一种碳量子点荧光双网络水凝胶及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于功能材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种碳量子点荧光双网络水凝胶及其制备方法与应用。本发明专利技术水凝胶以琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶为基体，碳量子点键合在所述琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶。采用高效的“一锅法”制备得到琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶，将其浸泡在氮掺杂碳量子点溶液中，制得的水凝胶具备优异的力学强度和荧光性能。该荧光水凝胶对水中金属离子具有猝灭现象，特别是对三价铁离子荧光猝灭效果最明显，特异性识别作用最强，最低检测限约为3.64μmol/L(μM)，在80‑160μM内呈现线性关系。本发明专利技术荧光水凝胶制备方法简单，便于携带，拓宽了水凝胶在环境监检测、生物医用领域的应用范围。

A carbon quantum dot fluorescent double network hydrogel and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种碳量子点荧光双网络水凝胶及其制备方法与应用
本专利技术属于功能材料制备及应用的
，具体涉及一种碳量子点荧光双网络水凝胶及其制备方法与在水中金属离子检测中的应用。
技术介绍
工业快速发展在带来巨大经济效益的同时，也对环境、水体造成了极大的破坏及污染。伴随着矿山开采、工业电镀、冶炼等工业活动的增加，同时也带来了大量的工业含铁废水，虽然和汞、铅、砷、镉等离子相比，铁离子对人和动物不会造成显著危害，但铁离子的危害具有累积性、不可降解性、和腐蚀性等特点，并且其在水中长期、大量堆积也会对水体造成严重的危害，因此，对水中铁离子的检测对于水污染的治理与保护具有十分重要的意义。随着人们环保意识的增强以及国家对于治理环境污染的决心，目前对于水中重金属离子的检测主要包括以下方法：极谱法、溶出伏安法、酶抑制法、原子吸收法、原子发射光谱法以及荧光探针法等。其中荧光探针法具有灵敏度高、操作简便抗干扰强等优点而被广泛用于离子检测。碳量子点(CDs)作为一种新型的荧光材料，和传统的有机荧光物质相比，具有良好的水溶性，稳定的光学性能，低毒甚至无毒性，良好的生物相容性，易于进行改性等优势，目前在离子检测、生物影像等方面被广泛应用。碳量子点作为新型的荧光探针，对于金属离子具有高度的选择性和敏感性，在特定的金属离子作用下，碳量子点荧光发生猝灭，从而达到检测金属离子的效果。但是由于碳量子点在水溶液中容易发生聚集诱导猝灭的趋势，从而影响实际的检测效果。因此找到一种合适的基体材料来作为承载碳量子点的基体具有十分重要的意义。水凝胶是一种具有三维网络分子结构，能在水中充分溶胀而不溶解的高分子聚合物，并且水凝胶分子内部一般含有大量的亲、疏水基团，可以和碳量子点表面基团(羧基、羟基)之间发生相互作用，不仅可以使碳量子点与凝胶之间结合的更加牢固，而且还能在一定程度上提高水凝胶的力学强度，因此，将水凝胶与碳量子点有机结合起来具有十分重要的意义。目前，有关水凝胶与碳量子点的相关研究还较少，并且大多数都是针对单网络水凝胶与碳量子点结合的研究，并且单网络水凝胶由于受制于自身较差的力学强度，极大地限制了荧光单网络水凝胶的进一步运用。
技术实现思路
为解决现有技术的问题，本专利技术的目的是提供一种碳量子点荧光双网络水凝胶及其制备方法，并提供了其在水中金属离子检测中的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术第一方面提供了一种碳量子点荧光双网络水凝胶，以琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶为基体，碳量子点键合在所述琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶。上述技术方案中，进一步地，所述碳量子点为氮掺杂碳量子点，碳量子点粒径2-10nm。本专利技术第二方面提供了一种碳量子点荧光双网络水凝胶的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将琼脂、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂溶于去离子水后，搅拌均匀，形成第一溶液；(2)将第一溶液油浴加热，待琼脂完全溶解，形成第二溶液；(3)将第二溶液注入模具内，紫外固化成型，形成琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶；(4)将琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶浸泡在碳量子点溶液中，得到琼脂/聚丙烯酰胺/碳点高强度荧光双网络水凝胶。上述技术方案中，进一步地，所述琼脂浓度为0-20mg/mL，琼脂Agar凝胶强度为1000-1200g/cm3，丙烯酰胺浓度为2-10mol/L，所述交联剂的用量为丙烯酰胺质量分数的0.005％-0.1wt％，所述光引发剂的用量为丙烯酰胺摩尔分数的0-1mol％。优选地，所述琼脂浓度为20mg/mL，丙烯酰胺浓度为4mol/L，所述交联剂用量为丙烯酰胺质量分数的0.03％，所述光引发剂用量为丙烯酰胺摩尔分数的1％。上述技术方案中，进一步地，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，所述光引发剂为2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)。