铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点及其制备方法，其制备方法为：将生物质纤维素材料浸泡SO4

Nitrogen and sulfur double doped carbon quantum dots for iron ion detection and their preparation methods

The invention relates to a nitrogen sulfur double doped carbon quantum dot for iron ion detection and a preparation method thereof. The preparation method is: immersing the biomass cellulose material into SO4.

【技术实现步骤摘要】
铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点及其制备方法
本专利技术属于纳米发光材料制备及应用领域，具体涉及一种铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点及其制备方法。
技术介绍
碳量子点是碳材料家族的一类新型纳米材料。相比于传统的半导体量子点，碳量子点不仅具有良好的光稳定性与化学稳定性，而且还具有优异的生物相容性。因此，碳量子点已经被广泛应用于离子检测、生物传感、细胞成像和光催化等领域。碳量子点的制备方法通常分为两大类：自上而下法和自下而上法。自上而下法是利用物理或化学方法将大尺寸的碳靶，如石墨、碳纤维、碳纳米管或氧化石墨等通过电弧放电法、激光刻蚀法、电化学氧化法或水热切割法等剥离粉碎从而制得碳量子点的方法；自下而上法则是由有机小分子，如柠檬酸盐和碳水化合物等通过热解法或微波辅助水热合成法来制备碳量子点的方法。但是，这些方法大多数比较复杂和耗时，采用的原料比较昂贵，生产成本高，而且产物提纯困难，大大限制了碳量子点的生产和应用。因此，越来做越多的研究者使用廉价易得的天然原料，特别是生物质纤维素类材料，通过一步燃烧碳化的方法，实现碳量子点的低成本和高效制备，例如在中国专利(CN103332676A、CN102745669A和CN105542761A)、文献1(RSCAdvances,2013,3(32):13119-13122.)以及文献2(ACSAppliedMaterials&Interfaces,2015,8(2):1434-1439.)等中，都有比较详细的描述。其中，文献1将废纸(主要成分为植物纤维素)直接在空气中燃烧，然后将灰烬在水中分散、提纯后制得碳量子点水溶液，然而，基于生物质纤维素类材料直接燃烧碳化制备的碳量子点通常具有较低的得率与量子产率，大大限制了其深入应用。因此，研究一种成本低、效率高且能够有效提高碳量子点的得率与量子产率的制备方法具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有技术中存在的成本高、效率低且制备的碳量子点的得率和量子产率低的缺点，提供一种成本低、效率高且能够有效提高碳量子点的得率与量子产率的铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点及其制备方法。本专利技术首先将生物质纤维素材料经SO42-/NH2-小分子水溶液体系浸泡处理，然后进行充分燃烧处理制备得到氮硫双掺杂碳量子点。本专利技术预先对生物质纤维素材料进行SO42-/NH2-小分子水溶液体系浸泡处理，可以有效提高所制备的碳量子点的得率与量子产率，同时，由于碳量子点中硫元素对铁离子的络合作用，所制备的氮硫双掺杂碳量子的荧光强度对铁离子浓度表现出线性猝灭效应，可进一步应用于环境中铁离子的高效检测，为其深入应用提供了条件，从而进一步扩展了其应用范围。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点的制备方法，将生物质纤维素材料浸泡SO42-/NH2-小分子水溶液体系后充分燃烧处理制备氮硫双掺杂碳量子点；所述SO42-/NH2-小分子水溶液体系为同时含有SO42-和NH2-的小分子水溶液。小分子水溶液体系中的SO42-可与纤维素在较低温度下发生脱水反应生成纤维素硫酸氢酯，其不仅可以有效抑制后续燃烧过程中副产物左旋葡萄和焦油的产生，还可以促使纤维素间交联稳定结构的产生，进而提高芳构化率，最终有效提升所制备的碳量子点的得率，同时，小分子水溶液体系中的NH2-可以通过后续生物质纤维素在空气中剧烈燃烧过程中的脱水、热裂和芳构化等反应进入到最终产物中，实现碳量子点的氮硫双掺杂，进而提高所制备碳量子点的量子产率；以柳絮和硫酸/尿素体系为例，柳絮未经SO42-/NH2-小分子水溶液浸泡处理，直接燃烧处理得到碳量子点的量子产率和得率分别为0.97％和1.04％，而经过本专利技术的SO42-/NH2-小分子水溶液浸泡处理，最终制备的碳量子点的量子产率可提升至13.23％，得率可提升至14.34％。