[发明专利]一种水溶性荧光碳量子点制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水溶性荧光碳量子点制备方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术

碳量子点是以碳为骨架结构的纳米材料，是一种分散的、尺寸小于10nm的类球形纳米颗粒，一般包括纳米金刚石、碳颗粒和石墨烯量子点，也称碳点、碳纳米点、碳纳米晶。与各种金属量子点类似，碳量子点在光照情况下可以发出明亮的荧光。碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种，它具有独特的小尺寸特性和优越的荧光性质：碳量子点荧光明亮、稳定，激发光谱宽，发射光谱窄，且发射波长可通过改变材料的粒径大小和组成来调控，无光漂白现象，某些碳量子点还有上转换荧光特性。因而在生物样本尤其是活组织的多色成像中极为有用，能有效避免因样本自身发光和光散射导致的信号干扰。此外，碳量子点良好的生物相容性和精确的生物靶向性，以及低毒性，使得它成为传统半导体量子点在生物成像、生物标记等应用中很好的替代物，可直接用于肿瘤细胞标记和活细胞标记。由于碳量子点易于功能化和工业化，制备工艺简单、生产成本低廉，碳量子点在发光晶体、薄膜光激发器件、荧光传感、环境检测、光催化和光电器件等众多领域中展现出巨大的应用潜力，给生物医学、发光材料、光电器件、绿色环保等学科领域带来新的发展空间。目前合成碳量子点的方法主要有两种：一是自下而上（Bottom-up）的合成方法，是指通过热解或碳化合适前驱物直接合成荧光碳量子点，包括燃烧法、热解法、支持合成法、微波法等；二是自上而下（Top-down）的合成方法，即通过打碎碳的前驱物，然后通过聚合物表面钝化的方式使其有效发光，主要包括化学剥离碳纤维法、电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化和水热法等，其中水热法是合成碳量子点较为常用的方法。如果按制备碳量子点的原料来分，合成碳量子点的方法可以归结为两类：无机碳源和有机碳源。为了合成生物相容性好、毒性低、荧光强的碳量子点，以促进碳量子点在生物医学领域得以发展和应用，选择有机自然生物作碳源合成碳量子点更可取。近年来，许多学者采用橙汁、柚子皮、树叶、鸡蛋、豆奶、葡萄糖、维生素等自然生物为碳源合成碳量子点，但多数碳量子点合成方法存在反应时间长、产率低、耗能高、重复性差、分散性不够好等问题，因而影响碳量子点的应用。

发明内容

本发明的目的是提出一种水溶性荧光碳量子点的制备方法，特别是一种以新鲜柠檬汁为碳源，一步合成水溶性荧光碳量子点的方法，该方法能解决现有技术合成荧光碳量子点存在的反应时间长、高耗能、产量低、重复性差的问题。

本发明的技术方案是以新鲜柠檬汁为碳源，通过水热反应合成水溶性荧光碳量子点。其合成原理是新鲜柠檬汁中的维生素和柠檬酸分子加热脱水首先形成由C=C组成的碳量子点基本骨架单元，然后其余的纤维素C和柠檬酸分子到达此核的表面再脱水产生新的C=C，并以这种形式不断生长。随着加热时间的延长，逐渐形成尺寸为几纳米的碳量子点。与此同时，柠檬汁中的纤维素C和柠檬酸水热碳化产物碳量子点表面存在有许多羟基(-OH)、羧基(-COOH)和羰基(-C=O)等含氧官能团，这些官能团中的H和O会在水热环境中脱水除去，残余的官能团连接在碳量子点的C=C骨架表面及边缘起钝化作用，使碳量子点具有良好的水溶性和荧光性质。这种合成方法中加热温度、加热时间、柠檬汁水溶的液体积及其浓度均会对碳量子点的生长产生直接影响。因此，可通过控制这些因素来制备不同颜色的荧光碳量子点。

本发明的技术特征在于合成荧光碳量子点的工艺过程包含以下步骤：

1.将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取鲜柠檬汁与酒精按4:3的比例混合，制成柠檬汁水溶液作为水热反应的前驱体；

2.将所述的柠檬汁水溶液放入用油浴锅加热的反应釜聚四氟乙烯内衬中，在约120℃恒温水热反应2.5~5小时；

3.待柠檬汁水溶液反应结束后，让水热反应物自然冷却至室温再取出，然后在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可重复2~3次；

4.在上层清液中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，静置均匀后又取上层清液；再在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，然后将此清液以10000r/min的转速离心15min，再取上层清液，透析后即可获得含荧光碳量子点的水溶液。