一种高荧光量子产率氮掺杂碳点及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高荧光蓝色氮掺杂碳点，它以有机酸为碳源、酰胺类化合物为氮源，进行微波处理制备而成。本发明专利技术采用简单的微波合成工艺，涉及的制备方法简单、反应时间极短，且原料用量少、来源广，成本低，适合推广应用；所得氮掺杂碳点荧光量子产率高，并可对银离子表现出优异的选择性和灵敏性，在重金属水质污染及生物检测等领域具有重要的应用前景。

A Nitrogen Doped Carbon Point with High Fluorescence Quantum Yield and Its Preparation and Application

The invention discloses a high fluorescence blue nitrogen doped carbon dot, which is prepared by microwave treatment with organic acid as carbon source and amide compounds as nitrogen source. The invention adopts a simple microwave synthesis process, which involves a simple preparation method, a very short reaction time, a small amount of raw materials, a wide range of sources, low cost, and is suitable for popularization and application; the obtained nitrogen-doped carbon dots have high fluorescence quantum yield, excellent selectivity and sensitivity to silver ions, and have important application prospects in the fields of heavy metal water pollution and biological detection.

【技术实现步骤摘要】
一种高荧光量子产率氮掺杂碳点及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料领域，具体涉及一种高荧光量子产率氮掺杂碳点及其制备方法和应用。
技术介绍
鉴于重金属离子对人类健康和环境的严重危害，重金属离子检测逐渐成为世界范围内的一个重要问题。最近，银作为一种主要重金属，被用作装饰和材料广泛应用于电子、医药等行业。然而，最近研究表明银纳米粒子的抗菌活性可能归因于有毒的银离子，银离子已被归类为最高毒性的重金属离子之一。目前，银离子检测技术主要包括原子吸收光谱(AAS)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)、表面增强拉曼散射、流动注射分析和溶出伏安法等。这些检测技术虽具有较高的敏感性和选择性，但通常需要繁琐的样品制备和预浓缩程序，并需要配备昂贵的仪器和专业人员，不适合用作实时和现场检查的便携式设备。相比之下，荧光传感检测技术具有很高的潜力，可以高通量检测现场Ag+离子。此外，纳米技术的快速发展为荧光传感器的灵敏度和选择性提供了新的性能机会。荧光传感基于分析物诱导的荧光团的物理化学性质的变化，例如荧光强度、寿命和各向异性，其与电荷转移或能量转移过程有关。然而，与其他金属离子荧光传感器相比，已报道相对较少的Ag+离子荧光传感器。目前，用于Ag离子的大多数荧光传感器均存在毒性大、生物相容性差、检测特异性差、合成工艺复杂、制备成本昂贵、副产物多等缺点：如现有的氮掺杂或氮硫掺杂碳点多用于检测生物硫醇，而检测银离子的荧光探针相对较少(如ZhangS,LinB,YuY,etal.Aratiometricnanoprobebasedonsilvernanoclustersandcarbondotsforthefluorescentdetectionofbiothiols[J].SpectrochimicaActaPartA:MolecularandBiomolecularSpectroscopy,2018,195:230-235)；用于检测银离子的氮掺杂或氮硫掺杂碳点同时也能检测汞离子，特异性差(如OnepotsynthesisofhighlyfluorescentNdopedC-dotsandusedasfluorescentprobedetectionforHg2+,andAg+,inaqueoussolution[J].Sensors&ActuatorsBChemical,2017,243:244-253)少数能用于专属性检测银离子的探针，多采用水热合成，不仅反应时间长并且原料昂过，副产物多(如“一种用于检测银离子和巯基丁二酸的碳点的制备方法及其应用”)副产物多需多步除杂步骤，不易操作。因此，进一步开发绿色、廉价、简便且高效稳健的银离子检测技术，具有重要的研究和应用意义。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种高荧光量子产率氮掺杂碳点，可实现重金属Ag+的简便、高效痕量检测，且涉及的制备方法简单、合成时间极短，可为重金属离子检测技术提供一条全新思路。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高荧光量子产率氮掺杂碳点，其制备方法包括如下步骤：1)将柠檬酸和谷氨酰胺研磨均匀，得混合粉末；2)将混合粉末进行微波处理，得前驱体溶液；3)在搅拌条件下，将所得前驱体溶液滴加至碱液中并调节所得混合体系的pH值至中性，冷却至室温，得悬浊液；4)将所得悬浊液进行过滤，得氮掺杂碳点溶液。