一种基于壳寡糖‑微波辅助制备水溶性荧光碳点的方法与流程

本发明属于生物医用材料、纳米发光材料领域，具体设计一种基于壳寡糖-微波辅助制备水溶性荧光碳点的制备方法。

背景技术：

荧光碳点是一种新型的功能化纳米材料，其粒径一般小于10 nm或接近激光波尔半径。与半导体量子点（如CdS量子点）和有机荧光染料分子相比，其基本骨架为碳，具有低细胞无毒、生物相容性好、易溶于水、荧光强度高且稳定性好、抗光漂白以及易功能化等优点，在发光材料、生物标记和成像，光电器件、生物传感器、光催化复合材料以及离子分析检测等领域均有广泛的应用。近年来，文献报道的荧光碳点的制备方法主要有两类：无机碳源法（如：电化学法、激光辅助法）和有机碳源法（高温碳化、浓酸碳化、模板法）。前者是基于从较大的碳结构上剥落或裂解成纳米级碳颗粒，此方法需要严格的实验条件或特殊的设备，制成的碳点粒径分布不均匀，且产率低。后者则是直接以有机物为原材料，以有机小分子或聚合物分子为前驱体碳化形成碳点，产率高且成本低，其常用方法包括水热合成法、化学合成法等。但是，通过此法合成的碳点分离难、荧光量子产率低，需要进一步表面修饰，严重制约了荧光碳点的实际应用。因此，选用优质有机碳源，开发产率高、操作简单和荧光产率高的新合成方法是目前荧光碳点的研究重点。

根据现有文献报道，选取含有氮元素的有机碳源制备碳点可以提高其荧光量子产率。其中，壳聚糖是自然界中广泛存在的一种生物多糖，当壳聚糖通过适当的工艺降解后可以获得水溶性壳寡糖，其分子链上除碳元素外，还含有大量的氨基基团，它既可以作为合成碳点的有机碳源，还可以作为钝化剂。因此，本法选用壳寡糖为碳源，结合微波辅助技术，设计了一种操作简单、产率高、易分离、荧光产率优良的荧光碳点的制备方法，以制备出高品质的荧光碳点来满足实际的应用需求。

技术实现要素：

本发明是针对现有荧光碳点制备方法操作复杂、分离难、产率低、粒径分布不均匀及稳定性差等问题，而设计的一种水溶性荧光碳点的制备方法。本发明以壳寡糖为碳源、水为溶剂、醋酸为助溶剂，采用微波辅助法合成水溶性荧光碳点粉末，以提高荧光碳点的纯度，扩大荧光碳点的使用范围。

一种基于壳寡糖-微波辅助制备水溶性荧光碳点的制备方法，具体是按照以下步骤进行的。

（1）溶液配制：选取优质的壳寡糖为碳源，其分子量为1200 ~ 2000；去离子水为溶剂，分析纯醋酸为助溶剂，溶液搅拌后获得壳寡糖水溶液。三种物质的物料比为：1：（10 ~ 30）：0.2（质量比）。

（2）微波辅助制备：将（1）中获得的壳寡糖水溶液装入聚四氟乙烯消解罐中，密闭后置于微波消解仪中，反应功率：700 ~ 1600 W，加热温度：120℃ ~ 180℃，加热时间：2 ~ 10 min。

（3）冷却：微波合成后，停止加热，自然冷却至室温。

（4）醇沉与分离：开启聚四氟乙烯消解罐，将反应液倒入500 mL的烧杯中，加入一定量的醇试剂（3-5倍原溶液，醇试剂为：甲醇、乙醇、异丙醇等，首选乙醇），自然醇沉过夜。通过离心分离后，取上层清液，获得荧光碳点水溶液。

（5）干燥：取荧光碳点水溶液置于真空干燥箱中，进行干燥，干燥温度：50 ~ 80℃，干燥时间为12 ~ 24 h，具体视干燥效果而定。真空干燥后为固体荧光碳点粉末。

（6）表征：对获得的固体荧光碳点粉末进行表征，荧光性能的分析，用透射电子显微镜进行形貌的分析，用荧光光谱仪进行荧光性能的分析；结论：用此法制备的水溶性荧光碳点，其粒径≤5.0 nm，荧光强度良好，水溶性99%。

