CN114014301B - 一种荧光碳纳米洋葱的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种荧光碳纳米洋葱的合成方法，属于碳纳米材料技术领域。包括以下步骤：(1)采用热解法制备碳纳米洋葱；(2)将碳纳米洋葱在50～500mL/min氮气保护下600～1000℃处理0.5～3h；(3)用8～14.5mol/L硝酸120～200℃钝化1～3h；(4)用截留分子量为3～10kD的透析膜透析16～32h后烘干。本方法合成的碳纳米洋葱的荧光量子效率是现有技术的10.6倍，用作探针具有更高的检测灵敏度，用于生物成像具有更低的生物毒性。

Description

一种荧光碳纳米洋葱的合成方法
技术领域
本发明属于碳纳米材料技术领域，特别是涉及一种荧光碳纳米洋葱制备方法。
背景技术
碳纳米洋葱(CNO)为碳纳米管的一种特殊形式，其结构为套球状，类似于长径比约为1∶1的碳纳米管。早在1980年，Iijima便第一次发现了碳纳米洋葱的结构；1992年，Ugarte将电弧放电所产生碳灰中的多面体石墨在HRTEM电子束照射下使之转变成碳纳米洋葱。随后，Xu和Tanaka同样应用HRTEM的低能电子束辐照，在金属纳米颗粒Al、Pt和Au的催化作用下，使非晶碳膜转变为洋葱状纳米材料。碳纳米洋葱因其弯曲闭合的特殊石墨层结构而具有很多特殊且优良的物理、化学性能，广泛应用于电子、储能、摩擦、催化、生物传感等领域。
CNO的合成方法包括电弧放电、等离子体、电子束照射、热处理、热解、化学气相沉积(CVD)等。将CNO表面钝化，使其表面带有羧基、氨基等基团可以使其具有荧光的特性并用于生物成像(Small 2011,7,No.22,3170–3177)。近年，Kim课题组报道了一种简便的荧光碳纳米洋葱(FCNO)合成方法(ACS Sustainable Chem.Eng.2017,5,3982-3992)，他们用亚麻籽油作为FCNO的碳源，通过燃烧亚麻籽油，收集烟灰，并用硝酸钝化制得荧光碳纳米洋葱。但是，目前现有技术制备的FCNO的荧光量子效率较低，因此，用其作为探针时检测灵敏度低；而将其用于生物成像研究时，需要用较高浓度的FCNO才能获得理想的结果，此时，FCNO的细胞毒性将严重制约其应用(ACS Appl.Nano Mater.2018,1,662-674)。因此，合成高荧光量子效率的FCNO是一个亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种高荧光量子效率FCNO的合成方法。发明人实验发现，将热解法制得的CNO在氮气保护下高温处理后，再用硝酸钝化，可以显著提高CNO的荧光发射强度。有鉴于此，本专利提供了一种荧光碳纳米洋葱制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用热解法制备碳纳米洋葱；
(2)将碳纳米洋葱在氮气保护下高温处理；
(3)将步骤(2)得到的产品用硝酸处理；
(4)将步骤(3)得到的产品透析，除去硝酸后烘干，得荧光纳米洋葱。
所述步骤(2)中的烟灰在气氛炉中处理，氮气的纯度≥99.5％，流速为50～500mL/min，优选流速为100～300mL/min。
所述步骤(2)中处理温度为600～1000℃，处理时间为0.5～3h。
所述步骤(3)中的硝酸的浓度为8～14.5mol/L，处理温度为120～200℃，处理时间为1～3h。
所述步骤(4)中透析膜的截留分子量为3～10kD，透析液为去离子水，每2小时更换一次，透析时间为16～32h。
本申请提供的FCNO不仅保留了原碳纳米洋葱的组成和形貌，而且荧光效率大大提高，荧光发射强度相对于现有技术提高了10.6倍。将此种FCNO应用于检测可以显著提高灵敏度，将其应用于生物成像可以大大减小用量，进一步降低生物毒性。
附图说明
图1为实施例1中合成的FCNO的TEM图。
图2为实施例1(A线)和实施例2(B线)合成的FCNO荧光发射光谱图(激发波长为350nm)。
图3为实施例2中合成的FCNO的TEM图。
具体实施方式
本专利提供了一种荧光碳纳米洋葱制备方法，包括以下步骤：
(1)采用热解法制备碳纳米洋葱；
(2)将碳纳米洋葱在冲氮气的高温炉中进行处理；所用氮气的纯度≥99.5％，流速为50～500mL/min，优选流速为100～300mL/min；高温炉的温度为600～1000℃，处理时间为0.5～3h；
(3)将高温处理后的碳纳米洋葱用硝酸进行钝化；硝酸的浓度为8～14.5mol/L，处理温度为120～200℃，处理时间为1～3h；
