LEDを含む照明、光触媒等の技術分野に利用しうる。 In various embodiments of the carbon quantum dots of the present invention, they can be used in the technical fields in which the quantum dots are conventionally used, for example, solar cells, displays, security inks, anti-counterfeiting, quantum dot lasers, bioimaging, etc. It can be used in technical fields such as biomarkers, medical imaging devices (imaging of cancer cells, protein analysis, cell tracking, etc.), lighting including LEDs, photocatalysts, and the like.

本発明の炭素量子ドットはリグニンを主原料しており、CdSe等の遷移金属を含む量子ドットのように毒性が懸念される材料から製造されるわけではないため、このような遷移金属を含む量子ドットに比べて安全性が高い。したがって、本発明の炭素量子ドットは、高い安全性が求められるような分野への応用も可能である。高い安全性が求められる分野の用途として、例えば、生体イメージング、バイオマーカー、医療画像装置(がん細胞のイメージング、たんぱく質の分析、細胞の追跡など)などが挙げられる。 Since the carbon quantum dots of the present invention are mainly made of lignin and are not manufactured from materials of concern for toxicity such as quantum dots containing transition metals such as CdSe, the quantum dots containing such transition metals are not produced. Higher safety than dots. Therefore, the carbon quantum dots of the present invention can be applied to fields where high safety is required. Applications in fields requiring high safety include, for example, bioimaging, biomarkers, medical imaging devices (cancer cell imaging, protein analysis, cell tracking, etc.).

<2.炭素量子ドットの製造方法>
本発明は、更なる一実施形態として、炭素量子ドットの製造方法を提供する。本発明の炭素量子ドット製造方法は、安全かつ安価に、簡便かつ効率的に炭素量子ドットを製造することができる。また、本発明の製造方法によれば、青色、緑色、又は橙色の可視光発光能を有する炭素量子ドットを製造することができる。
<2. Manufacturing method of carbon quantum dots>
The present invention provides, as a further embodiment, a method for producing carbon quantum dots. The carbon quantum dot manufacturing method of the present invention can manufacture carbon quantum dots safely, inexpensively, easily and efficiently. Further, according to the production method of the present invention, carbon quantum dots having blue, green, or orange visible light emitting ability can be produced.

本発明の一実施形態において、炭素量子ドットの製造方法は、
(1)(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を用意すること;および
(2)前記(1)で用意された溶液を加熱して炭化させること、
を含む。
In one embodiment of the present invention, the method for producing carbon quantum dots is
Prepare a solution containing (1) (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine; and (2) the above (1). To heat and carbonize the solution prepared in
including.

(1)の工程では、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を用意すること含む。このような溶液を用意する方法は、(A)、(B)、及び(C)の各成分を混合すればよく、(2)の工程において、溶液を加熱して目的とする炭素量子ドットを得られる限り、特に制限されることはない。当該溶液は、例えば、(A)成分を含む溶液、(B)成分を含む溶液、(C)成分を含む溶液を別々に製造後、それぞれ混合して製造してもよい。また、製造の際、適宜、溶液のpHを調整してもよい。 The step (1) includes preparing a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine. In the method of preparing such a solution, each component (A), (B), and (C) may be mixed, and in the step (2), the solution is heated to obtain a target carbon quantum dot. As long as it can be obtained, there are no particular restrictions. The solution may be produced, for example, by separately producing a solution containing the component (A), a solution containing the component (B), and a solution containing the component (C), and then mixing them with each other. In addition, the pH of the solution may be adjusted as appropriate during production.

(1)の工程における(A)成分として、予め又は予備的にリグニンを炭化処理したものを用いうる。(A)成分として用いうるリグニンの炭化処理物は、炭化物を得るための一般的な方法で得ることができる。(A)成分として用いうるリグニンの炭化処理物は、例えば、電気炉などを用いて、リグニンを不活性ガス雰囲気または真空下において、300〜450℃の温度範囲で加熱処理することにより得ることができる。(A)成分としてのリグニン炭化処理物を得る際には、リグニンと脂肪族ポリアミンを混合して、電気炉で加熱処理してもよい。 As the component (A) in the step (1), a lignin carbonized in advance or in advance can be used. The carbonized product of lignin that can be used as the component (A) can be obtained by a general method for obtaining a carbonized product. The carbonized product of lignin that can be used as the component (A) can be obtained by heat-treating lignin in an inert gas atmosphere or in a vacuum in a temperature range of 300 to 450 ° C., for example, using an electric furnace or the like. it can. When the lignin carbonized product as the component (A) is obtained, lignin and an aliphatic polyamine may be mixed and heat-treated in an electric furnace.

(A)成分として用いられる「リグニンまたはその炭化処理物」、(B)成分として用いられる「ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物」、および(C)成分として用いられる「脂肪族ポリアミン」の各成分については、上記「1.炭素量子ドット」の項にて説明したとおりである。 Of "lignin or its carbonized product" used as a component (A), "aromatic compound having a hydroxy group and an amino group" used as a component (B), and "aliphatic polyamine" used as a component (C). Each component is as described in the section "1. Carbon quantum dots" above.

(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液との重量比((A):(B):(C))は、目的とする炭素量子ドットが得られる限り特に制限されることはない。後述する反応条件等との関係で適宜選択しうる。 The weight ratio ((A): (B): (C)) to the solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound, and (C) an aliphatic polyamine is the target carbon. As long as quantum dots can be obtained, there are no particular restrictions. It can be appropriately selected in relation to the reaction conditions and the like described later.

(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンの重量比/(10mL溶媒)は、(A)リグニンは、0.05重量部以上、0.3重量部以下、(B)芳香族化合物は、0.2重量部以上、1.2重量部以下、(C)脂肪族ポリアミンは、1重量部以上、10重量部以下であることが好ましく、(A)リグニンは、0.08重量部以上0.15重量部以下、(B)芳香族化合物は、0.3重量部以上0.6重量部以下、(C)脂肪族ポリアミンは、1重量部以上7重量部以下であることが更により好ましく、(A)リグニンは0.1〜0.2重量部、(B)芳香族化合物は0.3〜0.4重量部、(C)脂肪族ポリアミンは2〜5重量部であることが特に好ましい。 The weight ratio of (A) lignin or its carbonized product, (B) aromatic compound, and (C) aliphatic polyamine / (10 mL solvent) is: (A) lignin is 0.05 parts by weight or more, 0.3. It is preferable that the amount of (B) aromatic compound is 0.2 parts by weight or more and 1.2 parts by weight or less, and (C) aliphatic polyamine is 1 part by weight or more and 10 parts by weight or less. A) lignin is 0.08 parts by weight or more and 0.15 parts by weight or less, (B) aromatic compound is 0.3 parts by weight or more and 0.6 parts by weight or less, and (C) aliphatic polyamine is 1 part by weight. It is even more preferably 7 parts by weight or less, (A) lignin is 0.1 to 0.2 parts by weight, (B) aromatic compound is 0.3 to 0.4 parts by weight, and (C) aliphatic. The polyamine is particularly preferably 2 to 5 parts by weight.

