一种基于氧化钙放热反应制备荧光碳纳米粒子的方法与流程

本发明属于荧光纳米材料的合成领域，基于氧化钙放热反应，以还原糖作为碳源进行荧光碳纳米粒子的制备，采用该方法制得的荧光碳纳米粒子量子产率高、荧光性能稳定、亲水性好、细胞毒性小、对ph敏感，作为新型的荧光探针具有广阔的应用前景。

背景技术：

糖类，又称碳水化合物，是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称，广泛分布于自然界中。人类日常食用的蔗糖、植物体内的纤维素、血液中的葡萄糖等均属糖类，在人体生命活动中起着至关重要的作用，也是一切生命体维持生命活动所需能量的主要来源。根据糖类是否具有还原性，可将其分为还原糖和非还原糖。还原糖，即在结构中含有游离醛基或酮基的单糖和含有游离醛基的二糖，能与斐林试剂和班氏试剂在水浴加热的条件下反应生成氧化亚铜砖红色沉淀，试剂本身被还原，而不能与上述两种试剂反应的则为非还原糖。在自然界众多的糖类中，还原糖主要包括葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖等，其中，单糖的还原能力一般基于其自身带有的醛基，而多糖则基于半缩醛羟基，因此大部分单糖及双糖都具有还原性。

近年来，随着荧光纳米技术的快速发展，碳纳米材料逐步成为纳米科学与技术领域中的研究热点，吸引了国内外实验团队的注意。碳纳米粒子(carbonnanoparticles)是一种新型的粒径小于10nm的准球形碳纳米材料，其最突出的特点是荧光性能稳定，并且具有化学惰性、亲水性、生物兼容性、低细胞毒性、抗光漂白、成本低廉等优点，既克服了有机染料发光不稳定、易光漂白的缺点，又克服了半导体量子点高毒、难以应用于生物体内的不足。因此，自其发现以来就受到了各研究领域的广泛关注，在生物成像、荧光传感、分析检测、有机光伏、发光二极管和催化等领域都展现出了潜在的应用价值。荧光碳纳米粒子的核是由sp²杂化的纳米晶碳或无定形碳组成，具有极好的石墨结晶结构，此外，其在紫外区具有强的光学吸收，吸收区域一直可以延伸到可见光区，并且发光稳定，具有尺寸、激发波长和ph依赖性，存在上转换发光、电化学发光性能，其荧光性能可有效应用于药物分析和环境监控领域，以及进行痕量分析物的含量测定。再者，碳纳米粒子与半导体量子点相比，不含重金属元素，因此对生物体不具有高毒性，对细胞几乎不产生毒害作用，且因生物相容性好，加之独特的发光性能，在生物体内应用时具有独特的优势。

碳纳米粒子的合成方法众多，通常分为物理法和化学法，也可分为自上而下法和自下而上法。物理法主要包括电弧放电、激光刻蚀等，化学法包括电化学氧化、化学氧化、水热法、热解法、微波法、超声法、燃烧法及溶液化学法等。然而传统方法常常需要外部提供热量或电压、使用强酸强碱或有机试剂、产生污染环境的废气或废液，需要使用尖端仪器，操作繁琐耗时，制备成本高。此外，为了提高荧光碳纳米粒子的荧光性能，常常采用加入钝化剂或修饰剂来增加表面发光基团，不利于实现大规模工业化生产。

因此，本专利提出基于氧化钙放热反应绿色合成荧光碳纳米粒子的方法，以还原糖为碳源，并对制备出的荧光碳纳米粒子的性能进行考察。不仅避免了量子点的生物毒性，而且得到的荧光碳纳米粒子具有ph、温度双敏感性，有利于在生物细胞中成像和测定细胞ph、温度的应用。此外，该方法避免使用有机溶剂和钝化剂对碳纳米粒子进行表面修饰，既简化了操作步骤，又不会对环境造成污染，制备出的碳点量子产率高，荧光性能稳定，亲水性高，无细胞毒性，有望直接应用于生物成像及细胞内ph、温度测定等领域。

技术实现要素：

技术问题：

本发明针对传统荧光碳纳米粒子制备方法的缺陷，例如合成过程中耗时、耗能、环保程度低、仪器要求高等，提出基于氧化钙放热反应以绿色无毒的还原糖为碳源制备性能优异的碳纳米粒子的新型制备技术，操作流程简单，无需外部供能，不需使用有机溶剂，最后制备出荧光性能稳定，亲水性好，无细胞毒性，具有ph、温度双敏感性的荧光碳纳米粒子。

