[发明专利]高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点、其制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种量子点材料，尤其涉及一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点及其制备工艺和应用，属于无机非金属纳米材料领域。

背景技术

碳量子点（如下简称为“碳点”）自从2004年被首次发现以来，因其优越的性能引起科学家们的广泛关注。与传统半导体量子点相比，碳点具有以下优越的性能：良好的生物相容性、稳定的光致发光性能、较宽的激发波长范围、发射波长依赖激发波长的特性、表面易于修饰等。因此，碳点有望取代半导体量子点应用于生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域。

目前碳点的化学合成工艺主要包括电化学合成法（Chem. Commun., 2008, 5116；Angew. Chem. Int. Ed., 2010, 49, 4430）、燃烧热分解法（Angew. Chem. Int. Ed.,2007, 46, 6473）、水热法（Adv. Mater., 2010, 22, 734）、酸氧化法（New J. Chem.,2010, 34, 591）、微波法（Chem. Commun.,2009, 5118）等。但是上述合成方法均存在不足之处，电化学合成法和微波法需要使用特殊的实验装置，实验操作复杂；燃烧热分解法产量低，无法大量制备；水热法需要高温高压条件，操作存在安全隐患；酸氧化法无法控制产物尺寸的均一性，同时会产生大量有害气体。

总之，目前碳点合成还处于起步阶段，合成方法大都存在多步操作、程序繁杂、荧光量子效率低等缺陷。为进一步提高所得碳点的荧光性能，研究者们一直在努力寻找合适的碳源和有效的制备方法。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的之一在于提供一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点。

本发明的目的之二在于提供一种制备所述高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的方法。

本发明的目的之三在于提供所述高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点在生物学领域中的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案:

一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点，是通过将含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得。

进一步的，所述碳量子点的粒径主要分布在2-4 nm，含氮量为5-10wt%，并能够在波长为403 nm的激光的照射下显现出绿色荧光，且荧光量子效率为10-20%。

一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，包括：将质量比为1~5:1的含氮碳源和表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得目标产物。

进一步的，所述含氮碳源可优选为尿素，但不限于此。

进一步的，所述表面修饰分子可优选为聚乙二醇，尤其分子量为600的HOOC-PEG-COOH，但不限于此。

进一步的，所述高沸点醇可优选为丙三醇或一缩二乙二醇，但不限于此。

在一较为优选的实施方案中，该方法可以包括：将所述含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合后在惰性保护气氛中于200-240℃的温度条件下反应1-8 h后获得目标产物。

进一步的，在一较为典型的实施案例中，该方法可以包括：

（1）将尿素与聚乙二醇按照1～5：1的质量体积比（g/ml）和高沸点醇混合，在惰性气体保护下120℃回流1 h除水；

（2）在惰性气体保护下升温至200-240℃充分反应1-8 h后冷却至室温；

（3）将步骤（2）最终所获混合物透析、旋蒸、冻干，得到粘稠状棕色液体，即所述碳量子点。

更为具体的，前述步骤（1）可包括：将尿素（0.1-5 g）、聚乙二醇(0.1-1 mL)和高沸点醇（丙三醇或一缩二乙二醇5-25 mL）混合，在惰性气体保护下120℃回流1小时除水。

如前所述的任一种碳量子点在细胞成像中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

（1）本发明碳量子点具有粒径均匀（主要分布在2-4 nm），含氮量高（可达10%），荧光量子效率高（可达20%），成本低廉、生物相容性好等优点，可在细胞成像、活体成像等领域广泛应用；

（2）本发明碳量子点的合成与表面修饰一步完成，工艺简单且成本低廉，可宏量生产，能充分满足产业化应用需求。