一种氮掺杂的荧光碳量子点及其制备方法和应用与流程

本发明涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是一种氮掺杂的绿色荧光量子点及其制备方法和应用。

背景技术：

碳量子点作为一种新型的发光材料，与传统的半导体量子点和有机染料相比，具有碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且具有发光范围可调，双光子吸收截面大、荧光量子产率高、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉易于大规模合成等优点，其在生物医学领域尤其是在细胞、活体的动态示踪和成像中的应用已经表现出巨大的潜力，目前已经受到关注。其作为准零纳米材料具有量子限域效应、表面效应、尺寸效应等优越性质，使之在荧光探针生物检测、生物传感、生物分析、生物医学、光电转换及光催化等领域体现出重要的价值。

2004年，Scrivens等在纯化由电弧放电法获得的碳纳米管粗产物时，无意中分离出一种荧光碳纳米颗粒。2006年，Sun等采用激光消蚀石墨靶，粗产物经浓硝酸处理后，再用聚乙二醇(PEG1500N)对其进行表面钝化，最终也获得类似的荧光碳纳米粒子。Sun等首次将其称为“carbon dots”，即“碳量子点”。发展至今，研究者们已开发出诸多工艺来合成碳量子点。Baker等将所有碳量子点的合成工艺归纳为两类：自上而下(Top-down)和自下而上(Bottom-up)。自上而下是指碳量子点从大尺寸的碳靶剥离或粉碎而形成的；自下而上则是指碳量子点是由分子先驱体制备。具体来讲，自上而下的工艺主要包括电弧放电法、激光消蚀法和电化学法等，该类方法往往需要严格的实验条件或特殊的能源，成本高获得的碳量子点量子产率低而自下而上则包括燃烧法、热解法、模板法、微波法、超声波法等等。该方法用的原料是不可再生的能源且需要严格的后处理工艺。因此，寻找廉价易得、天然无毒的原料，利用简单有效的方法快速合成光学性质优异的碳量子点显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高量子产率的荧光碳量子点，并建立一种操作简单、设备简易、原料低廉和绿色环保的制备方法；以及将所述的荧光碳量子点用于重金属离子检测，药物分析和细胞成像。

本发明提供的一种高量子产率的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

1)、将三乙烯四胺和邻苯二酚置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，三乙烯四胺与邻苯二酚的质量比为45-150：110

2)、将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在180℃-220℃下反应12-8h，待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

3)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N共掺杂的碳量子点。

所述的三乙烯四胺与邻苯二酚的质量比为49：110。

所述的水热反应温度为200℃，反应时间10h。

将上述方法制得的荧光碳量子点，Fe³⁺与表面富含酚羟基的碳量子点作用，Ag⁺与表面富含氨基的碳点作用，发生非辐射电子转移，导致碳量子点荧光猝灭，可检测水体中的Fe³⁺和Ag⁺。也可作为“开关开”型探针检测抗坏血酸，还可用于细胞成像。

与现代技术相比本发明的优点：

(1)本发明将三乙烯四胺和邻苯二酚通过一步水热法快速合成掺氮的碳量子点，操作简单，不需要后续强酸处理或表面钝化处理。

(2)原料邻苯二酚和三乙烯四胺均为普通试剂，来源广泛，价格便宜。

(3)生产设备是高压反应釜，操作简单，合成的碳点粒径均匀，单分散性好。

(4)碳量子点的量子产率高，以硫酸奎宁(量子产率54％)为参照，所得碳量子点得相对量子产率一般在8％～12％之间。

总之，本发明操作工艺简单，原料来源广泛，绿色保护价格便宜，制备条件要求低，所得氮掺杂的碳量子点光学性质稳定，荧光量子产率高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产且获得碳量子点的荧光量子产率较低的问题，该碳量子点可应用水体中的Fe³⁺和Ag⁺离子检测，还可用于抗坏血酸检测以及细胞成像等。

附图说明

图1为实施例1制备的荧光碳量子点的紫外吸收光谱及荧光发射光谱

图2为实施例1制备的荧光碳量子点荧光发射曲线随激发波长变化的光谱图

图3为实施例1制备的荧光碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率

图4为实例1制备的荧光碳量子点的XPS光谱图

图5为实施例1制备的荧光碳量子点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)

图6为Fe³⁺猝灭实施实例1制备的荧光碳量子点的荧光光谱图

图7为Ag⁺猝灭实施实例1制备的荧光碳量子点的荧光光谱图

图8为抗坏血酸恢复Fe³⁺猝灭后的实施实例1制备的碳量子点的荧光光谱图

图9为实施实例1制备的荧光碳量子点利用MTT法进行的MCF-7(乳腺癌细胞)毒性测试

图10为实施例1制备的荧光碳量子点标记的MCF-7(乳腺癌细胞)激光共聚焦图，图中：(a)明场灰度图；(b)为405nm激发下的暗场图细胞呈蓝色荧光；(c)为488nm激发下的暗场图，细胞呈绿色荧光；(d)为561nm激发下的暗场图，细胞呈红色荧光)。

具体实施方式

下面结合实施例对本说明做详细说明，实施例给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

步骤1,称取0.11g邻苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2,将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在200℃下反应10h；

步骤3,待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

步骤4,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为10.2％。

对该碳点一些性质的表征见图2、图3、图4、图5和图9。

实施例2

步骤1,称取0.11g邻苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2,将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在180℃下反应12h；

步骤3,待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

步骤4,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8.6％。

实施例3

步骤1,称取0.11g邻苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2,将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在220℃下反应8h；

步骤3,待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

步骤4,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N共掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为7.9％。

实施例4

步骤1,称取0.11g邻苯二酚和100μL(0.098g)三乙烯四胺置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2,将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在200℃下反应10h；

步骤3,待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

步骤4,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8.1％。

实施例5

步骤1,称取0.11g邻苯二酚和150μL(0.147g)三乙烯四胺置于烧杯中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2,将上述超声好的澄清溶液置于高压反应釜中，在200℃下反应10h；

步骤3,待反应停止，反应釜自然冷却后，用离心机离心去除下层不溶物，用滤纸过滤去除上层悬浮物得到澄清的棕色溶液，再用滤膜过滤，即得到纯净的N掺杂的碳量子点的水溶液；

步骤4,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8.7％。

实施例6

石英比色皿盛有实例1制备的氮掺杂的碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出明亮的绿色荧光(见图1)。

实施例7

实例1制备的氮掺杂的碳量子点水溶液荧光可被Fe³⁺猝灭，如图6所示，随着Fe³⁺离子溶度的增加，碳量子点的荧光强度逐渐降低。

实施例8

实例1制备的氮掺杂的碳量子点水溶液荧光可被Ag⁺猝灭，如图7所示，随着Ag⁺离子溶度的增加，碳量子点的荧光强度逐渐降低。

实施例9

实例1制备的氮掺杂的碳点水溶液荧光可被Fe³⁺猝灭后由抗坏血酸恢复荧光，如图8所示，随着抗坏血酸浓度的增加，碳量子点的荧光强度逐渐恢复，说明所制备的碳量子点可作为“开关型”荧光探针。

实施例10

实施例1制备的氮掺杂的碳量子点水溶液用于标记的乳腺癌细胞，如图6所示，细胞有形态良好，可用于细胞标记。如图10所示，从左向右依次为：明场细胞图，暗场(激发405nm)细胞图(蓝色)，暗场(激发为488nm)细胞图(绿色)，暗场(激发为516nm)细胞图(红色)。