[发明专利]一种微波法制备高纯碳量子点的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳量子点制备及纯化技术，具体涉及一种两步分段微波法生产高纯碳量子点的方法。

背景技术

量子点(Quantum Dots,QDs)通常是指半径小于或接近激光波尔半径的半导体纳米晶体，是具有独特的光特性和电特性的纳米尺寸粒子。传统的半导体量子点均由高毒性的金属元素组成，一般为一些过渡金属的硫化物或者碲化物，如硫化镉、碲化镉等，具有生物毒性和环境危害，并且合成条件苛刻，成本较高，限制了其在生命科学中的应用。随着碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等碳源材料的发展，碳量子点应运而生。

碳量子点(Carbon Quantum Dots,CQDs)，其核心为粒径小于10nm的碳纳米颗粒。由于具有良好的荧光性能、优异的生物相容性、无毒和易于表面功能化，已成为传统半导体量子点的替代物，迅速成为一种新型的生物荧光探针用于细胞和活体成像。目前碳量子点的制备方法很多，所制备的碳量子点多是羧基修饰的；另一方面，现行的制备方法所得的碳纳米颗粒需要表面钝化剂进行表面修饰过程后才能达到一定的荧光性能。制备方法包括：电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、燃烧法、热解法等。但是目前碳量子点的这类合成方法几乎都不适合大规模制备，制备出来的有效碳量子点产量很低，而且后处理较复杂。微波法是近年来一种比较新型的方法，由于操作简单，成本低，反应时间短等特点越来越受到大家的青睐。专利号为201210027167.8，名称为氨基碳量子点的制备方法及其应用的中国发明专利公开了一种可以通过微波辅制备表面富含氨基的碳量子点的方法，以及该氨基碳量子点的应用，以氨基葡萄糖的磷酸盐水溶液为原料，以微波炉为反应平台，采用700W功率，微波辐射2～5min，获得含有碳量子点的溶液。但是现有微波法制备技术并不成熟，制备得到的碳量子点存在量子效率低，颗粒不均匀等缺点，因而在使用范围上还存在一定局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种两步分段微波法生产高纯碳量子点的方法。针对现有微波法的缺点，本发明在技术上采用微波反应仪替代传统的微波炉，在微波过程中，分别在一定条件下对大分子原料分两阶段进行微波，利用第一次微波对大分子原料进行降解，得到分子量适中的且分子量分布较窄的低分子原料，保证最终量子点颗粒的均匀度，再利用第二次微波制备高收率和高纯度的碳量子点。

本发明具体技术方案如下

一种微波法制备高纯碳量子点的方法，采用两步分段微波法，具体步骤包括：

（1）将原料溶液置于微波反应器中，使用微波功率400～800W，设定温度60～100℃，微波作用时间20～120分钟进行制备；

（2）将步骤（1）制备得到的溶液，使用微波功率800～1100W，设定温度80～300℃，微波作用时间20～120分钟进行制备得到含有碳量子点的溶液。

上述方法，步骤（1）优选使用微波功率700W，设定温度80℃，微波作用时间70分钟进行制备；所述步骤（2）优选使用微波功率900W，设定温度110℃，微波作用时间70分钟进行制备。

上述方法中所用的原料为本领域技术人员制备碳量子点使用的常规原料，如多糖、寡糖等，优选壳聚糖，由于壳聚糖原料是自然界中的天然可再生的丰产资源，具有无毒性、生物相容性并且可生物降解的优点，可节约生产成本，且产品无毒，安全环保。上述壳聚糖为不同脱乙酰度和不同聚合度的高分子量壳聚糖，优选为不同聚合度的窄分子量分布壳聚糖，更优选聚合度为10-20，分子量分布指数在1.02-1.25之间的壳聚糖。

上述方法中，壳聚糖溶液优选采用如下方法制备得到：将壳聚糖粉末溶解于质量体积百分比为0.5～30%的酸溶液中，并加入双氧水，在常温下搅拌5～20分钟，形成均匀透明的无色粘稠状液体。

上述方法中所述酸为乙酸、盐酸、硝酸、硫酸、混酸或柠檬酸等有机酸和无机酸。

上述方法中优选壳聚糖质量与酸溶液的体积比为1:60～90（g/ml）；酸溶液与双氧水的体积比为1:0.01～30。

上述方法还可以包括对步骤（2）的产物进行进一步纯化的步骤，具体包括：

（3）将步骤（2）反应得到的溶液冷却、过滤、浓缩，加入有机溶剂进行沉淀，过滤收集沉淀，干燥得到高纯碳量子点，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、乙醚、石油醚、丙酮、正己烷、乙腈等。

上述方法还可以包括对步骤（3）的产物进行纯化的步骤，具体包括：