上述技术方案中，进一步地，所述步骤(2)中油浴的温度为90-95℃，油浴前先通入氮气5-15min。上述技术方案中，进一步地，所述紫外固化的紫外波长为365nm，紫外光强度为8-12w，反应时间为1-3h，反应在暗箱中进行。上述技术方案中，进一步地，所述步骤(4)中浸泡时间为12-48h。上述技术方案中，进一步地，步骤(4)所述氮掺杂碳量子点(N-CDs)以一水合柠檬酸为碳源，尿素为氮源，经一步水热反应后，利用0.22μm的超滤膜过滤，透析，干燥得到粒径分布在2-10nm的碳量子点。上述技术方案中，进一步地，所述尿素与柠檬酸质量比为1～3:1，所述水热反应温度为100-140℃，反应时间4-8小时。本专利技术第三方面提供了如前所述的碳量子点荧光双网络水凝胶在检测水中金属离子的应用。上述技术方案中，进一步地，所述金属离子为Ag+、Ba2+、Zn2+、Ni2+、Cu2+、Cr3+、Fe3+。上述技术方案中，进一步地，所述应用为将所述碳量子点荧光双网络水凝胶浸泡在待检测水中；浸泡后测量水凝胶的荧光强度。上述技术方案中，进一步地，所述碳量子点荧光双网络水凝胶对三价铁离子Fe3+的浓度在80-160μM内呈现线性关系。本专利技术的有益效果：本专利技术采用高效的“一锅法”制备得到的琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶，适宜用作荧光水凝胶的基材，通过将其浸泡在氮掺杂碳量子点(N-CDs)溶液中，制得碳量子点荧光双网络水凝胶，制备方法简单易行，无需任何复杂的仪器、设备，便于后续的工业化实施；碳量子点表面具有丰富的羧基、羟基和氨基官能团，能够与琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶之间形成氢键，增强了有机基体和无机碳量子点之间的交联强度，提高了荧光水凝胶的力学性能，具有稳定的外形尺寸，在实用中可弯曲，加工性能好，便于携带与储存。本专利技术的水凝胶具有荧光性能，在紫外灯下发出明亮、稳定的蓝色荧光，且对重金属离子检测具有明显的选择性。本专利技术制备的氮掺杂碳量子点粒径均一，光学性质稳定高效，碳量子点粒径均在10nm以内(其中95％以上粒径在2-6nm之间)，平均粒径约为3.5nm，制得的碳量子点荧光双网络水凝胶也具备稳定的光学性质，对Fe3+检测灵敏度高，抗干扰能力强，对于Fe3+的最低检测限约为3.64μM，低于世界卫生组织规定的饮用水中铁离子的最高排放标准。附图说明图1是实施例1氮掺杂碳量子点(N-CDs)的透射电镜图及粒径分布图；其中，图(a)为N-CDs的透射电镜图，插图为N-CDs的晶格，图(b)为N-CDs的粒径分布图；图2为实施例1氮掺杂碳量子点(N-CDs)水溶液的吸收、激发和发射光谱及荧光双网络水凝胶的激发和发射光谱图；其中，图(a)为N-CDs水溶液的吸收、激发和发射光谱图，图(b)为荧光水凝胶的激发和发射光谱图；图3为交联剂(N’N-亚甲基双丙烯酰胺)含量为0.005-0.1mol％的荧光水凝胶的拉伸曲线图；图4为交联剂(N’N-亚甲基双丙烯酰胺)含量为0.03mol％时的荧光水凝胶的压缩曲线图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳量子点荧光双网络水凝胶，其特征在于，以琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶为基体，碳量子点键合在所述琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶。/n

【技术特征摘要】
1.一种碳量子点荧光双网络水凝胶，其特征在于，以琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶为基体，碳量子点键合在所述琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶。


2.根据权利要求1所述的琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶，其特征在于，所述碳量子点为氮掺杂碳量子点，碳量子点粒径2-10nm。


3.一种碳量子点荧光双网络水凝胶的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将琼脂、丙烯酰胺、交联剂、光引发剂溶于去离子水后，搅拌均匀，形成第一溶液；
(2)将第一溶液油浴加热，待琼脂完全溶解，形成第二溶液；
(3)将第二溶液注入模具内，紫外固化成型，形成琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶；
(4)将琼脂/聚丙烯酰胺双网络水凝胶浸泡在碳量子点溶液中，得到琼脂/聚丙烯酰胺/碳点高强度荧光双网络水凝胶。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述琼脂浓度为0-20mg/mL，琼脂凝胶强度为1000-1200g/cm3，丙烯酰胺浓度为2-10mol/L，所述交联剂的用量为丙烯酰胺质量分数的0.005％-0.1wt％，所述光引发剂的用量为丙烯酰胺摩尔分数的0-1mol％。


5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述交联剂为N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王沛，黄江波，顾雪娇，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21