上記(A)成分、(B)成分、及び(C)成分を含む溶液を準備する際に用いうる溶媒は、リグニンの炭化進行を阻害せず、(A)成分、(B)成分、及び(C)成分を溶解し、目的とする炭素量子ドットが得られる限り、特に制限されることはない。そのような溶媒として、例えば、水、並びに、アルコール、ホルムアミド、エチレングリコール及び、ジメチルアセトアミド等の有機溶媒が挙げらる。これらの中でも、可視光の種類の調整や蛍光量子収率の高い炭素量子ドットを得る観点から、水、ホルムアミドなどを好適に用いる。 The solvent that can be used when preparing the solution containing the components (A), (B), and (C) does not inhibit the carbonization progress of lignin, and the components (A), (B), and ( C) As long as the component is dissolved and the desired carbon quantum dot is obtained, there is no particular limitation. Examples of such a solvent include water and organic solvents such as alcohol, formamide, ethylene glycol and dimethylacetamide. Among these, water, formamide, etc. are preferably used from the viewpoint of adjusting the type of visible light and obtaining carbon quantum dots having a high fluorescence quantum yield.

本発明に関する説明において、水とは、一般的な水をいい、目的とする炭素量子ドットを得ることができる限り特に制限されることはない。本発明に関する説明において、水は、例えば、イオン交換水、純水、蒸留水、または水道水などでありうる。水は、リグニンの炭化に悪影響を与えず、目的とする炭素量子ドットを得ることができる限り、有機溶媒を含むことができる。そのような有機溶媒は、例えば、アルコール、ホルムアミド、エチレングリコール及び、ジメチルアセトアミド等を含むことができる。水を含む溶媒を水系媒体ともいう。 In the description of the present invention, water refers to general water, and is not particularly limited as long as the desired carbon quantum dots can be obtained. In the description of the present invention, the water may be, for example, ion-exchanged water, pure water, distilled water, tap water, or the like. Water can contain an organic solvent as long as it does not adversely affect the carbonization of lignin and the desired carbon quantum dots can be obtained. Such organic solvents can include, for example, alcohols, formamides, ethylene glycols, dimethylacetamides and the like. A solvent containing water is also referred to as an aqueous medium.

(2)の工程として、(1)のプロセスで得られた溶液は、加熱して炭化させて、炭素量子ドットを生成する。 As the step (2), the solution obtained in the process (1) is heated and carbonized to generate carbon quantum dots.

炭素量子ドットを生成させるための方法は、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を加熱して炭化させることができ、目的とする炭素量子ドットを得ることができる限り、特に制限されることはない。炭素量子ドッドの発光強度増大のために、(A)成分、(B)成分、及び(C)成分を含む溶液に、さらにチオ尿素を添加してもよい。 A method for producing carbon quantum dots can be carried out by heating and carbonizing a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound, and (C) an aliphatic polyamine. As long as the carbon quantum dots to be obtained can be obtained, there is no particular limitation. Thiourea may be further added to the solution containing the components (A), (B), and (C) in order to increase the emission intensity of the carbon quantum dodd.

炭素量子ドットを生成するための加熱方法としては、例えば、密閉して加熱する方法(「ソルボサーマル法」ともいう。水系媒体の場合、特に「水熱法」ともいう。)、及びマイクロ波を照射して加熱する方法(「マイクロ波法」ともいう)を使用することができる。 Examples of the heating method for generating carbon quantum dots include a method of sealing and heating (also referred to as "solvothermal method"; in the case of an aqueous medium, particularly referred to as "hydrothermal method"), and microwaves. A method of irradiating and heating (also referred to as "microwave method") can be used.

マイクロ波法では、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を加熱して炭化させることができ、目的とする炭素量子ドットを得ることができる限り、そのマイクロ波のワット数と加熱時間は、適宜選択しうる。マイクロ波のワット数は、例えば、100W〜1500Wであることが好ましく、300W〜1000Wであることがより好ましく、300W〜800Wであることが更に好ましく、500W〜800Wであることが特に好ましい。マイクロ波による加熱時間は、1〜30分であることが好ましく1〜15分であることがより好ましく、5〜15分であることが更に好ましく、5〜10分であることが特に好ましい。 In the microwave method, a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound, and (C) an aliphatic polyamine can be heated and carbonized to obtain a desired carbon quantum dot. Wherever possible, the microwave wattage and heating time can be selected as appropriate. The wattage of the microwave is, for example, preferably 100 W to 1500 W, more preferably 300 W to 1000 W, further preferably 300 W to 800 W, and particularly preferably 500 W to 800 W. The heating time by microwave is preferably 1 to 30 minutes, more preferably 1 to 15 minutes, further preferably 5 to 15 minutes, and particularly preferably 5 to 10 minutes.

ソルボサーマル法では、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を加熱して炭化させることができ、目的とする炭素量子ドットを得ることができる限り、その密閉下での加熱温度と加熱時間は、適宜選択しうる。密閉下での加熱温度は、例えば、100℃〜350℃であることが好ましく、120℃〜300℃であることがより好ましく、150℃〜280℃であることが更に好ましく、200℃〜250℃であることが特に好ましい。密閉下での加熱時間は、1〜48時間であることが好ましく、2〜24時間であることがより好ましく、3〜12時間であることが更に好ましく、4〜8時間であることが特に好ましい。 In the sorbothermal method, a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound, and (C) an aliphatic polyamine can be heated and carbonized to obtain a desired carbon quantum dot. As long as it is possible, the heating temperature and heating time under the hermetically sealed state can be appropriately selected. The heating temperature under sealing is, for example, preferably 100 ° C. to 350 ° C., more preferably 120 ° C. to 300 ° C., further preferably 150 ° C. to 280 ° C., and 200 ° C. to 250 ° C. Is particularly preferable. The heating time under sealing is preferably 1 to 48 hours, more preferably 2 to 24 hours, further preferably 3 to 12 hours, and particularly preferably 4 to 8 hours. ..

反応の終了は、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液が茶褐色になり、(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)芳香族化合物、又は(C)脂肪族ポリアミンがなくなることで判断しうる。 At the end of the reaction, the solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound, and (C) an aliphatic polyamine turns brown, and (A) lignin or a carbonized product thereof, (B). It can be judged by the absence of aromatic compounds or (C) aliphatic polyamines.

反応後は、放冷し、生成物の精製等を適宜行いうる。精製は、通常行われる方法を適宜組み合わせうる。例えば、適宜溶媒を加えて、不溶物及び分散物を遠心沈降又はろ過により除去することができる。遠心沈降の上澄み液又はろ過によるろ液を、透析により更に精製することもできる。(2)のプロセスを経て得られた溶液は、減圧乾燥して、炭素量子ドットを得ることができる。 After the reaction, the mixture may be allowed to cool and the product may be purified as appropriate. Purification can be appropriately combined with commonly used methods. For example, insoluble matter and dispersion can be removed by centrifugal sedimentation or filtration by adding a solvent as appropriate. The supernatant from centrifugal sedimentation or the filtrate by filtration can be further purified by dialysis. The solution obtained through the process (2) can be dried under reduced pressure to obtain carbon quantum dots.

(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を加熱炭化させて得られる生成物には、目的とする炭素量子ドットが含まれていればよく、他の副生物などが不溶物、分散物といった形態で懸濁液中に混在している場合がありうる。 The desired carbon is used in the product obtained by heating and carbonizing a solution containing (A) lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine. Quantum dots may be included, and other by-products may be mixed in the suspension in the form of insoluble matter or dispersion.

