一种硅量子点水溶液及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种硅量子点水溶液及其制备方法与应用，包括以下步骤：(1)将秸秆在空气气氛中高温热解；(2)热解后的秸秆粉末用碱金属碳酸盐溶液浸泡后干燥；(3)干燥获得的固体再次热解，热水浸泡热解渣，过滤后得到水玻璃溶液；(4)将水玻璃溶液与离子液体混合并搅拌，在氮气中加热到180℃，获得液体产物；(5)将获得液体使用透析袋进行透析20～30h，取外层溶液，即为硅量子点水溶液。本发明专利技术方法以农林废弃物秸秆为原料，通过简单有效热解和离子液体处理，能够直接获得水溶性荧光硅量子点，不需要复杂的化学修饰，合成方法简单易行，操作安全。硅量子点水溶性强，生物相容性好，应用范围广泛。

An aqueous solution of silicon quantum dots and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种硅量子点水溶液及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米新材料领域，具体涉及一种硅量子点水溶液及其制备方法与应用，尤其是一种以秸秆为原料制备荧光水溶性硅量子点水溶液。
技术介绍
硅量子点是一种波尔半径小于5nm的纳米材料，硅材料对环境、生物体均无毒性，加上点硅量子点抗光漂白、吸收截面高、在蓝光波长处宽带吸收增强和相对较窄而对称的发射光谱、生物相容性良好，能够很好的解决传统量子点发光率低和毒性问题，在光学传感方面具有较大的潜力，故它在化学、生物检测和医疗诊断等领域得到广泛应用。而传统方法制备的硅量子点由于水溶性差，应用领域受到限制。作为谷类作物的主要副产品，秸秆是一种典型的生物质材料，具有大量，低成本和许多传统用途。秸秆中约含20％的二氧化硅、以水合无定形状态存在，将其作为硅源加以利用，既有利于农作物秸秆的合理利用，赋予其更高的价值，同时也符合可持续发展战略，满足不同的生产需要。离子液体是指在温度低于100℃呈液态的离子聚集体，可以溶解大多数无机物、有机物和高分子材料；它不仅可以作为溶剂使用，甚至还可以作为某些反应的催化剂。离子液体一般不会挥发，所以在反应的过程中不会产生有毒有害气体。总之，离子液体的无味、无恶臭、无污染、不易燃、易与产物分离、易回收、可反复多次循环使用等优点，使它成为传统挥发性有机溶剂的理想替代品。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种从农林废弃物制备得到的硅量子点水溶液。本专利技术还要解决的技术问题是提供上述硅量子点水溶液的其制备方法。该方法对秸秆进行简单的热解、浸提、沉淀等工艺，最后利用离子液体对提取出的二氧化硅的高溶解能力获得高产率的荧光水溶性硅量子点。本专利技术最后要解决的技术问题是提供上述硅量子点水溶液的应用。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种硅量子点水溶液的制备方法，其包括如下步骤：(1)秸秆的热解：将秸秆置于高温管式炉中，在空气气氛中进行热解，得到第一热解渣；所述秸秆中含有二氧化硅；(2)水玻璃的制备：将步骤(1)得到的第一热解渣浸泡于碳酸盐溶液中，再固液分离，将固体部分干燥；(3)将步骤(2)干燥后的物料置于高温管式炉中，在真空下进行热解，保证在厌氧的条件下得到含有水玻璃的第二热解渣；(4)水溶性硅量子点的制备：将步骤(3)得到第二热解渣浸泡于热水中，再固液分离，所得滤液；所述的滤液为液体水玻璃(5)将步骤(4)制得的滤液与离子液体混合，加热，得到棕色液体；(6)将步骤(5)制得的棕色液体进行透析提纯，得到硅量子点水溶液。步骤(1)中，所述的秸秆为玉米秸秆、麦秸秆和稻秸秆中的任意一种或几种组合。步骤(1)中，热解的温度为500～800℃，热解的时间为60～120min。步骤(2)中，通过水玻璃的制备，将秸秆中存在的二氧化硅转化为水玻璃。步骤(2)中，所述的碳酸盐溶液为碱金属碳酸盐溶液，溶剂为水，质量分数为5～20wt％；所述的第一热解渣与碳酸盐溶液的质量体积比为2～15mg/mL(优选7mg/mL)；浸泡的时间为1～3h(优选2h)。其中，所述的碱金属碳酸盐溶液优选碳酸钠溶液。步骤(2)中，所述的干燥为室温干燥。步骤(3)中，所述的热解为在真空度为0.02～0.1Mpa(优选0.08MPa)下，在105～150℃先热解30～60min，再以10℃/min的速率升温至300～800℃热解60～120min；。步骤(4)中，热水的温度为60～100℃(优选80℃)，所述的第二热解渣与热水的质量体积比为质量体积比为5～15mg/mL(优选10mg/mL)；浸泡的时间为80～150min(优选120min)。步骤(4)中，优选地，可搅拌溶解，搅拌速率为400～500r/min，搅拌的时间与浸泡时间一致，为80～150min步骤(5)中，所述的离子液体为1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐，滤液与离子液体的质量比为1:0.5～2；所述的加热为在氮气气氛中，160～200℃下加热1～3h(优选180℃加热2h)。其利用离子液体溶解秸秆中提取出的硅源并对其进行修饰，通过热解将离子液体的规整模板结构结合到水玻璃组分中，并修饰亲水基团如酰胺基到硅量子点上，使其具有优异的水溶性，方法简单易操作，且对环境友好，不会产生二次污染，重要的研究意义。