(4)将钝化后的碳纳米洋葱步骤用去离子水透析，所用透析膜的截留分子量为3～10kD，每2小时更换一次去离子水，透析时间为16～32h；除去硝酸后烘干，得荧光纳米洋葱。
为进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的荧光碳纳米洋葱制备方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
下属实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径购得。
实施例1
采用文献报道的方法(ACS Sustainable Chem.Eng.2017,5,3982-3992)合成荧光纳米洋葱，对产品的形貌和荧光性质进行研究，并将其作为对比例与本方案的产品进行比较。
1.1 FCNO的制备
1.1.1纳米洋葱烟灰制备
将亚麻籽油约200mL倒入酒精灯，点燃后，将200mL玻璃烧杯倒放于酒精灯上方，使火苗外焰的外边界离烧杯底约10cm，对燃烧过程中的烟灰进行收集。燃烧结束后，用不锈钢药勺小心地将收集的烟灰刮下。
1.1.2钝化
称取0.1g烟灰，加入容积为50mL的聚四氟乙烯消解罐内，加入30mL浓度为14.5M的硝酸，用玻璃棒搅匀后，密封，在170℃下处理1.5h。
1.1.3提纯
冷却至常温后，先用定性滤纸(新星牌，杭州特种纸业有限公司)滤掉大颗粒，再将滤液装入透析袋(Millipore，3kD)进行透析，每2小时更换一次去离子水，透析24小时后将FCNO溶液移入烧杯，先在100℃油浴上使水蒸发完全，然后将烧杯置于120℃烘箱中烘6小时。
1.2 FCNO的TEM表征
将1.1中制备的FCNO用TEM(Talos F200S,Hillsboro,OR,USA)表征，加速电压为200kV。从图1可以看出，合成的产物为洋葱状，直径5～15nm。层间距为0.36nm左右，符合洋葱结构碳纳米材料的特征(ACS Appl.Nano Mater.2018,1,662-674)。
1.3 FCNO的荧光表征
称取FCNO 0.23g溶解于10mL浓度为10mM的磷酸缓冲溶液中，超声10分钟使其分散均匀，装入1cm荧光池中，使用FLS980荧光光谱仪(Edinburgh Instruments Ltd.,Livingston,UK)对其进行荧光分析，测量时入射和出射狭缝宽均为5nm。图2A显示，当激发波长为350nm时，FCNO在520nm处有一个荧光发射峰，强度为4.8×104。
实施例2
采用本发明的方法合成FCNO并对其进行表征。
2.1 FCNO的制备
2.1.1纳米洋葱烟灰的制备
同实施例1中的1.1.1。
2.1.2高温处理
将CNO烟灰小心倒入石英舟，置于管式加热炉内，向炉中通入99.995％的高纯氮气，流速为200mL/min，10min后开始升温，至800℃后保持1.5h。待冷却至常温后取出CNO。
2.1.3钝化
本步骤同实施例1中的步骤1.1.2。
2.1.4纯化
同实施例1中步骤1.1.3。
2.2 FCNO的TEM表征
实验条件同实施例1中的步骤1.2。
从图3可以看出，合成过程中采用高温处理之后的纳米洋葱的形貌和尺寸都没有发生明显的改变。
2.3 FCNO的荧光表征
实验条件同实施例1中的步骤1.3。
图2B显示，当激发波长为350nm时，FCNO在520nm处有一个荧光发射峰，强度为5.1×105，相比于对比例的荧光强度提高了10.6倍。
实施例3
本实施例探究热处理过程中氮气流速的影响。
纳米洋葱烟灰制备工艺参数同2.1.1。
称取0.1g CNO烟灰小心倒入石英舟，推进管式加热炉，向炉中通入99.995％的高纯氮气，调整流速分别为10、50、100、200、300、400、500、600、700mL/min。除流速为10mL/min时需要稳定30min外，其余流速下，***稳定10min后开始升温，至800℃后保持1.5h。待冷却至常温后取出CNO。
分别采用2.1.3和2.1.4的步骤对产品进行钝化和提纯之后，采用2.3的条件进行荧光特性研究(激发波长350nm，扫描发射光谱，并记录520nm处的发射强度)，结果见表1。
表1热处理过程中氮气流速对FCNO荧光发射强度的影响
Figure BDA0003360159220000041
表1说明，氮气流速在50～500mL/min范围内，FCNO的荧光发射强度稳定在4.6～5.7×105之间，考虑到工艺时间及材料成本，取流速范围为50～500mL/min；表1还说明，当流速为100～300mL/min时，不仅可以节约高纯氮气，而且FCNO的发光强度也较高。
实施例4