本発明の形態の製造方法で製造しうる炭素量子ドットは、茶褐色の溶液を形成することができ、450〜620nmの青色から橙色領域に渡り、幅広い吸収が認められることが好ましい。 The carbon quantum dots that can be produced by the production method of the embodiment of the present invention can form a brown solution, and it is preferable that a wide range of absorption is observed in the blue to orange region of 450 to 620 nm.

以下、本発明を実施例により具体的かつ詳細に説明するが、これらの実施例は本発明の一態様にすぎず、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
尚、実施例の記載において、特に記載がない限り、溶媒を考慮しない部分を、重量部及び重量%の基準としている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but these Examples are merely one aspect of the present invention, and the present invention is not limited to these Examples.
In the description of the examples, unless otherwise specified, the portion not considering the solvent is used as the standard of parts by weight and% by weight.

本実施例で使用した成分を以下に示す。 The components used in this example are shown below.

(A)リグニン
(a1)リグニンスルホン酸ナトリウム(日本製紙社製、商品名:バニレックスN、化学組成(対固形分%)としてリグニンスルホン酸塩91%)
(a2)クラフトリグニン(針葉樹由来)(日本製紙社製)
(a3)溶解クラフトパルプ蒸解前加水分解物(日本製紙社製)
(a4)リグニンスルホン酸ナトリウム(低分子画分)(日本製紙社製、商品名:サンパールCP)
(a5)リグニンスルホン酸ナトリウム(日本製紙(株)製、商品名:バニレックスRN化学組成(対固形分%)としてリグニンスルホン酸塩97%)
(A) Lignin (a1) Sodium lignin sulfonate (manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd., trade name: Vanillex N, lignin sulfonate 91% as chemical composition (% solid content))
(A2) Craft lignin (derived from coniferous trees) (manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.)
(A3) Hydrolyzate before dissolution of dissolved kraft pulp (manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd.)
(A4) Sodium lignin sulfonate (low molecular weight fraction) (manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd., trade name: Sunpearl CP)
(A5) Sodium lignin sulfonate (manufactured by Nippon Paper Industries, Ltd., trade name: lignin sulfonate 97% as vanillex RN chemical composition (% solid content))

(B)アミン化合物
(b1)アミドール(和光純薬工業社製)
(b2)m−フェニレンジアミン(ヒドロキシル基を含まない芳香族アミン)
(B) Amine compound (b1) Amidol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)
(B2) m-phenylenediamine (aromatic amine containing no hydroxyl group)

(C)エチレンジアミン(和光純薬工業社製) (C) Ethylenediamine (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)

<実施例1:青色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Blue)>
0.1g/5mLの(a1)リグニン粉末(炭化処理なし)、2.5mLのエチレンジアミン(EDA)、0.1g/5mLのチオ尿素と0.4g/5mLのアミドールの混合物をボルテックスミキサーでよく撹拌すると黒青色の溶液となった。pHメーター F−53により、5mol/LのNaOHを用いて混合溶液のpH値が約12.0になるように調製した。この混合溶液を、PTFE製内筒容器と耐圧ステンレス製外筒の二重密閉方式になっている水熱合成用の耐圧金属容器に移し、オートクレーブの中で、230℃で5時間、ソルボサーマル合成(溶媒:ホルムアミド)を行った。加熱後、容器が室温になるまで一晩、冷却した。得られた溶液を2本の遠沈管に等分し、遠心機を用いて、6000rpmで10分間遠心分離をした。得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、青色発光CQD(Blue)水溶液を得た。
<Example 1: Production of blue emitting carbon quantum dots: CQD (Blue)>
Mix 0.1 g / 5 mL (a1) lignin powder (without charcoal treatment), 2.5 mL ethylenediamine (EDA), 0.1 g / 5 mL thiourea and 0.4 g / 5 mL amidol well with a vortex mixer. Then, it became a black-blue solution. The pH meter F-53 was prepared using 5 mol / L NaOH so that the pH value of the mixed solution was about 12.0. This mixed solution is transferred to a pressure-resistant metal container for hydrothermal synthesis, which is a double-sealed double-sealed PTFE inner cylinder container and pressure-resistant stainless steel outer cylinder, and is subjected to solvothermal synthesis at 230 ° C. for 5 hours in an autoclave. (Solvent: formamide) was performed. After heating, the container was cooled overnight until it reached room temperature. The obtained solution was equally divided into two centrifuge tubes and centrifuged at 6000 rpm for 10 minutes using a centrifuge. The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a blue luminescent CQD (Blue) aqueous solution.

<実施例2:青色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Blue)>
0.8gの(a1)リグニン粉末と5mLのEDAを混合し、25mL石英るつぼへと移し替えた後、真空電気炉で窒素雰囲気下(4.0L/min)、360℃、2.5時間加熱することで、炭化リグニンを得た。
<Example 2: Production of blue emitting carbon quantum dots: CQD (Blue)>
0.8 g of (a1) lignin powder and 5 mL of EDA are mixed, transferred to a 25 mL quartz crucible, and then heated in a vacuum electric furnace under a nitrogen atmosphere (4.0 L / min) at 360 ° C. for 2.5 hours. By doing so, carbonized lignin was obtained.

0.1g/5mLの炭化リグニン粉末、EDA 2.5mL、0.1g/5mLのチオ尿素と0.4g/5mLのアミドールの混合物をボルテックスミキサーでよく撹拌する黒青色の溶液となった。pHメーターF−53により、5mol/LのNaOHを用いて混合溶液のpH値が約12.0になるように調製した。この混合溶液を、PTFE製内筒容器と耐圧ステンレス製外筒の二重密閉方式になっている水熱合成用の耐圧金属容器に移し、オートクレーブの中で、230℃で5時間、ソルボサーマル合成(溶媒:ホルムアミド)を行った.加熱後、容器が室温になるまで一晩、冷却した。得られた溶液を2本の遠沈管に等分し、遠心機を用いて、6000rpmで10分間遠心分離をした。得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、青色発光CQD(Blue)水溶液を得た。 A mixture of 0.1 g / 5 mL lignin powder, EDA 2.5 mL, 0.1 g / 5 mL thiourea and 0.4 g / 5 mL amidol was mixed well with a vortex mixer to give a black-blue solution. It was prepared by a pH meter F-53 using 5 mol / L NaOH so that the pH value of the mixed solution was about 12.0. This mixed solution is transferred to a pressure-resistant metal container for hydrothermal synthesis, which is a double-sealed double-sealed PTFE inner cylinder container and pressure-resistant stainless steel outer cylinder, and is subjected to solvothermal synthesis at 230 ° C. for 5 hours in an autoclave. (Solvent: formamide) was performed. After heating, the container was cooled overnight until it reached room temperature. The obtained solution was equally divided into two centrifuge tubes and centrifuged at 6000 rpm for 10 minutes using a centrifuge. The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a blue luminescent CQD (Blue) aqueous solution.