作为优选的技术方案：如上所述的制备方法，所述生物质氮硫双掺杂碳量子点的得率为8.2～14.7％，现有技术制得的生物质氮硫双掺杂碳量子点的得率一般为1～7.07％，本专利技术相对于现有技术显著提高了氮硫双掺杂碳量子点的得率。如上所述的制备方法，具体步骤如下：(1)将生物质纤维素材料浸泡在SO42-/NH2-小分子水溶液体系中24～72h，所述生物质纤维素材料与SO42-/NH2-小分子水溶液体系的重量比为1:10～100；(2)在60～80℃烘干处理12～24h去除多余水分；(3)将烘干后的生物质纤维素材料在空气中充分燃烧至灰烬；步骤(1)中小分子水溶液体系中的SO42-与NH2-在生物质纤维素剧烈燃烧过程中是相互依存发挥作用的，NH2-可以使得小分子水溶液体系的酸性减弱，缓和SO42-与生物质纤维素间剧烈的脱水反应，同时，由于纤维素自身的惰性结构，NH2-必须借助脱水反应的中间产物才可实现顺利掺杂。与未经SO42-/NH2-小分子水溶液体系预处理，直接通过燃烧所制备的碳量子点相比，经过小分子水溶液体系预处理所制备的氮硫双掺杂碳量子点的量子产率具有较大程度的提升，同时，最终产物的得率也有较大程度的提升；(4)将灰烬充分研磨后分散在去离子水中磁力搅拌10～30min得到黑色悬浊液，从而使灰烬中的碳量子点充分溶解在水中，所述黑色悬浊液的浓度为0.1～30wt％；(5)以6000～8000rpm的转速离心2～5min去除黑色沉淀不溶物得到含有碳量子点的上清液；(6)用截留分子量为500～3000Da的透析袋透析上清液12～48h去除未参与反应的小分子；(7)在-45～-35℃冷冻干燥24～48h得到氮硫双掺杂碳量子点粉末。如上所述的制备方法，所述生物质纤维素材料为植物秸秆、树叶、果壳、稻草、麦麸、玉米芯或柳絮。本专利技术所述的生物质纤维素类材料包括但不限于此，可为大自然界中广泛存在的生物废料，这里仅列举一些常见物质。如上所述的制备方法，所述SO42-/NH2-小分子水溶液体系中SO42-的浓度为0.1～2.5mol/L，NH2-的浓度为0.1～3mol/L，如果体系中SO42-与NH2-的浓度过高，不利于生物质纤维素材料的充分浸润，同时会影响燃烧过程的充分进行，进而使所制备量子点的得率与量子产率降低；如果体系中SO42-与NH2-的浓度过低，则会影响中间交联产物纤维素硫酸氢酯的充分产生，因此会造成量子点的得率降低，同时由于较低的氮硫掺杂率，所制备量子点的量子产率也会相应降低。在碳量子点的制备过程中，本专利技术还可以通过控制SO42-/NH2-小分子溶液体系中不同组分的量来调节氮硫双掺杂碳量子点中氮元素与硫元素的比例。如上所述的制备方法，所述SO42-/NH2-小分子水溶液体系中的SO42-来自于硫酸氢钠、硫酸或亚硫酸铵，NH2-来自于尿素、氨基酸、氨基磺酸、氨基葡萄糖或氨基乙酸。本专利技术所述的SO42-/NH2-小分子水溶液体系为含有大量硫酸根和氨基的小分子水溶液，能够提供硫酸根和氨基的物质均可组成本专利技术的SO42-/NH2-小分子水溶液体系，例如上述SO42-还可来自于硫代硫酸钠等，这里仅列举一些常见物质。本专利技术还提供了一种如上所述的制备方法制得的铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点，氮硫双掺杂碳量子点的量子产率为9.9～19.0％，氮硫双掺杂碳量子点的荧光强度对铁离本文档来自技高网...

【技术保护点】
铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点的制备方法，其特征是：将生物质纤维素材料浸泡SO4

【技术特征摘要】
1.铁离子检测用氮硫双掺杂碳量子点的制备方法，其特征是：将生物质纤维素材料浸泡SO42-/NH2-小分子水溶液体系后充分燃烧处理制备氮硫双掺杂碳量子点；所述SO42-/NH2-小分子水溶液体系为同时含有SO42-和NH2-的小分子水溶液。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮硫双掺杂碳量子点的得率为8.2～14.7％。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)将生物质纤维素材料浸泡在SO42-/NH2-小分子水溶液体系中24～72h，所述生物质纤维素材料与SO42-/NH2-小分子水溶液体系的重量比为1:10～100；(2)在60～80℃烘干处理12～24h；(3)将烘干后的生物质纤维素材料在空气中充分燃烧至灰烬；(4)将灰烬充分研磨后分散在去离子水中磁力搅拌10～30min得到黑色悬浊液，所述黑色悬浊液的浓度为0.1～30wt％；(5)以6000～8000rpm的转速离心2～5min去除沉淀得到上清液；(6)用截留分子量为500～3000Da的透析袋透析上清液12～48...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴琪琳，程朝歌，宋芸佳，夏铭，贾立双，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31