本实施例热处理温度和时间对纳米洋葱荧光发射强度的影响。实验过程中仅改变加热温度和时间，保持氮气流速为200mL/min，其余实验条件同实施例3。
表2热处理温度和时间对FCNO荧光发射强度的影响
温度(℃) 500 600 700 800 900 1000 1100
时间(h) 3 3 2 2 1 0.5 0.5
荧光发射强度(×10<sup>5</sup>) 3.9 4.5 5.3 5.1 5.7 4.3 2.0
表2可以看出，在温度为600～1000℃之间，处理时间为0.5～3h的时间范围内，FCNO的荧光发射强度都大于4.0×105，满足灵敏检测的要求。
实施例5
本实施例考察FCNO钝化过程中硝酸浓度、钝化温度和钝化时间对产品荧光发射强度的影响。热处理工艺中氮气流速为200mL/min，恒温至800℃保持2h。其余工艺条件同实施例3。
表3硝酸浓度、钝化温度和时间的影响
硝酸浓度(mol/L) 温度(℃) 时间(h) 荧光发射强度(×10<sup>5</sup>)
6 120 1 1.7
6 170 1.5 1.5
6 200 3 3.1
8 120 1 2.7
8 170 1.5 3.8
8 200 3 4.4
10 120 1 3.2
10 170 1.5 3.1
10 200 3 4.7
12 120 1 3.8
12 170 1.5 4.9
12 200 3 4.6
14.5 120 1 5.1
14.5 170 1.5 4.9
14.5 200 3 2.0
本发明的钝化过程是在高温下通过强酸与纳米洋葱表面的碳原子发生氧化反应，在表面生成羧基，通过引入杂原子改变纳米结构表面的电子价态，从而增强其荧光发射。表3的实验结果表明，硝酸的浓度影响钝化，当浓度为6mol/L时，增加钝化时间和提高钝化温度都不能获得满意的结果，表现为最终产品的荧光发射强度介于1.5～3.1×105，小于4×105计数。而浓硝酸(浓度为14.5mol/L)钝化作用极强，但破坏了碳纳米洋葱的结构，在浓硝酸中200℃下处理3h，荧光发射强度反而降低到2.0×105计数，说明强烈的氧化反应使碳纳米洋葱的外层结构出现破损，从而影响整个材料的荧光性能。钝化时间总体上能强化钝化作用，虽然钝化1小时和1.5小时荧光强度的变化趋势不明显，但是，使用浓度较低的硝酸(6～12mol/L)时，钝化3小时的FCNO荧光发射强度明显比钝化1小时的作用强。
实施例6
本实施例研究透析膜的截留分子量和透析时间对产品荧光发射强度的影响。透析膜的截留分子量(MT)分别为3、7、10kD，透析时间(TD)分别为4、8、16、24、32h。热处理工艺中氮气流速为200mL/min，恒温至800℃保持2h。其余工艺条件同实施例3。
表4说明，由于钝化FCNO的硝酸浓度高，因此透析提纯是一个重要的步骤，采用3、7、10kD的透析袋，透析时间介于16～32小时，得到的产品溶解于缓冲溶液时可以产生灵敏的荧光信号，荧光发射强度介于4.9～5.7×105计数。
表4透析膜的截留分子量与透析时间对FCNO荧光强度(×105)的影响
Figure BDA0003360159220000061
上述实施例说明，采用本发明的方法制得的FCNO比现有技术制备的产品有更高的荧光量子效率，用于荧光检测能提供更高的灵敏度，而用于生物体内成像时FCNO的用量将大大减少，有效地降低材料的生物毒性。
以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种荧光碳纳米洋葱的合成方法，特征在于，包括以下步骤：
(1)采用热解法制备碳纳米洋葱；
(2)将碳纳米洋葱在纯度≥99.5％的氮气保护下热处理，处理温度为600～1000℃，处理时间为0.5～3h；
(3)将步骤(2)得到的产品用浓度为10～12mol/L的硝酸处理，处理温度为120～200℃，处理时间为1～3h；
(4)将步骤(3)得到的产品用截留分子量为3～10kD的透析膜透析，透析液为去离子水，每2小时更换一次，透析时间为16～32h，除去硝酸后烘干，得荧光纳米洋葱。
2.根据权利要求1所述的荧光碳纳米洋葱合成方法，其特征在于，所述步骤(2)中的碳纳米洋葱在气氛炉中热处理。
3.根据权利要求1所述的荧光碳纳米洋葱合成方法，其特征在于，所述步骤(2)中氮气的流速为50～500mL/min。
4.根据权利要求3所述的荧光碳纳米洋葱合成方法，其特征在于，所述氮气的流速为100～300mL/min。
5.根据权利要求1～4任一方法所制备的荧光碳纳米洋葱。
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