步骤(6)中，所述的透析为采用截留分子量为3000～4000Da(优选3500Da)透析袋，蒸馏水透析20～30h(优选24h)；透析袋的外层溶液为荧光水溶性硅量子点水溶液。其中，所述蒸馏水的用量为10～30mL蒸馏水/mL棕色液体。上述述方法制备得到的硅量子点水溶液也在本专利技术的保护范围之内。上述的硅量子点水溶液在制备生物探针中的应用也在本专利技术的保护范围之内。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优势：(1)本专利技术以秸秆为原料制备硅量子点水溶液，原料纯天然无污染，并对农林废弃物进行的再利用。(2)本专利技术整个过程不需要消耗大量的酸碱等腐蚀性化工原料，以离子液体为溶剂：环境友好的绿色溶剂，无二次污染，对环境无毒无害。。(3)本专利技术采用1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐作为反应溶剂，由于该离子液体规整的五元环结构，与硅前体在高温反应时能够有效地生成尺寸大小均一的硅量子点颗粒。(4)通过本专利技术方法获得的荧光硅量子点强溶于水，且无毒无害，可有效作为生物探针。附图说明图1是实施例2产物硅量子点的透射电镜图，可看出硅量子点分布较均匀，粒径在5nm左右。图2是实例2产物硅量子点水溶液的紫外可见吸收光谱图。图3是实例2产物硅量子点水溶液的荧光发射光谱图。图4是实例2产物硅量子点水溶液的在自然光下和紫外灯下的对比图。图5是实例2产物硅量子点的红外光谱图。图6是实例2产物硅量子点的X射线光电子能谱分析图。图7是实例5产物硅量子点的细胞成像应用及细胞毒性检测图。具体实施方式根据下述实施例，可以更好地理解本专利技术。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本专利技术，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本专利技术。实施例1取2.3g玉米秸秆放入管式炉中进行高温热解，热解温度为600℃，热解时间为60min。热解后秸秆中的水分去除，将得到的0.7g热解渣放入100毫升10wt％的碳酸钠溶液中浸泡，过滤。室温干燥，再在管式炉中热解，保持真空度为0.08Mpa，在110℃下保持60min，后以10℃/min的速率升温至500℃，并维持120min。接着把0.7g热解渣在80℃的条件下以200r/min的搅拌速率溶解在70mL蒸馏水中，搅拌溶解120min，洗涤过滤得到水玻璃溶液。取1g水玻璃溶液和0.5g1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐放入反应瓶，利用搅拌子进行转速为800r/min的搅拌，并在氮气连续流的条件下加热到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅量子点水溶液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)将秸秆热解，得到第一热解渣；/n(2)将步骤(1)得到的第一热解渣浸泡于碳酸盐溶液中，再固液分离，将固体部分干燥；/n(3)将步骤(2)干燥后的物料进行热解，得到第二热解渣；/n(4)将步骤(3)得到第二热解渣浸泡于热水中，再固液分离，所得滤液；/n(5)将步骤(4)制得的滤液与离子液体混合，加热，得到棕色液体；/n(6)将步骤(5)制得的棕色液体进行透析提纯，得到硅量子点水溶液。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅量子点水溶液的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将秸秆热解，得到第一热解渣；
(2)将步骤(1)得到的第一热解渣浸泡于碳酸盐溶液中，再固液分离，将固体部分干燥；
(3)将步骤(2)干燥后的物料进行热解，得到第二热解渣；
(4)将步骤(3)得到第二热解渣浸泡于热水中，再固液分离，所得滤液；
(5)将步骤(4)制得的滤液与离子液体混合，加热，得到棕色液体；
(6)将步骤(5)制得的棕色液体进行透析提纯，得到硅量子点水溶液。


2.根据权利要求1所述的硅量子点水溶液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的秸秆为玉米秸秆、麦秸秆和稻秸秆中的任意一种或几种组合。


3.根据权利要求1所述的硅量子点水溶液的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，热解的温度为500～800℃，热解的时间为60～120min。


4.根据权利要求1所述的硅量子点水溶液的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的碳酸盐溶液为碱金属碳酸盐溶液，溶剂为水，质量分数为5～20wt％；所述的第一热解渣与碳酸盐溶液的质量体积比为2～15mg/mL；浸泡的时间为1～3h。

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健强，唐传琦，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32