上述方案中，所述柠檬酸与谷氨酰胺的质量比为1:(0.1～0.5)。上述方案中，所述微波处理功率为750～950W，时间为3～10min。上述方案中，步骤3)中所述碱液的pH值为9.8～10.5。上述方案中，所述碱液可选用氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或碳酸氢钠溶液等。上述方案中，所述前驱体溶液与碱液的体积比为1:(15～20)。上述方案中，所述过滤步骤为0.22μm微滤膜。根据上述方案制备的氮掺杂碳点，其荧光产率可高达22％，将其应用于复杂水样中重金属Ag+痕量检测，可表现出优异的银离子选择性和灵敏性。本专利技术的原理为：本专利技术以柠檬酸为碳源、谷氨酰胺为氮源，采用微波合成工艺合成氮掺杂碳点，通过氢氧化钠调节溶液pH值以获得高产率蓝色荧光碳点；所得碳点表面富含的氨基、羧基和羟基等官能团可与Ag+进行强结合和快速螯合，通过电子转移过程促进激子的非辐射复合，对银离子表现出优异的选择性和灵敏性。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：1)本专利技术所述氮掺杂碳点采用简单的微波合成工艺，涉及的制备方法简单、反应时间极短，且原料用量少、成本低，适合推广应用。2)所得氮掺杂碳点荧光量子产率高，并可对银离子表现出优异的选择性和灵敏性，在重金属水质污染及生物检测等领域具有重要的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1所得氮掺杂碳点的透射电镜图。图2为本专利技术实施例1所得氮掺杂碳点的(a)C1s分峰图谱；(b)N1s分峰图谱；(c)O1s分峰图谱。图3为本专利技术实施例1所得氮掺杂碳点的(a)紫外光谱图；(b)荧光激发图谱和荧光发射图谱；(c)不同荧光激发波长下的发射图谱。图4为本专利技术实施例2所得氮掺杂碳点在不同pH下荧光强度变化曲线。图5为本专利技术实施例2所得氮掺杂碳点在不同浓度NaCl中荧光强度变化曲线。图6为40μMAg+和400μM其他金属离子对氮掺杂碳点荧光猝灭程度，表明制备的氮掺杂碳点对Ag+检测具有高选择性。图7为不同浓度Ag+加入至制备的氮掺杂碳点后的荧光强度变化。图8为荧光强度变化与Ag+浓度的线性关系，表明制备的氮掺杂碳点可以实现0-500μM范围内对重金属Ag+检测。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1一种高荧光量子产率氮掺杂碳点，其制备方法包括如下步骤：1)将1g一水合柠檬酸和0.2gD-谷氨酰胺置于玛瑙研钵中混合研匀，得混合粉末；2)将所得混合粉末置于750W家用微波炉中加热5min，得前驱体溶液；3)在磁力搅拌条件下，将所得2mL前驱体溶液加入30mL0.008g/L氢氧化钠溶液中(pH10.5)并继续用氢氧化钠调节pH至7，随后自然冷却至室温，得到悬浊液；4)将所得悬浊液用0.22μm微滤膜进行过滤，收集滤过液，即得高荧光量子产率氮掺杂碳点溶液。图1为本实施例所得氮掺杂碳点的透射电镜图，图中显示所得氮掺杂碳点的尺寸在5-9nm之间。图2(a)、2(b)、2(c)分别为本实施例制备的氮掺杂碳点的C1s、N1s、O1s分峰图谱，可以看出所得产物成功实现了N掺杂。图3(a)为本实施例所得氮掺杂碳点的紫外光谱图，可以看出氮掺杂碳点在334nm处有强烈的荧光；图3(b)、图3(c)分别为本专利技术实施例所得氮掺杂碳点的荧光激发图谱和荧光发射图谱、不同荧光激发波长下的发射图谱，从图可以看出激发波长为340nm具有最强的荧光强度，其荧光发射波谱峰位置为430nm。实施例2一种高荧光量子产率氮掺杂碳点，其制备方法包括如下步骤：1)将1g一水合柠檬酸和0.2gD-谷氨酰胺于玛瑙研钵中混合研匀，得到混合粉末；2)将所得混合粉末样品置于950W家用微波炉中加热10min，得到前驱体溶液；3)在磁力搅拌条件下，将2mL前驱体溶液加入30本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高荧光量子产率氮掺杂碳点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将柠檬酸和谷氨酰胺研磨均匀，得混合粉末；2)将混合粉末进行微波处理，得前驱体溶液；3)在搅拌条件下，将所得前驱体溶液滴加至碱液中并调节所得混合体系的pH值至中性，冷却至室温，得悬浊液；4)将所得悬浊液进行过滤，得氮掺杂碳点溶液。

【技术特征摘要】
1.一种高荧光量子产率氮掺杂碳点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将柠檬酸和谷氨酰胺研磨均匀，得混合粉末；2)将混合粉末进行微波处理，得前驱体溶液；3)在搅拌条件下，将所得前驱体溶液滴加至碱液中并调节所得混合体系的pH值至中性，冷却至室温，得悬浊液；4)将所得悬浊液进行过滤，得氮掺杂碳点溶液。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述柠檬酸与谷氨酰胺的质量比为1:(0.1～0.5)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微波处理功率为750～950W，时间为3～10min...

【专利技术属性】
技术研发人员：付海燕，时琼，佘远斌，
申请(专利权)人：中南民族大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42