一种荧光碳量子点及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种高量子产率的荧光碳量子点及其制备方法。制备步骤：以壳聚糖为碳源，加入冰醋酸和乙二胺，充分搅拌，得到糊状物质；置于微波炉里反应，最终得到黑色固体；取出待其自然冷却后，加入一定量的二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，去除不溶物得到棕色溶液，透析去除杂质，即得到荧光碳量子点水溶液，冷冻干燥后得到荧光碳量子点。本发明专利技术工艺简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求低，所得碳量子点量子产率较高。所得的荧光碳量子点可用于水体中Fe3+的检测，也可在活细胞荧光成像中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种荧光碳量子点及其制备方法和应用
本专利技术涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是一种高量子产率的荧光碳量子点及其制备方法和应用。
技术介绍
碳量子点(carbondots, C-Dots)是由 Scrivens 等(J Am.Chem.Soc., 2004,126,12736-12737)在2004年研究单壁碳纳米管时首次发现的一种以碳为骨架结构的新型纳米材料，与传统的半导体量子点和有机染料相比，碳量子点作为一种新型可发光材料，不仅保持了碳材料毒性小、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、荧光量子效率高、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无法比拟的优势，并且基本上不损伤细胞，尤其在标记活体生物时具有独特的优势，目前已受到广泛关注。这种新型的荧光碳纳米粒子的尺寸 大小与半导体点相似，平均粒径小于10nm，具有很长的荧光寿命，并且可实现上转换荧光发射，最重要的是，碳量子点较以往的荧光材料更具有生物安全型，在荧光探针生物检测、生物传感、生物分析、金属阳离子和阴离子的生化分析、生物传感器、光电转换以及光催化等领域体现出重要价值。碳量子点的制备方法目前主要有两种，自上而下法和自下而上法。自上而下的合成方法，即从较大的碳结构剥落制备碳纳米颗粒的物理方法，再通过聚合物表面钝化的方式使其有效放光，主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、电子束辐射等，该类方法往往需要严格的实验条件或特殊的能源，成本高，而且获得碳量子点的荧光量子产率较低；自下而上的合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成荧光碳量子点，包括燃烧法、热液碳化法、支持合成法、微波法、超声波法等，但是由于该类方法选用的原料都是不可再生能源且需要严格的后处理工艺，所以也不利于持续并规模生产碳量子点。因此，寻找廉价易得、天然无毒的原料，利用简易有效的方法快速制备光学性能优异的荧光碳量子点显得尤为重要。此外，拓展碳量子点的应用领域而逐渐替代半导体量子点和有机染料也是亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术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和细胞成像。本专利技术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:I)、将壳聚糖置于耐微波容器中，加入冰醋酸和乙二胺，充分搅拌，得到糊状物质；壳聚糖、冰醋酸和乙二胺的质量比为:0.5-5: 4.0-55: 3.2-45;2)、将装有糊状物质的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应12_18min，得到棕黑色固体；3)、取出耐微波容器，自然冷却，加入冰醋酸和乙二胺总体积量1-2倍的二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的棕色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；4)、将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标荧光碳量子点。上述制备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，发生非辐射电子转移，导致碳量子点荧光猝灭，可用作水体中Fe3+的检测；该荧光碳量子点平均粒径小(< 5纳米)、细胞毒性低，其可以穿透细胞膜进入细胞质，可在活细胞荧光成像中应用。与现有技术相比本专利技术的优点:(I)本专利技术操作简单，不需要后续强酸或表面钝化剂处理，一步即可得到高荧光量子产率碳量子点。(2)原材料壳聚糖、冰醋酸和乙二胺均为普通试剂，来源广泛，价格便宜。(3)生产设备仅需微波炉，操作方便，能在十几分钟内快速完成，节能省时。(4)碳量子点的量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54% )为参照物，所得碳量子点得相对量子产率一般在12.2%~20.0%之间。总之，本专利技术工艺操作简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求低且相对温和，所得碳量子点量子产率较高，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，该碳量子点可应用于金属离子检测、生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域。【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；其中玻璃容器盛有荧光碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出蓝色荧光。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是以硫酸奎宁为标准，线性拟合硫酸奎宁和碳量子点的量子产率(左侧为硫酸奎宁，右侧为碳量子点)；图4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5为实施例1制备的荧光碳量子点的XRD光谱图；图6为实施例1制备的荧光碳量子点的XPS光谱图。图7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8为Fe3+猝灭实施例1制备的荧光碳量子点的荧光光谱图；图9为实施例1制备的荧光碳量子点利用MTT法进行的786-0 (肾透明细胞腺癌)毒性测试；图10为实施例1制备的荧光碳量子点标记的786-0 (肾透明细胞腺癌)激光共聚焦图(图中:(a)为明场灰度图；(b)为408nm激发下的暗场图，细胞呈现蓝色荧光；(c)为(a)和(b)的叠加图；(d)为488nm激发下的暗场图，细胞呈现绿色突光；(e)为550nm激发下的暗场图，细胞呈现红色荧光)。【具体实施方式】下面结合实施例对本专利技术做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例1步骤1，称量Ig壳聚糖于耐微波容器中，随后加入1mLS %冰醋酸和5mL乙二胺溶液，充分搅拌，得到糊状物质；步骤2，将耐微波容器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应15min，得到黑色固体；步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入20mL 二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的棕色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为19.5%。性质表征和应用见图1-10。 实施例2步骤1，称量2g壳聚糖于耐微波容器中，随后加入20mL4%冰醋酸和1mL乙二胺溶液，充分搅拌，得到糊状物质；步骤2，将耐微波容器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应17min，得到黑色固体；步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入40mL 二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的棕色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到高荧光量子产率碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为16.6%。实施例3步骤1，称量Ig壳聚糖于耐微波容器中，随后加入8mL8%冰醋酸和7mL乙二胺溶液，充分搅拌，得到糊状物质；步骤2，将耐微波容器置于微波炉(700瓦)高火状态下反应12min，得到黑色固体；步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入20mL 二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的棕色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到高荧光量子产率碳量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高量子产率的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将壳聚糖置于耐微波容器中，加入冰醋酸和乙二胺，充分搅拌，得到糊状物质；壳聚糖、冰醋酸和乙二胺的质量比为0.5‑5︰4.0‑55︰3.2‑45；2)将装有糊状物质的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应12‑18min，得到棕黑色固体；3)取出耐微波容器，自然冷却，加入冰醋酸和乙二胺总体积量1‑2倍的二次水，搅拌溶解得到棕色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的棕色溶液，通过500‑1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；4)将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标荧光碳量子点。

【技术特征摘要】
1.一种高量子产率的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将壳聚糖置于耐微波容器中，加入冰醋酸和乙二胺，充分搅拌，得到糊状物质；壳聚糖、冰醋酸和乙二胺的质量比为0.5-5: 4.0-55: 3.2-45; 2)将装有糊状物质的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应12-18min，得到棕黑色固体； 3)取出耐微波容器，自然冷却，加入冰醋酸和乙二胺总体积量1-2倍的二...

【专利技术属性】
技术研发人员：弓晓娟，路雯靖，武鑫，董川，双少敏，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14