一种用豆腐废水制作碳量子点的方法与流程

本发明涉及一种用豆腐废水制作碳量子点的方法，属于纳米材料技术领域。

背景技术：

碳量子点(carbon quantum dots, CQDs) 是2004年发现的碳纳米材料。碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种，具有优异的光致发光和电致发光性能。碳量子点荧光明亮、稳定性高，激发光谱宽，发射光谱窄，发射波长可通过改变碳量子点的粒径大小（1-20 nm）、结构成分或掺杂种类、表面态、边缘态、氧化程度及其溶液的PH值来调控，无光漂白现象，且化学性能稳定，某些碳量子点还有上转换荧光特性，因而在生物样本特别是活组织的多色成像中极为有用，能有效避免因样本自身发光和光散射导致的信号干扰。相对于金属量子点和半导体量子点，碳量子点无毒害作用，对环境没有危害。由于碳量子点易于功能化和工业化，制备工艺简单、生产成本低廉，使碳量子点在发光材料及器件、荧光传感、环境检测、光催化、细胞标记和生物成像等众多领域展现出巨大的应用潜力，因而给发光材料、光电器件、绿色照明、薄膜显示、生物医学等学科领域带来新的、广阔的发展空间。

现有技术中合成碳量子点的方法有两类：一是自下而上（Bottom-up）合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成荧光碳量子点，包括燃烧法、热解法、微波法等；二是自上而下（Top-down）合成方法，即先打碎碳的前驱物，然后通过聚合物表面钝化的方式使其发光，主要包括化学剥离碳纤维法、电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化和水热法等，其中水热法是合成碳量子点较为常用的方法。

如果按制备碳量子点的原料来分，合成碳量子点的方法也可归结为两类：无机碳源和有机碳源。为了合成生物相容性好、毒性低、荧光强的碳量子点，促进碳量子点在生物医学、照明和显示等领域的广泛应用，选择自然有机物作为碳源合成碳量子点更可取，如果能废物利用更好。

豆制品废水是一种值得关注的廉价、宏量的碳源，豆制品废水的综合利用将会带来巨大的经济效益和社会效益。豆制品作为我国的传统食品已有五千年的历史。因其营养丰富，风味独特，深受人们喜爱。豆制品蛋白质中人体“必需的氨基酸”含量充足、组分齐全，属于“优质蛋白质”。除此之外，豆制品蛋白质还含有丰富的钙、镁、磷、铁、维生素B₁、B₂、有机酸及纤维素。随着人们生活水平的提高，豆制品种类及需求量日益增加。据统计，2015年我国用于豆制品加工的大豆约600万吨，每生产 1吨豆制品会将产生约15吨废水。豆制品生产过程中产生的大量废水主要包含泡豆的废水、豆腐压榨过程产生的黄浆水和清洗设备所产生的废水，其中每使用 1吨大豆就产生1吨左右的泡豆废水、4吨的豆腐黄浆水、约10吨清洁废水。豆制品废水属于高浓度的有机废水，生物需氧量( BOD)和化学耗氧量(COD)值较高，总氮(TN)和氨氮(NH，N)也较高，特别是黄浆水含有大豆低聚糖、大豆乳清蛋白、大豆异黄酮、大豆皂甙、多肽等丰富的有机物，其COD高达10000-20000mg／L，这些有机物极易腐败变质，如果直接排放将会导致田地、水质等环境污染。所以对豆制品废水的利用或处理对象主要是黄浆水。如果处理得当，黄浆水中可回收的成分多、含量高，可获得高附加值的物质。

目前黄浆水的应用开发技术主要涉及从豆腐黄浆水中分离蛋白质（公开号 CN101473885A）、提取大豆低聚糖、大豆异黄酮等优质功能性成分制备成大豆低聚糖肽功能性饮料（公开号 CN105685752A 和CN104687190A）以及豆腐黄浆水营养强化酱油（公开号 CN105707835A）、利用豆制品废水进行微生物培养（公开号 CN104762229A）、制作液体有机肥料（公开号 CN102040409A）、以黄浆水为原料或其营养成分为添加剂开发复合功能性饮料（公开号 CN105685752A）、发酵饲料（公开号 CN105746923A和公开号CN103652339A）等应用。豆制品废水还有许多用途有待研究和开发，豆制品废水引起的环境污染问题也将随着豆制品废水的综合有效利用而得以解决。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种用豆制品废水制作碳量子点的方法，该方法是以豆腐黄浆水为碳源，经平台加热使黄浆水中的有机物碳化，一步合成水溶性荧光碳量子点。本发明的合成方法能够减少高浓度有机废水的排放，解决黄浆水中高浓度有机物直接排放对环境造成的污染问题，同时可以获得高荧光量子产率的水溶性碳量子点，实现豆制品废水的有效利用、延长豆制品生产的产业链。

本发明的技术方案是以豆腐黄浆水为前驱体，采用热解法合成水溶性荧光碳量子点。该合成方法中的加热温度、加热时间、黄浆水的PH值等均对碳量子点的生长产生直接影响。因此，可通过控制上述因素来制作发射不同荧光波长的碳量子点。

本发明的技术特征在于合成荧光碳量子点的工艺过程包含以下步骤：

1. 取300 ml豆腐黄浆水放入500 ml烧杯中，将其置于恒温加热平台上，待加热平台温度升高至200-300 ℃时，恒温加热反应2~5小时，等烧杯中的黄浆水要干未干时停止加热；