技术方案：

本发明的技术解决方案：

1、本发明合成亲水性荧光碳纳米粒子是采用如下技术方案实现的，具体包括：

a、还原糖溶液的配制：将适量的还原糖加入到去离子水中，均匀搅拌后超声一定时间，使之形成均一透明的还原糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取适量的氧化钙置于圆底烧瓶中，通过油浴控制反应过程的温度，再加入适量步骤a中制备的还原糖溶液，密封使之反应一定时间后，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心，取上层清液经滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中干燥得到固体粉末，低温避光保存，得到荧光碳纳米粒子。

2、根据权利要求1所述的基于氧化钙放热反应制备荧光碳纳米粒子的方法，其特征在于：所述步骤a中，用于配制溶液的还原糖包括葡萄糖、果糖、麦芽糖、乳糖、半乳糖等，还原糖溶液的浓度控制在0.03～0.6g/ml，超声时间为5～60min。

3、根据权利要求1所述的基于氧化钙放热反应制备荧光碳纳米粒子的方法，其特征在于：所述步骤b中，氧化钙的量为0.01～0.8g，反应温度控制在0～200℃，反应时间为1～20min。

4、根据权利要求1所述的基于氧化钙放热反应制备荧光碳纳米粒子的方法，其特征在于：所述步骤c中，离心转速为4000～13000rpm，离心时间为2～40min，滤膜孔径为0.20～0.45μm，真空冷冻干燥的温度控制在-10～-60℃，时间为24～48h，干燥成固体粉末有利于保存与后续应用。

附图说明

图1是本发明基于氧化钙放热反应制备的荧光碳纳米粒子的合成路线示意图。

图2是本发明制备的荧光碳纳米粒子的紫外吸收光谱图和荧光发射光谱图(激发波长分别为430nm，420nm，410nm，400nm，390nm，380nm，370nm)。

图3是本发明中还原糖和制得的荧光碳纳米粒子的红外吸收光谱图。

具体实施方案

一、制备实例

以下实施例为本发明的一些举例，不应被看做是对本发明的限定。

实施例1

a、葡萄糖溶液的配制：将0.1g的葡萄糖加入1ml去离子水中，均匀搅拌后超声10min，使之形成均一透明的葡萄糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.05g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至100℃，再加入1ml步骤a中制备的葡萄糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速13000rpm，时间20min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例2

a、葡萄糖溶液的配制：将0.1g的葡萄糖加入2ml去离子水中，均匀搅拌后超声10min，使之形成均一透明的葡萄糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.1g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至200℃，再加入2ml步骤a中制备的葡萄糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速9000rpm，时间30min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例3

a、麦芽糖溶液的配制：将0.2g的麦芽糖加入2ml去离子水中，均匀搅拌后超声15min，使之形成均一透明的麦芽糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.1g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至50℃，再加入2ml步骤a中制备的麦芽糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速13000rpm，时间30min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-40℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例4

a、麦芽糖溶液的配制：将0.2g的麦芽糖加入4ml去离子水中，均匀搅拌后超声20min，使之形成均一透明的麦芽糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.05g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至100℃，再加入4ml步骤a中制备的麦芽糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速13000rpm，时间10min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例5

a、乳糖溶液的配制：将0.4g的乳糖加入2ml去离子水中，均匀搅拌后超声20min，使之形成均一透明的乳糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.2g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至 50℃，再加入2ml步骤a中制备的乳糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速6000rpm，时间30min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例6

a、乳糖溶液的配制：将0.3g的乳糖加入5ml去离子水中，均匀搅拌后超声10min，使之形成均一透明的乳糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.2g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至200℃，再加入5ml步骤a中制备的乳糖溶液，密封使之持续反应10min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速10000rpm，时间30min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例7

a、半乳糖溶液的配制：将0.1g的半乳糖加入3ml去离子水中，均匀搅拌后超声15min，使之形成均一透明的半乳糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.4g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至150℃，再加入3ml步骤a中制备的半乳糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速13000rpm，时间20min)，取上层清液经0.45μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-40℃干燥48h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。

实施例8

a、半乳糖溶液的配制：将0.6g的半乳糖加入3ml去离子水中，均匀搅拌后超声15min，使之形成均一透明的半乳糖溶液。

b、荧光碳纳米粒子的制备：称取0.6g的氧化钙于50ml圆底烧瓶中，放入油浴锅中加热至200℃，再加入3ml步骤a中制备的半乳糖溶液，密封使之持续反应5min，溶液由无色变为黄色，冷却至室温，得到荧光碳纳米粒子粗产物。

c、荧光碳纳米粒子的纯化：将步骤b得到的荧光碳纳米粒子粗产物进行离心(转速9000rpm，时间20min)，取上层清液经0.22μm滤膜过滤，从而除去杂质，滤出液于真空冷冻干燥箱中-60℃干燥24h得到固体粉末，低温避光贮存，密封，得到荧光碳纳米粒子。