CN102816567A - 一种高收率碳量子点的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高收率碳量子点的制备方法，步骤为：（1）将柠檬酸铵盐放入电热炉中，以升温速率为5～50℃/min升温，在150～250℃，反应2～4h，得到裂解产物；（2）将所述裂解产物碾磨成粉，加入乙醇搅拌，离心，去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；（3）烘干，得到碳量子点。本发明工艺操作简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求不高且相对温和，所得碳量子点收率和量子产率都较高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产且获得碳量子点的荧光量子产率较低的问题，可应用于生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域。

Description

一种高收率碳量子点的制备方法
技术领域
本发明涉及碳量子点制备技术领域，具体涉及一种高收率碳量子点的制备方法。
背景技术
2004年研究者在提纯碳纳米管过程中偶然发现了碳量子点。相对于传统的半导体量子点，碳量子点有以下优势：粒径一般小于10nm、稳定的光致发光性能、较宽的激发波长范围、发射波长依赖激发波长的特性、优异的生物相容性以及无毒环保等。因此，碳量子点有望取代半导体量子点而应用于生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域，是目前碳纳米材料领域的研究热点。
目前碳量子点的制备方法有多种，例如：电弧法、激光法、电化学氧化法、燃烧/热分解法、微波法等等。但是以上方法往往需要严格的实验条件、昂贵的材料或仪器，工艺步骤繁琐，成本较高，碳量子点的收率很低。而且，上述方法合成的碳量子点一般都需要强酸或表面钝化剂进一步修饰处理，以获得一定的荧光性能和溶解性能，所以短时间内难以实现规模化生产推广。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高收率碳量子点的制备方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种高收率碳量子点的制备方法，包括如下步骤：
（1）将柠檬酸铵盐放入电热炉中，以升温速率为5～50℃/min升温，在150～250℃，反应2～4h，得到裂解产物；
（2）将所述裂解产物碾磨成粉，按1g/100ml的比例加入乙醇搅拌5-8h，以4000～6000rpm的速率离心10-15min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。
柠檬酸铵盐为柠檬酸二氢铵、柠檬酸氢二铵或柠檬酸铵。
电热炉优选为马弗炉、管式电炉或烘箱。
本发明的优点：
（1）本发明操作简单，不需要后续强酸或表面钝化剂处理，一步法即可得到碳量子点。
（2）原材料柠檬酸铵盐和提纯试剂乙醇均为普通试剂，来源广泛，价格便宜。
（3）生产设备仅需电热炉，对炉子升温速率要求较低，且所有能加热到150℃以上的炉子均可，没有保护气氛、真空度等任何特殊要求。
（4）碳量子点的制备温度范围较为宽泛，且制备温度相对比较温和，最低制备温度仅需150℃。
（5）碳量子点的收率较高，一般在2.1％～17.5％之间。
（6）碳量子点的量子产率较高，以硫酸奎宁（量子产率54％）为参照物，所得碳量子点的相对量子产率一般在22.9％～26.1％之间。
总之，本发明工艺操作简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求不高且相对温和，所得碳量子点收率和量子产率都较高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产且获得碳量子点的荧光量子产率较低的问题，可应用于生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域。
附图说明
图1为本发明中不同制备温度所得碳量子点的红外光谱图。
图2为本发明中碳量子点的高倍透射电镜图（a）和粒径分布图（b）。
图3为本发明中碳量子点水溶液液滴的荧光显微镜图。
图4为本发明中碳量子点不同浓度条件下的细胞毒性结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸铵放入马弗炉中，以升温速率设定为10℃/min升温，在150℃，反应2.5h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌6h，以4500rpm的速率离心12min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为17.5％，量子产率为26.1％；
实施例2
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸二氢铵放入马弗炉中，以升温速率设定为10℃/min升温，在200℃，反应4h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌5h，以4000rpm的速率离心15min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为13.5％，量子产率为23.7％；
实施例3
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸铵放入管式电炉中，以升温速率设定为50℃/min升温，在250℃，反应2h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌5h，以6000rpm的速率离心10min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为2.1％，量子产率为22.9％；
实施例4
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸铵放入烘箱中，以升温速率设定为5℃/min升温，在150℃，反应3h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌8h，以4500rpm的速率离心13min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为16.8％，量子产率为25.9％；
实施例5
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸铵放入烘箱中，以升温速率设定为5℃/min升温，在200℃，反应3h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌6h，以4500rpm的速率离心13min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为12.1％，量子产率为24.2％；
实施例6
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸二氢铵放入马弗炉中，以升温速率设定为10℃/min升温，在200℃，反应2.5h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌6h，以4500rpm的速率离心13min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为11.6％，量子产率为21.8％；
实施例7
一种高收率碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将质量为0.5g的柠檬酸氢二铵放入烘箱中，以升温速率设定为5℃/min升温，在200℃，反应3h，得到裂解产物；
（2）将裂解产物碾磨成粉，加入50ml乙醇搅拌6h，以4500rpm的速率离心13min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。收率为14.7％，量子产率为22.4％；
石英比色皿盛有碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出蓝色荧光。
图1为本发明中不同制备温度所得碳量子点的红外光谱图，在250℃以下制备的碳量子点表面均有较多的羧基和氨基，与其较高的量子产率结果一致。
图2为本发明中碳量子点的高倍透射电镜图（a）和粒径分布图（b），碳量子点的平均粒径约为6nm。（实施例1制备）
图3为本发明中碳量子点水溶液液滴的荧光显微镜图。其中，a为自然光条件下无色透明的液滴；b为紫外光源激发下呈蓝色的液滴；c为蓝色光源激发下呈绿色的液滴；d为绿色光源激发下呈红色的液滴。（实施例1制备）
图4为本发明中碳量子点不同浓度条件下的细胞毒性结果，碳量子点在350mg/ml浓度以下，MTT法检测L929细胞的存活率在80％以上。（实施例1制备）
实验证明，实施例2-7制备的碳量子点的平均粒径约为6nm。碳量子点水溶液液滴的荧光，在自然光条件下无色透明的液滴；在紫外光源激发下呈蓝色的液滴；在蓝色光源激发下呈绿色的液滴；在绿色光源激发下呈红色的液滴。在不同浓度条件下的细胞毒性结果，碳量子点在350mg/ml浓度以下，MTT法检测L929细胞的存活率均在80％以上。

Claims (3)

1.一种高收率碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将柠檬酸铵盐放入电热炉中，以升温速率为5～50℃/min升温，在150～250℃，反应2～4h，得到裂解产物；
（2）将所述裂解产物碾磨成粉，按1g/100ml的比例加入乙醇搅拌5-8h，以4000～6000rpm的速率离心10-15min,去除不溶物，得到棕色的含碳量子点的乙醇溶液；
（3）将所述含碳量子点的乙醇溶液烘干，得到碳量子点。
2.根据权利要求1所述的一种高收率碳量子点的制备方法，其特征在于：所述柠檬酸铵盐为柠檬酸二氢铵、柠檬酸氢二铵或柠檬酸铵。
3.根据权利要求1所述的一种高收率碳量子点的制备方法，其特征在于：所述电热炉为马弗炉、管式电炉或烘箱。
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