[发明专利]一种碳点修饰二氧化硅纳米粒子基水凝胶复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种碳点修饰二氧化硅纳米粒子基水凝胶复合材料的制备方法及应用，其制备方法包括以下步骤：1）将海藻酸钠，乙二胺和二氧化硅纳米粒子通过一步水热法得到碳点修饰二氧化硅纳米粒子，再将上述纳米粒子与甲基丙烯酸羟乙酯进行脱水反应得到可交联的碳点修饰二氧化硅纳米粒子，二氧化硅纳米粒子的粒径在50到200nm之间，其水的悬浮液在紫外光照射下可发射蓝色荧光；2）将上述碳点修饰二氧化硅粒子作为交联剂，与丙烯酸和甲基丙烯酸羟乙酯单体共混，再通过一步光聚合法得到水凝胶复合材料；本发明制备的水凝胶复合材料可应用于水中铜离子（Cu²⁺）的吸附和检测，制备简单，机械稳定性好，离子选择性高，无毒环保。

技术领域

本发明涉及一种水凝胶复合材料的合成领域，具体涉及一种碳点修饰二氧化硅纳米粒子基水凝胶复合材料的制备方法及应用。

背景技术

荧光水凝胶复合材料由于同时具有水凝胶优势，如高含水量，生物相容性，多重刺激响应性等和荧光特性，从而被广泛应用于生物医药，组织工程，药物载体，传感器，致动器等领域。目前，荧光水凝胶复合材料的制备方法主要是将荧光纳米材料通过化学或物理交联方法包埋在水凝胶基体内部而得。迄今为止，多种荧光纳米粒子，如半导体量子点，钙钛矿量子点，纳米晶金属粒子，碳点和上转换纳米粒子等已经被用于荧光水凝胶复合材料的制备。

目前，上述开发的荧光水凝胶复合材料仍存在很大弊端，如由于高的含水量导致具有相对较弱的机械强度，从而限制了其进一步的实际应用。因此，高强度荧光水凝胶的制备仍然是该领域的一大挑战。迄今为止，有四种制备方法可以用于制备高强度水凝胶：第一，开发出滑环结构聚合物，再通过化学或物理交联获得水凝胶；第二是开发双聚合物网络结构水凝胶，其一聚合物网络为硬而脆的聚合物；其二聚合物网络为软而弱的聚合物；第三是纳米复合技术，即将纳米粒子作为引发位点直接合成水凝胶；第四是纳米粒子或纳米胶束增强技术，即将纳米粒子或纳米胶束作为交联剂再与单体聚合而得。目前，基于双网络结构的水凝胶具有最高的机械强度，其压缩强度可达10MPa，然而，其拉伸强度很弱。此外，由纳米粒子或纳米胶束增强技术获得的水凝胶具有很好的应变能力，但是拉伸强度在1MPa左右，相对较弱。

上述四种制备方法多集中于高强度水凝胶材料，而将其用于荧光水凝胶复合材料的制备仍是一大挑战。为了满足实际应用的要求，一方面要求荧光水凝胶复合材料的拉伸强度要达到10MPa以上，而另一方面还要保证荧光稳定性和环保性，保证在实际使用过程中荧光物质能稳定在水凝胶基体内部而不被释放出来。此外，水凝胶在外界刺激下发生可逆溶胀收缩响应从而可以将其应用于传感器的开发。目前，荧光纳米粒子可以很好的实现水体中金属离子检测，然而，荧光水凝胶复合材料，特别是具有高强度和良好荧光稳定性的荧光水凝胶复合材料的制备还未实现，基于此种水凝胶的金属离子传感器的应用亟待开发。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的第一目的提供一种碳点修饰二氧化硅纳米粒子基水凝胶复合材料，其包括水凝胶基体和可交联的碳点修饰二氧化硅纳米粒子，其中可交联的碳点修饰二氧化硅纳米粒子可以作为交联剂。

本发明的第二目的在于提供一种碳点修饰二氧化硅纳米粒子基水凝胶复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）取海藻酸钠、乙二胺、二氧化硅纳米粒子和水均匀混合，混合后海藻酸钠占重量百分数为1-5%，乙二胺为1-3%，二氧化硅纳米粒子为1-5%，其余为水，混合后采用水热法在180-200^oC下反应3-5h，最后再离心清洗即得到碳点修饰二氧化硅纳米粒子；

（2）取上述纳米粒子1-5g与5-10mL的甲基丙烯酸羟乙酯混合均匀并在1-3mL的EDC催化下于50-70^oC搅拌3-5h进行脱水反应，反应完毕离心清洗即得到可交联的碳点修饰二氧化硅纳米粒子，其中二氧化硅纳米粒子的粒径在50到200nm之间，其水的悬浮液在紫外光照射下可发射蓝色荧光；

（3）将上述0.6-1.4 wt%的可交联的碳点修饰二氧化硅粒子作为交联剂，与0.3-0.6mL的丙烯酸和2-6mL的甲基丙烯酸羟乙酯单体共混，再通过一步光聚合法即得到水凝胶复合材料。