一种利用浒苔制备碳量子点的方法与流程

技术领域：

本发明属于碳纳米材料和海洋新材料制备技术领域，涉及一种水热法制备碳量子点的工艺，特别是一种利用海洋中的浒苔制备碳量子点的方法，并将制备的碳量子点应用到金属离子检测和生物成像等领域。

背景技术：
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由于全球气候变化、水体富营养化等原因，造成海洋中大量浒苔绿潮暴发。大量繁殖的浒苔能遮蔽阳光，影响海底藻类的生长；死亡的浒苔也会消耗海水中的氧气，而大量浒苔漂浮聚集到岸边，阻塞航道，同时破坏海洋生态系统，严重威胁沿海渔业、旅游业的发展。因此，浒苔的回收处理及合理利用一直是环境保护和资源利用方面日渐关注的问题，比如已经有研究工作者将浒苔通过打捞后经过机械处理挤压水分，然后转化成饲料和有机肥等，而探索更多浒苔的处理及回收利用技术仍具有重要的意义。

材料学的蓬勃发展促进了许多有效的纳米材料合成及应用方法的出现。其中碳量子点是一种新型的荧光碳纳米材料，与传统的半导体量子点相比，其具有水溶液中分散性好、化学稳定性强、易于功能化、生物相容性好以及光电性能优良等特性，在生物成像、生化传感、光电催化等领域具有极佳的应用前景。目前用于制备碳量子点方法有很多，主要包括激光剥离法、电弧放电法、电化学剥离法、化学氧化法、微波合成法和水热处理法等；碳量子点的碳源多种多样，如：碳纳米管、碳纤维、石墨棒、活性炭等。但是，这些方法比较复杂和耗时，采用的原料大多比较昂贵，而且产物需要经过强酸回流处理或表面修饰等手段才能保证碳量子点稳定的光学性能，限制了荧光碳量子点的大规模生产和实际应用。因此，寻找一种廉价易得、天然无毒的原料，利用简易有效的方法能够快速制备性能优异的荧光碳量子点显得尤为必要。申请号为201110049051.x的中国发明专利公开了一种以植物茎秆为原料的荧光碳量子点制备方法，主要包括以下步骤：在管式加热炉内于350℃-450℃的高温加热原材料得到烟炱；在硝酸溶液中回流酸煮10-12小时；除去水得到固体产物；与聚乙二醇和去离子水混合并于105℃-135℃反应48-72小时；离心后得到碳量子点。虽然该制备方法中的原材料廉价易得，但是工艺步骤繁琐，对设备要求高，耗时长，不利于规模化生产；申请号为201210264411.2的中国发明专利公开了一种利用大豆经榨取豆浆后的豆渣作为原料的荧光碳量子点制备方法，主要包括以下步骤：将原材料干燥脱水得到豆渣粉末；于200℃加热20-40min碳化；研磨过筛得粗粉；分散于去离子水中并蒸发浓缩；将浓缩液于-50℃冷冻干燥，即得荧光碳量子点。虽然该方法的工艺相对简单，但是需要对原材料进行复杂的预处理，大大提高了生产成本。此外，其实施例中制得的碳量子点的粒度均一性差，粒径范围较宽，约3-12μm。因此涉及一种利用浒苔制备碳量子点的方法，制备原料极易取得且成本低廉，同时制备工艺简单，制造成本低，可大规模生产，所制备的碳量子点粒径均一，应用环境良好，市场前景非常广阔。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求一种原材料易获得、成本低廉，制备工艺简单，制备过程绿色环保，同时可大规模生产出粒径均一、性能优异的碳量子点的方法，利用该方法制备的碳量子点粒径均一、水溶性好且能在紫外灯下发出明亮蓝光；制备的碳量子对铁离子检测具有极强的特异性，可将其应用于海水或者自来水中铁离子检测，同时可应用到生物成像等领域。

为了实现上述目的，本发明制备碳量子点的工艺具体包括以下步骤：

(1)称取1-10g收集到的浒苔，用去离子水冲洗干净，放入50-200ml聚四氟乙烯反应釜中，量取30-160ml去离子水或者30-160mlph为6.0-10.0的缓冲溶液，倒入该反应釜中。

(2)将反应釜放入真空干燥箱中，150-240℃，反应3-15h，然后冷却至室温，得到碳量子点溶液。

(3)将步骤(2)制备的碳量子点溶液采用离心机在8000-15000rpm条件下离心10-30min后，除去杂质及沉淀，取上层清液即为制得的碳量子点。

本发明通过对所得的碳量子点采用不同手段进行表征，能进行铁离子检测和细胞成像，所采用的手段包括荧光、紫外、红外、x射线光电子能谱仪(xps)和透射电镜(tem)中、原子力显微镜(afm)，x射线衍射(xpd)的一种或两种以上。

采用1g以上不同质量的浒苔原料，在ph值在1.0-13.0的缓冲溶液中，水热温度为150-240℃，在3-15h反应时间下，所得碳量子点的粒径分别在2-20nm之间，量子产量为9-30％；制备的碳量子点粒径均匀，其表面富含羧基、羟基等基团，具有极佳的水溶性；所得碳量子点放置5个月以上，相同浓度的碳量子点样品的荧光强度变化很小，碳量子点的荧光性质稳定；在碳量子点溶液中分别加入150μmag⁺,al³⁺,cd²⁺,cu²⁺,co²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,mg²⁺,mn²⁺,ni²⁺,pb²⁺,zn²⁺等不同的金属离子，其中fe³⁺对碳量子点的荧光强度具有明显的淬灭作用，并且随着加入fe³⁺的浓度增加，碳量子点的荧光强度不断降低，降低荧光强度和fe³⁺在一定范围内呈线性关系，而增加其他不同金属离子的加入都不会对碳量子点的荧光强度产生明显影响，所以制备的碳量子点能够通过其荧光淬灭效应对fe³⁺特异性检测。