<実施例3:緑色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Green)>
0.5g/5mLの(a1)リグニン粉末(炭化処理なし)、5.0mLのEDA、0.5g/5mLのチオ尿素と2.0g/5mLのアミドールの混合物をボルテックスミキサーでよく撹拌すると、暗褐色の溶液となった。pHメーターにより、5mol/LのNaOHを用いて混合溶液のpH値が約12.0になるように調製した。この混合溶液を、PTFE製内筒容器と耐圧ステンレス製外筒の二重密閉方式になっている水熱合成用の耐圧金属容器に移し、オートクレーブの中で、230℃で5時間、水熱合成(溶媒:水)を行った。得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、緑色発光CQD(Green)水溶液を得た。
<Example 3: Production of green emitting carbon quantum dots: CQD (Green)>
A mixture of 0.5 g / 5 mL (a1) lignin powder (without carbonization), 5.0 mL EDA, 0.5 g / 5 mL thiourea and 2.0 g / 5 mL amidol is mixed well with a vortex mixer to darken. It became a brown solution. It was prepared by a pH meter using 5 mol / L NaOH so that the pH value of the mixed solution was about 12.0. This mixed solution is transferred to a pressure-resistant metal container for hydrothermal synthesis, which is a double-sealed double-sealed PTFE inner cylinder container and pressure-resistant stainless steel outer cylinder, and hydrothermal synthesis is performed in an autoclave at 230 ° C. for 5 hours. (Solvent: water) was performed. The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a green luminescent CQD (Green) aqueous solution.

<実施例4:橙色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Orange)>
0.8gの(a1)リグニン粉末と5mLのエチレンジアミン(EDA)を混合し、25mL石英るつぼへと移し替えた後、真空電気炉で窒素雰囲気下(4.0L/min)、360℃、2.5時間加熱することで、炭化リグニンを得た。
<Example 4: Manufacture of orange emitting carbon quantum dots: CQD (Orange)>
After mixing 0.8 g of (a1) lignin powder and 5 mL of ethylenediamine (EDA) and transferring to a 25 mL quartz crucible, in a vacuum electric furnace under a nitrogen atmosphere (4.0 L / min), 360 ° C., 2. By heating for 5 hours, carbonized lignin was obtained.

0.5g/5mLの炭化リグニン粉末、5.0mLのEDA、0.5g/5mLのチオ尿素と2.0g/5mLのアミドールの混合物をボルテックスミキサーでよく撹拌すると、黒青色の溶液となった。pHメーターにより、5mol/LのNaOHを用いて混合溶液のpH値が約12.0になるように調製した。この混合溶液を、PTFE製内筒容器と耐圧ステンレス製外筒の二重密閉方式になっている水熱合成用の耐圧金属容器に移し、オートクレーブの中で、230℃で5時間、水熱合成(溶媒:水)を行った。得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、橙色発光CQD(Orange)水溶液を得た。 A mixture of 0.5 g / 5 mL lignin powder, 5.0 mL EDA, 0.5 g / 5 mL thiourea and 2.0 g / 5 mL amidol was well stirred with a vortex mixer to give a black-blue solution. It was prepared by a pH meter using 5 mol / L NaOH so that the pH value of the mixed solution was about 12.0. This mixed solution is transferred to a pressure-resistant metal container for hydrothermal synthesis, which is a double-sealed double-sealed PTFE inner cylinder container and pressure-resistant stainless steel outer cylinder, and hydrothermal synthesis is performed in an autoclave at 230 ° C. for 5 hours. (Solvent: water) was performed. The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain an orange luminescent CQD (Orange) aqueous solution.

<実施例5:緑色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Green)>
(a1)リグニンスルホン酸ナトリウム(リグニン粉末、商品名:バニレックスN)の代わりに、(a2)クラフトリグニン(針葉樹由来)を用いたこと以外は、実施例3の製造法に従って、CQDを合成した。
得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、緑色発光CQD(Green)水溶液を得た。
<Example 5: Production of green emitting carbon quantum dots: CQD (Green)>
CQD was synthesized according to the production method of Example 3 except that (a2) craft lignin (derived from coniferous tree) was used instead of (a1) sodium lignin sulfonate (lignin powder, trade name: Vanillex N).
The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a green luminescent CQD (Green) aqueous solution.

<実施例6:緑色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Green)>
(a1)のリグニン粉末(商品名:バニレックスN)の代わりに、(a3)溶解クラフトパルプ蒸解前加水分解物を用いたこと以外は、実施例3の製造法に従って、CQDを合成した。
得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、緑色発光CQD(Green)水溶液を得た。
<Example 6: Production of green emitting carbon quantum dots: CQD (Green)>
CQD was synthesized according to the production method of Example 3 except that (a3) a hydrolyzate before dissolution of dissolved kraft pulp was used instead of the lignin powder (trade name: Vanillex N) of (a1).
The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a green luminescent CQD (Green) aqueous solution.

<実施例7:青色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Blue)>
(a1)のリグニン粉末(商品名:バニレックスN)の代わりに、(a4)リグニンスルホン酸ナトリウム(低分子画分、商品名:サンパールCP)を用いたこと以外は、実施例3の製造法に従って、CQDを合成した。
得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、緑色発光CQD(Blue)水溶液を得た。
<Example 7: Production of blue emitting carbon quantum dots: CQD (Blue)>
The production method of Example 3 except that (a4) sodium lignin sulfonate (low molecular weight fraction, trade name: Sunpearl CP) was used instead of the lignin powder (trade name: Vanillex N) of (a1). CQD was synthesized according to the above.
The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a green luminescent CQD (Blue) aqueous solution.

<実施例8:緑色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Green)>
(a1)のリグニン粉末(商品名:バニレックスN)の代わりに、(a5)リグニンスルホン酸ナトリウム(商品名:バニレックスRN)を用いたこと以外は、実施例3の製造法に従って、CQDを合成した。
得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、緑色発光CQD(Green)水溶液を得た。
<Example 8: Production of green emitting carbon quantum dots: CQD (Green)>
CQD was synthesized according to the production method of Example 3 except that (a5) sodium lignin sulfonate (trade name: Vanillex RN) was used instead of the lignin powder (trade name: Vanillex N) of (a1). ..
The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a green luminescent CQD (Green) aqueous solution.

<実施例9:緑色発光炭素量子ドットの製造:CQD(Green)>
0.5g/5mLの(a1)リグニン粉末(炭化処理なし)、5.0mLの分岐ポリエチレンイミン(Branched−PEI、シグマアルドリッチ社、型番468533、数平均分子量423)、0.5g/5mLのチオ尿素と2.0g/5mLのアミドールの混合物をボルテックスミキサーでよく撹拌すると、暗褐色の溶液となった。pHメーターにより、5mol/LのNaOHを用いて混合溶液のpH値が約12.0になるように調製した。この混合溶液を、PTFE製内筒容器と耐圧ステンレス製外筒の二重密閉方式になっている水熱合成用の耐圧金属容器に移し、オートクレーブの中で、230℃で5時間、水熱合成(溶媒:水)を行った。得られた上澄み液を、分画分子量3500の透析膜を用いて透析(24h)を行うことで、発光性CQD水溶液を得た。
<Example 9: Production of green emitting carbon quantum dots: CQD (Green)>
0.5 g / 5 mL (a1) lignin powder (without carbonation), 5.0 mL branched polyethyleneimine (Brunched-PEI, Sigma Aldrich, model number 468533, number average molecular weight 423), 0.5 g / 5 mL thiourea And 2.0 g / 5 mL of amidol mixture was stirred well with a vortex mixer to give a dark brown solution. It was prepared by a pH meter using 5 mol / L NaOH so that the pH value of the mixed solution was about 12.0. This mixed solution is transferred to a pressure-resistant metal container for hydrothermal synthesis, which is a double-sealed double-sealed PTFE inner cylinder container and pressure-resistant stainless steel outer cylinder, and hydrothermal synthesis is performed in an autoclave at 230 ° C. for 5 hours. (Solvent: water) was carried out. The obtained supernatant was dialyzed (24 hours) using a dialysis membrane having a molecular weight cut off of 3500 to obtain a luminescent CQD aqueous solution.

