[发明专利]一种具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种硫、氮双掺杂碳量子点、制备方法及其用途，具体涉及一种具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点、制备方法及其用途。

背景技术

碳元素是地球上所有已知生命的基础，在现代科技发展中拥有举足轻重的作用。碳元素具有多样的电子轨道特性(sp、sp2和sp3)，所以形成许多结构和性质奇特的物质，如碳纳米管、富勒烯、纳米金刚石、石墨烯及氧化石墨烯等。近年纳米碳材料的发展不断刷新成绩，至2004年Scrivens等首次在提纯电弧放电法制备的单壁碳纳米管时，意外分离出了碳量子点，再次开拓了新型荧光敏感材料的新纪元。

发光碳量子点(Carbon dots，CDs)是以碳为骨架结构的尺寸小于10nm的类球形的纳米颗粒，具有优越的发光性能；与半导体量子点相比，碳量子点发光更稳定、易于功能化和工业化、无毒、制备简单廉价，在发光材料、光电器件、绿色环保、生物医学、金属阳离子和阴离子的生化分析和光催化等领域都拥有重要的应用价值。因此碳量子点一问世，就受到科研人员的高度关注。出色的光学性质和低毒特性使碳量子点成为最具应用前景的环境友好型纳米材料，其可应用于生物医学领域。

碳量子点的合成方法主要有“自上而下”和“自下而上”两种途径。制备量子点的碳源非常广泛，既可以是碳单质可以是化合物。但是，采用不同的原料作为碳源合成出的碳量子点很多荧光很弱，甚至是没有荧光。为了提高所得碳量子点的发光强度，拓宽其在细胞标记等领域的应用，选择合适碳源和有效提高发光强度的制备方法，简易制备水溶性好和发光强度高的碳量子点仍有很大的探索空间，其中元素掺杂是提高荧光强度一种有效的方法。在掺杂的碳量子点中，目前的研究主要集中在硫、氮单原子元素掺杂的碳量子点上，而用单一原料进行双原子掺杂的碳量子点的制备、性质及其应用则鲜有报道。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于通过掺杂硫、氮双原子来改变碳量子点内部的能带结构，并采用单一原料进行双原子掺杂，制备一种具有高荧光量子产率的碳量子点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点的制备方法，所述方法为水热法，包括以下步骤：

(1)将碳源和硫氮源溶解于水中，得到前驱体溶液；

(2)将前驱体溶液在水热反应釜中反应，然后自然冷却至室温得悬浊液；

(3)分离悬浊液，得到溶液；

(4)将溶液干燥，得到具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点。

所述硫氮源即，一种化合物既作为氮源，又作为硫源。

本发明采用单一原料进行氮、硫双原子掺杂，并利用水热法一步合成得到具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点。

优选地，所述碳源为柠檬酸钠。

优选地，所述硫氮源为硫酰胺。

优选地，所述前驱体溶液中柠檬酸钠的浓度为0.1mol/L，硫酰胺的浓度为0.001～10mol/L，优选0.01mol/L。即所述柠檬酸钠和硫酰胺的摩尔比为1:0.01～1:10，例如为1:0.01、1:0.1、1:1、1:2或1:6等，优选为1:0.1。如果柠檬酸钠与硫酰胺的摩尔比在1:0.1以下，其荧光强度不会有明显的增加；如果柠檬酸钠溶液与所述硫酰胺溶液的摩尔比大于1:0.1后，荧光强度急剧下降，摩尔比为1:0.1时，荧光强度出现峰值。本发明优选所述柠檬酸钠与硫酰胺的摩尔比为1:0.1，以确保拥有最佳的荧光效果。

所述溶解即完全溶解。

所述水热反应釜为聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜。

优选地，所述反应温度为120～240℃(例如为140℃、160℃、180℃、200℃、220℃或240℃等)，在该温度范围内均能合成具有荧光性能的硫、氮双掺杂碳量子点。

优选地，所述反应时间为2h以上，例如为4h、6h、8h或10h等，优选为6h。

优选地，采用圆筒形膜分离过滤器进行分离。

优选地，所述圆筒形膜分离过滤器为截留分子量3kDa、5kDa、10kDa或30kDa中的任意一种或者至少两种的组合。

优选地，所述干燥在真空条件下进行，干燥温度为100～120℃，干燥时间为12h。

一种具有高荧光量子产率的硫、氮双掺杂碳量子点的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)将柠檬酸钠和硫酰胺溶解于水中，得到前驱体溶液；

(2)将前驱体溶液在水热反应釜中反应6h，然后自然冷却至室温得悬浊液；