一种氮掺杂荧光碳量子点及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米材料制备及金属离子检测技术领域，特别涉及一种氮掺杂荧光碳量子点及其制备方法。一种氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，配置羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液；将混合溶液置于高压反应釜中进行水热反应，得反应液；将反应液依次进行超声，离心，过滤处理，得滤液；用超纯水对滤液进行透析处理，将透析所得固体产物冷冻干燥至粉末，即得。该方法制备工艺简单、绿色环保、成本低廉、设备简易及适用于大规模生产，并且制备的碳量子点具有水溶性好、荧光性能稳定、粒径均匀、无毒无害、生物相容性等优异性能，以扩展碳量子点的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂荧光碳量子点及其制备方法
本专利技术属于纳米材料制备及金属离子检测
，特别涉及一种氮掺杂荧光碳量子点及其制备方法。
技术介绍
近年来，碳量子点因其具有低毒性、良好的生物相容性、稳定的光学特性及易于表面功能化等优势引起研究者的高度关注，在金属离子检测、化学催化、光学、生物医学成像等领域被认为是最具潜力的新型碳纳米材料。目前，碳量子点的制备方法通常包括电化学合成法、化学氧化法、燃烧法、水热合成法、模板法、微波合成法等，其中，水热合成法相对于其他合成方法而言，其合成步骤简单、反应条件较为容易控制且消耗能耗低，可持续规模生产，产物的荧光量子产率较高，被认为是一种较为经济有效的方法。采用水热合成法制备碳量子点时，为保证碳量子点具有较高的得率及荧光量子产率，可通过引入杂元素掺杂，选择碳源丰富的生物质材料等方法来提高碳量子点的荧光性能。其中氮原子的掺杂极大地影响碳量子点的碳框架，其表面生成含胺基团，可有效调节碳量子点的局部化学成分，改善其表面缺陷，这些缺陷可形成激发能级，增强氮掺杂碳量子点的荧光性质，使其发挥更有效的应用。另外，寻找一种来源丰富、天然无毒、廉价易得的生物质前驱体对制备性能优异的氮掺杂碳量子点也至关重要，而选择分子链中含有大量的羧基和羟基等活性官能团的生物质前驱体，对增强碳量子点的荧光性能及荧光量子产率具有无可比拟的优势。
技术实现思路
基于现有存在的技术问题，本专利技术的目的就是提供一种以羧甲基纤维素-乙二胺为原料制备高荧光量子产率氮掺杂碳量子点的方法。本专利技术克服了原料成本昂贵及后续处理复杂的缺点，充分考虑到经济环保，采用天然无毒、廉价易得及生物可降解的羧甲基纤维素为前驱体，乙二胺为氮源掺杂剂；利用绿色环保、操作简单、对实验设备要求不高的一步水热法来制备具有高荧光强度、毒性低的氮掺杂荧光碳量子点，并成功应用于Fe3+的检测。该方法制备工艺简单、绿色环保、成本低廉、设备简易及适用于大规模生产，并且制备的碳量子点具有水溶性好、荧光性能稳定、粒径均匀、无毒无害、生物相容性等优异性能，以扩展碳量子点的应用领域。本专利技术的目的是通过以下的技术方案来实现：一种氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，配置羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液，混合溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9；将混合溶液置于高压反应釜中进行水热反应，其中，水热反应温度为180℃～240℃，水热反应时间为6～48h，得反应液；将反应液依次进行超声，离心，过滤处理，得滤液；用超纯水对滤液进行透析处理，将透析所得固体产物冷冻干燥至粉末，即得。上述技术方案中，优选所述羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液按下述方法配置：室温下，将羧甲基纤维素在磁力搅拌状态下溶解于超纯水中，然后加入乙二胺，混合均匀获得透明状浅黄色溶液，其中，所得浅黄色溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9。上述技术方案中，所述羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，且乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9，如0.15、0.3、0.45、0.6、0.75和0.9等，优选为0.15～0.75，最优选为0.75。因为乙二胺与羧甲基纤维素的质量比在0.15～0.75范围内，其荧光量子产率有明显的增加，在质量比为0.75时荧光量子产率达到最大值；而乙二胺与羧甲基纤维素的质量比大于0.75后，其荧光量子产率会有稍微的下降。本专利技术最优选的所述乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.75，以确保在后续测试具有最佳的荧光效果。上述技术方案中，优选所述羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.04g/mL。上述技术方案中，优选所述羧甲基纤维素的分子量为90000。上述技术方案中，所述水热反应在高压反应釜中进行，具体为：将羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液转移至PPL内衬的不锈钢高压反应釜中，密封好后置于油浴锅中，水热反应温度为180℃～240℃，水热反应时间为6～48h。进一步地，所述反应温度为180℃、200℃、220℃或240℃等，在该反应温度范围内均可制备氮掺杂荧光碳量子点。本专利技术优选的水热反应温度为220℃。进一步地，所述反应时间为9h、12h、18h、24h、36h或48h等，在该反应时间范围内均可制备氮掺杂荧光碳量子点。本专利技术优选的水热反应时间为36h。