<比較例1:炭素量子ドットの製造:m−フェニレンジアミンを使用>
アミドールのヒドロキシル基を含まない芳香族アミンであるm−フェニレンジアミンを用いたこと以外は、実施例3の製造法に従って、CQDを合成した。
この比較例1で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルを図10に示す。アミドールを使用した場合と異なり、緑色蛍光は観測されず、490nmに蛍光ピーク波長を示す水色発光であった。また、蛍光量子収率は、非常に低く1%以下であった。
<Comparative Example 1: Production of carbon quantum dots: using m-phenylenediamine>
CQD was synthesized according to the production method of Example 3, except that m-phenylenediamine, which is an aromatic amine containing no hydroxyl group of amidol, was used.
The UV-Vis spectrum and the fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Comparative Example 1 are shown in FIG. Unlike the case where Amidol was used, green fluorescence was not observed, and the fluorescence was light blue emission showing a fluorescence peak wavelength at 490 nm. The fluorescence quantum yield was very low, 1% or less.

<炭素量子ドットの評価>
上記のとおり製造した炭素量子ドットについて、下記の測定を行って評価した。
<Evaluation of carbon quantum dots>
The carbon quantum dots manufactured as described above were evaluated by performing the following measurements.

<炭素量子ドット溶液の形態の評価方法>
製造された炭素量子ドット溶液の状況を目視で観察した。
溶液が均一な溶液又は分散液である場合:良好(G)
均一な溶液を得ることができず、大量の凝集物を得た場合:不可(NG)
<Evaluation method of morphology of carbon quantum dot solution>
The condition of the produced carbon quantum dot solution was visually observed.
If the solution is a uniform solution or dispersion: good (G)
When a uniform solution cannot be obtained and a large amount of agglomerates are obtained: Impossible (NG)

<UV−vis吸収スペクトルの測定方法>
炭素量子ドットの溶液を波長460nmで吸光度が0.1程度になるように希釈した。2面型石英セルに炭素量子ドット溶液を2mL入れた。紫外可視近赤外分光光度計を用いて、紫外可視吸収スペクトル(UV−vis吸収スペクトル)を測定した。
300〜800nmの近赤外から紫外領域に渡り、幅広い吸収が認められた:良好(G)
300〜800nmの近赤外から紫外領域に渡る、吸収が認められなかった:不可(NG)
<Measurement method of UV-vis absorption spectrum>
The solution of carbon quantum dots was diluted at a wavelength of 460 nm so that the absorbance was about 0.1. 2 mL of carbon quantum dot solution was placed in a two-sided quartz cell. The ultraviolet-visible absorption spectrum (UV-vis absorption spectrum) was measured using an ultraviolet-visible near-infrared spectrophotometer.
A wide range of absorption was observed from the near infrared to the ultraviolet region of 300 to 800 nm: good (G).
Absorption was not observed from near infrared to ultraviolet region of 300 to 800 nm: Impossible (NG)

<蛍光スペクトルの測定方法>
約1mLの炭素量子ドットの溶液を4面型石英セルに入れた。蛍光光度計を用いて、蛍光スペクトルを測定した。
発光が観察されて、蛍光スペクトルが測定された:良好(G)
発光が観察されて、蛍光スペクトルが測定できない:不可(NG)
<Measurement method of fluorescence spectrum>
A solution of about 1 mL of carbon quantum dots was placed in a four-sided quartz cell. The fluorescence spectrum was measured using a fluorometer.
Luminescence was observed and the fluorescence spectrum was measured: good (G)
Luminescence is observed and fluorescence spectrum cannot be measured: Impossible (NG)

<IRスペクトルの測定方法>
炭素量子ドットの溶液の水分を、減圧乾燥により除去し、炭素量子ドットの固体を得た。フーリエ変換赤外分光光度計を用いて、得られた炭素量子ドットの固体の赤外吸収スペクトル(IRスペクトル)を測定した。炭素量子ドットの表面にアミン基(−NH2)、ヒドロキシ基(−OH)及びカルボキシ基(−COOH)等の親水基が存在するか否かを調べた。
<Measurement method of IR spectrum>
The water content of the carbon quantum dot solution was removed by vacuum drying to obtain a solid carbon quantum dot. The infrared absorption spectrum (IR spectrum) of the obtained solid carbon quantum dots was measured using a Fourier transform infrared spectrophotometer. It was investigated whether or not hydrophilic groups such as amine group (-NH 2 ), hydroxy group (-OH) and carboxy group (-COOH) were present on the surface of carbon quantum dots.

<原子間力顕微鏡(AFM)による観察方法>
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて、炭素量子ドットを観察して、そのサイズを評価した。
AFM画像の断面図から、粒子の高さを炭素量子ドットのサイズとした。
<Observation method with atomic force microscope (AFM)>
Carbon quantum dots were observed and their size evaluated using an atomic force microscope (AFM).
From the cross-sectional view of the AFM image, the height of the particles was taken as the size of the carbon quantum dots.

<XRDスペクトルの測定方法>
炭素量子ドットの固体についてX線回折装置を用いて、XRDスペクトル(X線回折パターン)を測定した。回折ピークから格子面間隔を見積もった。
<Measurement method of XRD spectrum>
The XRD spectrum (X-ray diffraction pattern) of the solid carbon quantum dots was measured using an X-ray diffractometer. The lattice spacing was estimated from the diffraction peak.

<ゼータ電位の測定方法>
炭素量子ドットの表面電荷状態を調べるために、ゼータ電位測定を実施した。
各種炭素量子ドットのゼータ電位測定を実施し、粒子表面電荷を評価した。吸収波長が360nmで吸光度が0.1程度の炭素量子ドット溶液を調製した.この溶液600μLと、あらかじめ作製しておいた10mM NaCl水溶液100μLをゼータ電位測定用のセルに入れ、マルバーン社製ゼータサイザーナノZSPを用いて表面電位(ゼータ電位)を測定した。
<Measurement method of zeta potential>
Zeta potential measurements were performed to investigate the surface charge state of carbon quantum dots.
Zeta potential measurements of various carbon quantum dots were carried out to evaluate the particle surface charge. A carbon quantum dot solution having an absorption wavelength of 360 nm and an absorbance of about 0.1 was prepared. 600 μL of this solution and 100 μL of a 10 mM NaCl aqueous solution prepared in advance were placed in a cell for measuring the zeta potential, and the surface potential (zeta potential) was measured using a Zetasizer Nano ZSP manufactured by Malvern.

実施例1〜4および9の結果を、まとめて表1に示す。 The results of Examples 1 to 4 and 9 are summarized in Table 1.