（7）储存：对制备的水溶性荧光碳点储存于棕色透明的玻璃容器中，密闭避光保存。

有益效果：本发明针对现有荧光碳点制备方法操作复杂、分离难、产率低、粒径分布不均匀及稳定性差的问题，利用壳寡糖为碳源、水为溶解、醋酸为助溶剂，采用微波辅助制备水溶性荧光碳点；此方法工艺简单、迅速快捷，获得的荧光碳点荧光强度稳定，基本上不发生“漂白”现象；荧光碳点粒径分布均匀，粒径在5.0 nm左右，产物纯度高，水溶性好，是一种制备水溶性荧光碳点的良好方法；其产物在离子检测、生物成像，生物芯片和光电器件及荧光复合材料等领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施方式1中合成的荧光碳点溶液醇沉前的高分辨透射电镜（TEM）图。

图2为本发明实施方式2中合成的荧光碳点溶液醇沉后的高分辨透射电镜（TEM）图。

图3为本发明实施方式2中制备的荧光碳点的荧光光谱图；两条曲线为荧光碳点水溶液分别在285 nm和380 nm激发光条件下的荧光光谱图。

图4为本发明实施方式3中制备的荧光碳点在氙灯照射下的荧光稳定性测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明做进一步说明，但不局限于以下列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式1：取1.0 g壳寡糖溶于15 mL去离子水中，加入0.2 mL的冰醋酸，磁力搅拌1 h，使其充分溶解。将上述溶液装入50 mL的聚四氟乙烯消解罐中，密闭后置于微波消解仪中进行消解，消解条件为：（1）温度：120℃，（2）功率：800 W，（3）时间：6 min；微波反应后，冷却至室温，取溶液进行透射电镜表征；详见图1，从图中可以看出，获得的荧光碳点表层包裹了一层物质，使其团聚在一起；碳点的粒径均匀，粒径为≤5 nm。

具体实施方式2：取1.0 g壳寡糖溶于15 mL去离子水中，加入0.2 mL的冰醋酸，磁力搅拌1 h，使其充分溶解。将上述溶液装入50 mL的聚四氟乙烯消解罐中，密闭后置于微波消解仪中进行消解，消解条件为：（1）温度：120℃，（2）功率：800 W，（3）时间：6 min。微波反应后，冷却至室温；将获得的反应液倒入500 mL的烧杯中，加入50 mL的乙醇进行醇沉过夜，通过离心分离，转速：10000 r/min，时间：10 min；取上层清液进行透射电镜的表征；详见图2，通过醇沉后获得的荧光碳点，分布均匀，粒径也小于5 nm，且分散性良好；表面未见其他物质，表明用醇沉后的荧光碳点纯度高，分散性好；同时将获得的溶液进行荧光光谱性能分析，详见图3；从图中可以看出，当激发光波长为285 nm时，其荧光强度不高，大约为7500 a.u.左右，最大发射波长为400 nm；而当激发光波长增大到380 nm后，其荧光强度大大提高，强度为17500 a.u.左右，且最大发射波长也位移到了430 nm，同其他文献中报道的荧光碳点发射波长一致。

具体实施方式3：取2.0 g壳寡糖溶于20 mL去离子水中，加入0.4 mL的冰醋酸，磁力搅拌1 h，使其充分溶解；将上述溶液装入50 mL的聚四氟乙烯消解罐中，密闭后置于微波消解仪中进行消解，消解条件为：（1）温度：120℃，（2）功率：1000 W，（3）时间：6 min；微波反应后，冷却至室温；将获得的反应液倒入500 mL的烧杯中，加入60 mL的乙醇进行醇沉过夜，通过离心分离，转速：10000 r/min，时间：10 min；获得上层清液；再通过真空干燥，干燥温度：80℃，干燥时间为24 h，获得固体荧光碳点粉末，储存于棕色透明玻璃瓶中，待用。取少量制备的荧光碳点粉体在氙灯下照射，测定其荧光稳定性能，详见图4；从图中可以看出，随着照射时间的延长，碳点的荧光强度基本保持不变，没有发生“漂白”现象，实验表明：该方法制备的碳点荧光稳定性良好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。