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，优选所述超声为：于超声波细胞粉碎机中，在功率100W超声分散2s停3s的条件下超声分散20min。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，优选所述离心为：在10000～12000r/min的转速下离心30min。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，优选所述过滤为：利用0.22μm水系滤膜过滤，滤去反应液中的不溶性沉淀物，获得滤液。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，优选所述透析为：利用截留分子量为100～500Da的聚纤维素酯透析袋对滤液进行提纯，透析处理时间为12～24h，且每隔2～4h换一次超纯水。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，优选所述冷冻干燥在真空条件下进行的，干燥时间为72h。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，一个优选的技术方案为：一种氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，包括下述工艺步骤：(1)室温下，将羧甲基纤维素在磁力搅拌状态下溶解于超纯水中，然后加入乙二胺，混合均匀获得透明状浅黄色溶液，其中，所得浅黄色溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9；(2)将步骤(1)所得浅黄色溶液转移至PPL内衬的不锈钢高压反应釜中，密封后置于油浴锅中，进行水热反应，水热反应温度为180℃～240℃，水热反应时间为6～48h；反应结束，待反应釜冷却至室温后，获得深褐色反应液；(3)将步骤(2)所得反应液进行超声，离心处理，用0.22μm水系滤膜过滤，滤去不溶性的沉淀物，获得上层溶液；利用超纯水对上层清液进行透析处理12～24h，每隔2～4h换一次超纯水；(4)将步骤(3)所得透析产物进行冷冻干燥至粉末，即获得纯净的氮掺杂荧光碳量子点。本专利技术的另一目的是提供利用上述方法制得的氮掺杂荧光碳量子点，所述氮掺杂荧光碳量子点的荧光强度与Fe3+的浓度呈线性关系，Fe3+浓度的检测限为1.51μM。本专利技术所述氮掺杂荧光碳量子点可用于Fe3+的检测。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术采用天然丰富、成本低廉且环境友好型的羧甲基纤维素为碳源，避免了碳源材料昂贵，不易获得的问题，同时也为纤维素的高值化利用提供一条极具潜力的途径。(2)本专利技术利用一步水热法制备得到在紫外光激发下发出蓝色荧光的碳量子点，设备简易，操作简单，制备过程无需特殊防护，耗能低，经济环保及适用于大规模生产。(3)本专利技术制备得到的碳量子点具有稳定的荧光性能及较高的荧光量子产率，以硫酸奎宁为标准物，得到的碳量子点的荧光量子产率在范围内4.52％～22.87％。(4)本专利技术制备得到的碳量子点含有丰富的羧基、羟基及氨基等官能团，功能化高，水溶性和分散性良好，天然无毒，生物相容性好，实验可重复性高，为进一步应用于金属离子检测和生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：配置羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液，混合溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9；将混合溶液置于高压反应釜中进行水热反应，其中，水热反应温度为180℃～240℃，水热反应时间为6～48h，得反应液；将反应液依次进行超声，离心，过滤处理，得滤液；用超纯水对滤液进行透析处理，将透析所得固体产物冷冻干燥至粉末，即得。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂荧光碳量子点的制备方法，其特征在于：配置羧甲基纤维素与乙二胺的混合溶液，混合溶液中羧甲基纤维素的浓度为0.03～0.05g/mL，乙二胺与羧甲基纤维素的质量比为0.15～0.9；将混合溶液置于高压反应釜中进行水热反应，其中，水热反应温度为180℃～240℃，水热反应时间为6～48h，得反应液；将反应液依次进行超声，离心，过滤处理，得滤液；用超纯水对滤液进行透析处理，将透析所得固体产物冷冻干燥至粉末，即得。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超声为：于超声波细胞粉碎机中，在功率100W超声分散2s停3s的条件下超声分散20min。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离心为：在10000～12000r/min的转速下离心30min。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述过滤为：利用0.22μm水系滤膜过滤，滤去反应液中的不溶性沉淀物，获得滤液。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述透析为：利用截留分子量为100～500Da的聚纤维素酯透析袋对滤液进行提纯，透析处理时间为12～24h，且每隔2～4h换一次超纯水。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述冷冻干燥在真空条件下进行的，干燥时间为72h。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭延柱，刘真真，王兴，韩颖，周景辉，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21