Figure 2021088477
Figure 2021088477

<実施例2〜4:紫外可視(UV−vis)吸収スペクトル測定の結果>
実施例2〜4で得られた水溶液は、いずれもCQDに特有の茶褐の水溶液であった。それらのUV−Visスペクトルを図1に示す。図1において、横軸は波長(Wavelength)を示し、縦軸は吸光度(Absorbance)またはフォトルミネッセンス強度(PL Intensity)を示す。また、破線はUV−Vis(紫外−可視)吸収スペクトルを示し、実線は蛍光スペクトルを示す。
<Examples 2 to 4: Results of ultraviolet-visible (UV-vis) absorption spectrum measurement>
The aqueous solutions obtained in Examples 2 to 4 were all brownish brown aqueous solutions peculiar to CQD. Their UV-Vis spectra are shown in FIG. In FIG. 1, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents absorbance or photoluminescence intensity. The broken line shows the UV-Vis (ultraviolet-visible) absorption spectrum, and the solid line shows the fluorescence spectrum.

CQDに特徴的な700nm付近からの吸収端がみられた。π共役系が伸びたグラフェン構造を有するカーボン材料は、長波長側に吸収端がみられることから、合成したCQDにはグラフェン構造を内部に有することが示唆された。実施例2のCQD(Blue:青)溶液は、約350nm付近でピーク(ショルダー)を示す。このピークは、生成物のベンゼン環とn電子をもつ発色基によるn→π*遷移由来のピークと一致する。また、実施例3のCQD(Green:緑)と、実施例4のCQD(Orange:橙)では400〜600nmまでの範囲でブロードなピークが確認され、これはCQDの有する広い共役二重結合や、NやOといった元素を含む豊富な官能基が粒子表面に存在し、これら官能基が作る表面準位への電子遷移により生じたものであると考えられる。 An absorption edge from around 700 nm, which is characteristic of CQD, was observed. Since the carbon material having a graphene structure in which the π-conjugated system was extended had an absorption end on the long wavelength side, it was suggested that the synthesized CQD had a graphene structure inside. The CQD (Blue: blue) solution of Example 2 shows a peak (shoulder) near about 350 nm. This peak coincides with the peak derived from the n → π * transition due to the benzene ring of the product and the chromogenic group having n electrons. Further, in the CQD (Green: green) of Example 3 and the CQD (Orange: orange) of Example 4, a broad peak was confirmed in the range of 400 to 600 nm, which is the wide conjugated double bond possessed by the CQD. It is considered that abundant functional groups containing elements such as N and O are present on the particle surface and are generated by electronic transitions to the surface levels formed by these functional groups.

<実施例2〜4:蛍光スペクトル測定の結果>
実施例2〜4で得られた水溶液の蛍光スペクトルを図1に示す。図1において、横軸は波長(Wavelength)を示し、縦軸は吸光度(Absorbance)またはフォトルミネッセンス強度(PL Intensity)を示す。また、実線は蛍光スペクトルを示し、破線はUV−Vis(紫外−可視)吸収スペクトルを示す。
<Examples 2 to 4: Results of fluorescence spectrum measurement>
The fluorescence spectra of the aqueous solutions obtained in Examples 2 to 4 are shown in FIG. In FIG. 1, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents absorbance or photoluminescence intensity. The solid line shows the fluorescence spectrum, and the broken line shows the UV-Vis (ultraviolet-visible) absorption spectrum.

蛍光スペクトルから各種CQDの蛍光波長は、実施例2のCQD(Blue:青)で425nm(Ex=337nm)、実施例3のCQD(Green:緑)は518nm(Ex=389nm)、実施例4のCQD(Orange:橙)は594nm(Ex=480nm)であった。また、各種CQD溶液の励起スペクトルと蛍光スペクトルの差(Stokes Shift:ストークスシフト)は約120nmだった。この大きなストークシフトは、有機蛍光分子では見られないものであり、CQDの特徴的である。 From the fluorescence spectrum, the fluorescence wavelengths of various CQDs were 425 nm (Ex = 337 nm) in CQD (Blue: blue) of Example 2, 518 nm (Ex = 389 nm) in CQD (Green: green) of Example 3, and that of Example 4. The CQD (Orange: orange) was 594 nm (Ex = 480 nm). The difference between the excitation spectrum and the fluorescence spectrum of various CQD solutions (Stokes Shift) was about 120 nm. This large Stokes shift is not seen in organic fluorescent molecules and is characteristic of CQD.

<実施例2〜4:FT−IRスペクトル測定の結果>
実施例2〜4のCQDのIRスペクトルを図2に示す。図2において、横軸は波数(Wavenumber)を示し、縦軸は透過率(Transmittance)を示す。
<Examples 2 to 4: Results of FT-IR spectrum measurement>
The IR spectra of the CQDs of Examples 2 to 4 are shown in FIG. In FIG. 2, the horizontal axis represents wavenumber and the vertical axis represents transmittance.

実施例3のCQD(Green)と実施例4のCQD(Orange)が同様のピークを示す一方で、実施例2のCQD(Blue)は他二つと大きく異なるピークを示していることが明らかである。CQD(Blue)は、3300cm-1の幅広いピークはO−H結合の伸縮振動、2830〜2900cm-1のピークはC−H(アルカン)の伸縮振動、1465cm-1のピークはC−H(アルカン)の変角、1650cm-1、1100cm-1ピークはC=Cの伸縮振動、1180cm-1ピークはC−O−C(環状)の伸縮振動と帰属した。実施例2のCQD(Blue)の表面は、非解離性の親水基であるヒドロキシル基が存在していると考えられた。 It is clear that the CQD (Green) of Example 3 and the CQD (Orange) of Example 4 show similar peaks, while the CQD (Blue) of Example 2 shows significantly different peaks from the other two. .. In CQD (Blue), the wide peak of 3300 cm -1 is the expansion and contraction vibration of the OH bond, the peak of 2830 to 2900 cm -1 is the expansion and contraction vibration of CH (alkane), and the peak of 1465 cm -1 is the C-H (alkane). ), 1650 cm -1 , 1100 cm -1 peak is attributed to C = C expansion and contraction vibration, and 1180 cm -1 peak is attributed to COC (annular) expansion and contraction vibration. It was considered that a hydroxyl group, which is a non-dissociative hydrophilic group, was present on the surface of the CQD (Blue) of Example 2.

実施例3のCQD(Green)は、3300cm-1の幅広いピークはN−H結合の伸縮振動、3050cm-1ピークはC−H(ピリジン)の伸縮振動、2770cm-1のピークはC−H(アルカン)の伸縮振動、1650cm-1ピークはC=Cの伸縮振動、1630cm-1のピークは芳香族アミンのN−H変角、1330cm-1のピークは芳香族アミンのC−Nの伸縮振動、1520cm-1ピークはC=C、またはC=Nの伸縮振動、1230cm-1、1034cm-1のピークは、−SO3Hの伸縮振動、1150cm-1ピークはC−O−C(環状)の伸縮振動と帰属した。実施例4のCQD(Orange)も上に同様であった。これらの結果から、実施例3のCQD(Green)の表面は、解離性の親水基であるアミノ基(−NH2)、スルホン基(−SO3H)が表面官能基として存在していると考えられた。 In the CQD (Green) of Example 3, the wide peak of 3300 cm -1 is the expansion and contraction vibration of the N—H bond, the 3050 cm -1 peak is the expansion and contraction vibration of CH (pyridine), and the peak of 2770 cm -1 is the CH ( stretching vibration of alkanes), stretching vibration of 1650 cm -1 peak is C = C, N-H bending of the peak of 1630 cm -1 of aromatic amines, the peak of 1330 cm -1 is the stretching vibration of C-N of an aromatic amine , 1520 cm -1 peak stretching vibration of C = C or C = N,, 1230 cm -1, a peak of 1034cm -1, the stretching vibration of the -SO 3 H, 1150 cm -1 peak is C-O-C (ring) It was attributed to the expansion and contraction vibration of. The CQD (Orange) of Example 4 was the same as above. From these results, it can be seen that the surface of the CQD (Green) of Example 3 contains amino groups (-NH 2 ) and sulfone groups (-SO 3 H), which are dissociative hydrophilic groups, as surface functional groups. it was thought.