将所制备碳量子点应用于细胞成像，成效效果显著，且连续扫描大于10小时，荧光强度基本不变，说明该碳量子点具有极高的抗光漂白性。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是合成碳量子点的碳源来自于天然原料浒苔，原材料易获得，制备成本低，也为海洋中大量繁殖的浒苔提供了新的处理路径；二是制备的碳量子点无毒、点粒径均一、荧光性质优异、稳定性好；三是制备工艺操作简单、制备效率高、可大规模生产，同时绿色环保。

附图说明：

图1为本发明制备的碳量子点的tem图和高分辨透射电(hrtem)图。

图2为碳量子点尺寸分布图。

图3为碳量子点原子力显微镜图

图4为碳量子点原子力显微镜图的对应高度图。

图5为本发明在同浓度的实施例2中制备的碳量子点中入不同浓度的fe³⁺后的荧光强度。

图6为本发明使用实施2中制备碳量子点检测fe³⁺线性关系，同浓度的碳量子点中加入不同浓度的fe³⁺后，荧光强度(y)与fe³⁺浓度(x)的线性关系，(1)为y＝953.05-1.76x(r＝0.9971)，浓度范围1-350μm；(2)为y＝410.46-0.173x(r＝0.9933)，浓度范围370-1700μm。

图7为本发明实施例3经碳量子点溶液孵育的hela细胞的激光扫描共聚焦显微镜成像荧光图

图8为本发明实施例3经碳量子点溶液孵育的hela细胞的激光扫描共聚焦显微镜成像明场图

图9为本发明实施例3经碳量子点溶液孵育的hela细胞的激光扫描共聚焦显微镜成像明场图与荧光图的重叠图

图10为碳量子点的细胞毒性测试结果图

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

(1)称取2g收集到的浒苔,用去离子水冲洗干净，放入150ml聚四氟乙烯反应釜中，然后加入120mlph10.0硼酸盐缓冲溶液。

(2)将反应釜放入真空干燥箱里在180℃的条件下反应6小时，然后取出反应釜冷却至室温，得到碳量子点溶液。

(3)将步骤(2)制备的碳量子点溶液采用离心机在11900rpm条件下离心20min除去固体杂质及沉淀，取上层清液即为制得的碳量子点。

实施例2：

本实施例将实施例1制备的碳量子点溶液应用到fe³⁺特性性离子的检测方面，分别加入150μmag⁺,al³⁺,cd²⁺,cu²⁺,co²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,mg²⁺,mn²⁺,ni²⁺,pb²⁺,zn²⁺，并在360nm的激发波长下测其荧光强度，其中只有fe³⁺对碳量子点的荧光强度具有明显的淬灭作用，其他不同金属离子的加入都不会对碳量子点的荧光强度产生明显影响。为了探究加入的fe³⁺浓度与荧光强度的线性关系，配制一系列浓度梯度的fe³⁺，1μm，10μm，50μm，100μm，120μm，150μm，170μm，200μm，220μm，250μm，270μm，300μm，320μm，350μm，370μm，400μm，500μm，700μm，1000μm，1200μm，1500μm，1700μm，2000μm分别加入到同一浓度的碳量子点溶液中，得到一系列不同的荧光强度，从而得到fe³⁺对碳量子点的荧光强度的影响，如图5所示，采用实施例1制备的碳量子点可以实现最低检测限为1μm的fe³⁺检测，图6为加入不同的fe³⁺，荧光强度(y)与fe³⁺浓度(x)的线性关系，(1)为y＝953.05-1.76x(r＝0.9971)，浓度范围1-350μm；(2)为y＝410.46-0.173x(r＝0.9933)，浓度范围370-1700μm。

实施例3：

本实施例将实施例1制备的碳量子点溶液应用到细胞成像方面，先将hela细胞(10⁶细胞/样品)放置在边长35mm的正方形载玻片上，制备含碳量子点溶液浓度1/10的新鲜dmem溶液，在37℃下用制备的dmem溶液孵育hela细胞4-24h得到孵育细胞；再在室温下，将所有孵育细胞用磷酸盐缓冲溶液冲洗三次去除多余的未吸收的碳量子点，选择488nmar离子激光器对孵育细胞进行激发，并将孵育细胞通过leicatcssp2激光扫描共聚焦显微镜采集获得图像，并进一步采集随时间变化某一固定区域的细胞成像情况，如图7所示，可见细胞成像效果非常好。

本实施例对细胞毒性进行测试，将细胞用含不同浓度的碳量子点的dmem溶液进行孵育24小时，然后加入10ml含有5mg/ml的mtt溶液，然后继续在通5％co2和37℃条件下孵育4小时，最后用100μl二甲基亚砜使结晶物充分溶解，在酶联免疫检测仪490nm处测量各孔的吸光值，测量结果如图10所示，未经过碳量子点溶液孵育的细胞活性设定为100％，则经不同浓度的碳量子点孵育后，细胞活性能保持85％以上，同时荧光强度随时间变化较小。

本实施例将碳量子点应用于有效细胞成像，实验结果说明产生的碳量子点能成功地被细胞吸收，碳量子点良好的光谱特性可以用作有效的生物成像试剂，同时该碳量子点具有低毒、稳定且受光漂白影响较小的特性。