<実施例2〜4:セータ電位測定の結果>
実施例2〜4のCQD水溶液のゼータ電位のpH依存性を調査した結果を、図3−1、図3−2、および図3−3に示す。実施例2のCQD(Blue)のゼータ電位は、ほぼゼロであった。これは、実施例2のCQD(Blue)表面は、解離性官能基は存在していないことを示す。これは、IRスペクトル測定で明らかとなった実施例2のCQD(Blue)の主な表面官能基がpHに依存しないヒドロキシル基であることと矛盾しない。
<Examples 2 to 4: Results of sweater potential measurement>
The results of investigating the pH dependence of the zeta potential of the CQD aqueous solution of Examples 2 to 4 are shown in FIGS. 3-1, 3-2, and 3-3. The zeta potential of CQD (Blue) in Example 2 was almost zero. This indicates that the CQD (Blue) surface of Example 2 is free of dissociative functional groups. This is consistent with the fact that the main surface functional group of CQD (Blue) of Example 2 revealed by IR spectrum measurement is a pH-independent hydroxyl group.

実施例3のCQD(Green)は+1.44mV(水)、+13.4mV(pH3.0)、−22.4mV(pH11.0)であり、実施例4のCQD(Orange)は+1.44mV(水)、+5.48mV(pH3.0)、−14.8mV(pH11.0)となった。実施例2のCQD(Blue)とは異なり、実施例3のCQD(Green)、及び実施例4のCQD(Orange)は、ゼータ電位の値や符号がpHに依存することが判明した。これは、CQD表面に解離性官能基が存在し、pHによってプロトン化や脱プロトン化が起こっていることを示す。実施例3のCQD(Green)、及び実施例4のCQD(Orange)は共に、酸性条件下(pH3)では粒子表面の電荷は正に帯電し、塩基性条件下(pH11)では負に帯電したと考えられる。これは、IRスペクトル測定で明らかとなったCQD(Green/Orange)の主な表面官能基がアミノ基やスルホン基であることと矛盾しない。 The CQD (Green) of Example 3 was +1.44 mV (water), +13.4 mV (pH3.0), and -22.4 mV (pH 11.0), and the CQD (Orange) of Example 4 was +1.44 mV ( Water), +5.48 mV (pH 3.0), and -14.8 mV (pH 11.0). Unlike the CQD (Blue) of Example 2, the CQD (Green) of Example 3 and the CQD (Orange) of Example 4 were found to depend on the pH for the value and sign of the zeta potential. This indicates that dissociative functional groups are present on the surface of the CQD, and protonation or deprotonation occurs depending on the pH. Both the CQD (Green) of Example 3 and the CQD (Orange) of Example 4 were positively charged on the particle surface under acidic conditions (pH 3) and negatively charged under basic conditions (pH 11). it is conceivable that. This is consistent with the fact that the main surface functional groups of CQD (Green / Orange) revealed by IR spectrum measurement are amino groups and sulfone groups.

<実施例2〜4:原子間力顕微鏡(AFM)による観察の結果>
実施例2〜4の原子間力顕微鏡(AFM)で観察したCQDの画像を図4に示す。図中の断面図は、画像中の直線A地点からB地点までの断面プロファイル(図4下側)である。AFMの断面プロファイルからCQDのサイズは、約2〜3nmの粒子であることがわかった。
<Examples 2 to 4: Results of observation with an atomic force microscope (AFM)>
The images of CQD observed with the atomic force microscope (AFM) of Examples 2 to 4 are shown in FIG. The cross-sectional view in the figure is a cross-sectional profile (lower side of FIG. 4) from the straight line A point to the B point in the image. From the cross-sectional profile of the AFM, it was found that the size of the CQD was about 2-3 nm.

<実施例2〜4:XRDスペクトルの測定結果>
実施例2〜4のCQDのX線回折パターンを図5に示す。実施例2のCQD(Blue)は、2θ=27°及び2θ=40°近傍に回析ピークがあらわれた。2θ=27°のシャープなピークはグラファイトの(002)面の解析ピークと一致する(2θ=25°)。またブラックの式から算出した格子面間隔はCQD(Blue)がd=3.4Åとなり、グラファイトの面間隔が3.34Åと一致していた。従って、CQD(Blue)の粒子部分は結晶性の高いグラファイト構造を有していると考えられた。
<Examples 2 to 4: XRD spectrum measurement results>
The X-ray diffraction pattern of CQD of Examples 2 to 4 is shown in FIG. In the CQD (Blue) of Example 2, diffraction peaks appeared in the vicinity of 2θ = 27 ° and 2θ = 40 °. The sharp peak of 2θ = 27 ° coincides with the analysis peak of the (002) plane of graphite (2θ = 25 °). In addition, the lattice spacing calculated from Black's equation was that CQD (Blue) was d = 3.4 Å, and the graphite plane spacing was 3.34 Å. Therefore, it was considered that the particle portion of CQD (Blue) had a highly crystalline graphite structure.

実施例3のCQD(Green)、及び、実施例4のCQD(Orange)はどちらも2θ=25°近傍にブロードな回析ピークがあらわれた。実施例2のCQD(Blue)で見られた結晶性グラファイト構造由来のピークは観測されなかった。実施例3のCQD(Green)及び実施例4のCQD(Orange)の粒子内部は、主にアモルファス構造を有していると考えられた。このアモルファス構造の影響で、格子面間隔は実施例3のCQD(Green)で3.80Å、実施例4のCQD(Orange)は3.75Åと、グラファイト(d=3.4Å)よりも広い面間隔を示した。 In both the CQD (Green) of Example 3 and the CQD (Orange) of Example 4, a broad diffraction peak appeared in the vicinity of 2θ = 25 °. No peak derived from the crystalline graphite structure observed in CQD (Blue) of Example 2 was observed. It was considered that the inside of the particles of CQD (Green) of Example 3 and CQD (Orange) of Example 4 mainly had an amorphous structure. Due to the influence of this amorphous structure, the lattice spacing is 3.80 Å for CQD (Green) in Example 3 and 3.75 Å for CQD (Orange) in Example 4, which is wider than graphite (d = 3.4 Å). The interval is shown.

<実施例5:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
実施例5(リグニンとして(a2)を使用)で得られた水溶液のUV−Visスペクトルと蛍光スペクトルを図6に示す。リグニン源として、(a1)と(a2)を比較した場合、両者に蛍光スペクトルに有意な差は見られなかった。
<Example 5: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum of the aqueous solution obtained in Example 5 (using (a2) as lignin) are shown in FIG. When (a1) and (a2) were compared as lignin sources, no significant difference was found in the fluorescence spectra between the two.

<実施例6:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
実施例6(リグニンとして(a3)を使用)で得られた水溶液のUV−Visスペクトル(左グラフ)と蛍光スペクトル(右グラフ)を図7に示す。リグニン源として、(a1)と(a3)を比較した場合、(a1)を用いた方が、蛍光ピークの強度が増加することが明らかとなった。
<Example 6: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum (left graph) and fluorescence spectrum (right graph) of the aqueous solution obtained in Example 6 (using (a3) as lignin) are shown in FIG. When (a1) and (a3) were compared as the lignin source, it was clarified that the intensity of the fluorescence peak increased when (a1) was used.

<実施例7:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
実施例7(リグニンとして(a4)を使用)で得られた水溶液のUV−Visスペクトル(左グラフ)と蛍光スペクトル(右グラフ)を図8に示す。リグニン源として、(a1)と(a4)を比較した場合、(a1)を用いた方が、蛍光ピークの強度が増加した。
<Example 7: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum (left graph) and fluorescence spectrum (right graph) of the aqueous solution obtained in Example 7 (using (a4) as lignin) are shown in FIG. When (a1) and (a4) were compared as the lignin source, the intensity of the fluorescence peak increased when (a1) was used.

<実施例8:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
実施例8(リグニンとして(a5)を使用)で得られた水溶液のUV−Visスペクトル(左グラフ)と蛍光スペクトル(右グラフ)を図9に示す。リグニン源として、(a1)と(a5)を比較した場合、(a1)を用いた方が、蛍光ピークの強度が増加した。
<Example 8: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum (left graph) and fluorescence spectrum (right graph) of the aqueous solution obtained in Example 8 (using (a5) as lignin) are shown in FIG. When (a1) and (a5) were compared as the lignin source, the intensity of the fluorescence peak increased when (a1) was used.

<実施例9:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
実施例9で得られた水溶液のUV−Visスペクトル(左グラフ)と蛍光スペクトル(右グラフ)を図10に示す。脂肪族ポリアミンとしてポリエチレンアミンを用いて緑色(Green)のCQDを得ることができた。実施例9のCQDは、526nmに蛍光ピーク波長を有し、蛍光量子収率は、1.5%であった。
<Example 9: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum (left graph) and fluorescence spectrum (right graph) of the aqueous solution obtained in Example 9 are shown in FIG. A green CQD could be obtained using polyethyleneamine as the aliphatic polyamine. The CQD of Example 9 had a fluorescence peak wavelength at 526 nm, and the fluorescence quantum yield was 1.5%.

<比較例1:UV−Visスペクトルと蛍光スペクトルの測定結果>
比較例1(アミドールの代わりにm−フェニレンジアミンを使用)で得られた水溶液のUV−Visスペクトル(左グラフ)と蛍光スペクトル(右グラフ)を図10に示す。アミドールを使用した場合と異なり、緑色蛍光は観測されず、490nmに蛍光ピーク波長を示す水色発光であった。また、蛍光量子収率は、非常に低く1%以下であった。
<Comparative Example 1: Measurement results of UV-Vis spectrum and fluorescence spectrum>
The UV-Vis spectrum (left graph) and fluorescence spectrum (right graph) of the aqueous solution obtained in Comparative Example 1 (using m-phenylenediamine instead of amidol) are shown in FIG. Unlike the case where Amidol was used, green fluorescence was not observed, and the fluorescence was light blue emission showing a fluorescence peak wavelength at 490 nm. The fluorescence quantum yield was very low, 1% or less.

Claims (10)

(A)リグニンまたはその炭化処理物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む混合物の炭化物である、炭素量子ドット。 A carbon quantum dot which is a carbide of a mixture containing (A) a lignin or a carbonized product thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine. 前記(A)リグニンが、リグニンスルホン酸、クラフトリグニン、ソーダリグニン、およびオルガノソルブリグニンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項1に記載の炭素量子ドット。 The carbon quantum dot according to claim 1, wherein the lignin (A) comprises one or more selected from the group consisting of lignin sulfonic acid, kraft lignin, soda lignin, and organosolvrignin. 前記(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物が、ジアミノフェノール、ドーパミン、及びチロシンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項1または2に記載の炭素量子ドット。 The carbon quantum dot according to claim 1 or 2, wherein the aromatic compound having a hydroxy group and an amino group (B) contains one or more selected from the group consisting of diaminophenol, dopamine, and tyrosine. .. 前記(C)脂肪族ポリアミンが、エチレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノヘキサン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、及びポリアミドアミンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の炭素量子ドット。 Any of claims 1 to 3, wherein the aliphatic polyamine (C) comprises one or more selected from the group consisting of ethylenediamine, diaminobutane, diaminohexane, polyethyleneimine, polyallylamine, and polyamideamine. The carbon quantum dot described in item 1. (1)(A)リグニンまたはその炭化物、(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物、及び(C)脂肪族ポリアミンを含む溶液を用意すること;及び
(2)前記(1)で用意された溶液を加熱して炭化させること、
を含む、炭素量子ドットの製造方法。
(1) Prepare a solution containing (A) lignin or a carbide thereof, (B) an aromatic compound having a hydroxy group and an amino group, and (C) an aliphatic polyamine; and (2) prepare in (1) above. Heating and carbonizing the solution,
A method for producing carbon quantum dots, including.
前記(A)リグニンが、リグニンスルホン酸、クラフトリグニン、ソーダリグニン、およびオルガノソルブリグニンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項5に記載の製造方法。 The production method according to claim 5, wherein the lignin (A) comprises one or more selected from the group consisting of lignin sulfonic acid, kraft lignin, soda lignin, and organosolvrignin. 前記(B)ヒドロキシ基とアミノ基を有する芳香族化合物が、ジアミノフェノール、ドーパミン、及びチロシンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項5または6に記載の製造方法。 The production method according to claim 5 or 6, wherein the aromatic compound having a hydroxy group and an amino group (B) comprises one or more selected from the group consisting of diaminophenol, dopamine, and tyrosine. 前記(C)脂肪族ポリアミンが、エチレンジアミン、ジアミノブタン、ジアミノヘキサン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、及びポリアミドアミンからなる群から選択される1種又は2種以上を含む、請求項5〜7のいずれか一項に記載の炭素量子ドットの製造方法。 Any of claims 5 to 7, wherein the aliphatic polyamine (C) comprises one or more selected from the group consisting of ethylenediamine, diaminobutane, diaminohexane, polyethyleneimine, polyallylamine, and polyamideamine. The method for producing carbon quantum dots according to item 1. 前記(2)の処理を、マイクロ波を照射すること、及び/又は、密閉して加熱することによって行う、請求項5〜8のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 5 to 8, wherein the treatment of (2) is carried out by irradiating with microwaves and / or by sealing and heating. 前記(2)の処理を、有機溶媒を用いるソルボサーマル法によって行う、請求項5〜9のいずれか一項に記載の製造方法。 The production method according to any one of claims 5 to 9, wherein the treatment of (2) is carried out by a solvothermal method using an organic solvent.
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