2. 让烧杯中的反应物在室温下自然冷却，随后在装有所述的反应物并且已冷却的烧杯中加入去离子水50-200 ml，形成混合液；

3. 然后将所述的混合液磁力搅拌4 min，待搅拌结束后再超声5 min，再让该混合液静置均匀后取上层清液，重复此步骤2~3次；

4. 将取出的上层清液放入离心机中，以12000 r/min的转速离心20 min，最后取出上层清液，即可获得在波长为410 nm的可见光激发下发射波长为457 nm和498 nm蓝色荧光的碳量子点水溶液。

5. 重复以上步骤1，让烧杯中的反应物在室温下自然冷却，随后在装有所述的反应物并已冷却的烧杯中加入浓度为1.8 mg/ml的NaOH溶液100 ml，随后重复步骤3、4的过程，即可获得在波长为480 nm的可见光激发下 点的生长产生直接影响。因此，可通过控制以发射波长为541 nm绿色荧光的碳量子点水溶液。

本发明的有益效果：采用本发明的合成方法制备的水溶性荧光碳量子点产率高、荧光强、分散性和稳定性好、荧光波长可调，而且碳量子点毒性低，生物相容性好，有利于细胞标记和生物成像、荧光探针、药物载体、照明及显示器件等方面的应用。另外，本发明所采用的碳源为豆腐黄浆水，原料易得、资源丰富、绿色环保、无毒无污染，且变废为宝，在其生产过程中无需特殊防护，合成工艺简单，过程易控制，成本低廉，反应时间短、节能省时、适于规模化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1合成的碳量子点表面形貌(a)和晶格条纹(b)的TEM像及其相应的傅里叶变换(FFT)图(c)；

图2为本发明实施例2合成的碳量子点表面形貌(a)和晶格条纹(b)的TEM像及其相应的傅里叶变换(FFT)图(c)；

图3为本发明实施例1(a)和实施例2(b)合成的碳量子点粒径分布统计图；

图4为本发明实施例1(a)和实施例2(b)合成的碳量子点X射线光电子能谱(XPS)；

图5为本发明实施例1(a)和实施例2(b)合成的碳量子点吸收谱(Abs)和荧光谱(PL)；

图6为本发明实施例3合成的碳量子点荧光谱(PL)和吸收谱(UV-vis)对比分析。

图7是本发明实施例1(a)和实施例2(b)合成的碳量子点在可见光照射(A)和紫外光(365 nm)照射(B)下发射蓝色和绿色荧光的照片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

实施例1

将豆腐黄浆水依次装入12支10 ml的试管中并放入转速为12000 r/min的离心机中离心20 min，随后取500 ml离心过后的豆腐黄浆水，将此黄浆水溶液转移到容积为500 ml的烧杯中，并将其置于恒温加热平台之上，待加热平台表面温度升高至280℃时，恒温加热反应2~5小时，自然冷却至室温方可取出反应物，随后在装有所述的反应物并已冷却的烧杯中加入去离子水50 ml，形成混合液；再将此混合液磁力搅拌5 min，待搅拌结束后再超声4 min，等混合液静置均匀后取上层清液，重复此步骤2~3次；再将该清液以12000 r/min的转速离心20 min，又取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。

图1给出本发明实施例1合成的碳量子点表面形貌(a)、晶格条纹(b)的TEM图及其相应的FFT图(c)。图1(a)展现出采用本发明的制备方法合成的水溶性荧光碳量子点为尺寸分布在2~10 nm范围的准球形纳米晶粒，分散性好；图1(b)显示本发明制备的碳量子结晶度高，晶格条纹清晰，晶面间距为0.22 nm，这与图1(c)中显示的碳量子点晶格的付里叶变换FFT图相吻合。

实施例2

将豆腐黄浆水依次装入12支10 ml的试管中并放入转速为12000 r/min的离心机中离心20 min，随后取300 ml离心过后的豆腐黄浆水，将此黄浆水溶液转移到容积为500 ml的烧杯中，并将其置于恒温加热平台上，待加热平台表面温度升高至230 ℃时，恒温加热反应2~5小时，自然冷却至室温方可取出反应物，随后在装有所述的反应物并已冷却好的烧杯中加入现配置的PH=12.35的氢氧化钠溶液150 ml形成混合液；再将此混合液磁力搅拌5 min，待搅拌结束后再超声4 min，等混合液静置均匀之后取上层清液，重复此步骤2~3次；然后将所得的清液以12000 r/min的转速离心20 min，取上层清液即可获得荧光碳量子点的水溶液。

图2给出本发明实施例2合成的碳量子点表面形貌(a)、晶格条纹(b)的TEM像及其相应的FFT图(c)。图2(a)展现出用本发明的制备方法合成的荧光碳量子点为尺寸分布在2~10 nm范围的准球形纳米晶粒，且分散性好；图2(b)显示本发明制备的碳量子结晶度高，晶格条纹清晰，晶面间距为0.21 nm，这与图2(c)中显示的碳量子点晶格付里叶变换FFT图一致。

图3给出本发明实施例1（a）和实施例2（b）合成的众多碳量子点的TEM像，图3显示本发明制备的碳量子点不论在水中还是在NaOH溶液中分散性都很好。根据本发明提出的碳量子点制作方法，把黄浆水放入容器中，在200-300 ℃恒温加热反应2~5小时，之后在反应物中加入去离子水的量为豆腐黄浆水加热前的六分之一至三分之二时，可获得分散性好、荧光较强的碳量子点。

本发明实施例1和实施例2合成的碳量子点的组成成分和元素化合价态可由图4所示的碳量子点XPS谱图来表征。图4中的XPS谱图表明，本发明实施例1和实施例2制备的碳量子点含有大量的C、O元素，C1s分峰拟合谱图主要有四个峰，它们分别位于284.8 eV，286.3 eV，287.05-288 eV以及288.75-289.2 eV附近，相应于C-C/C=C峰、C-O峰、C=O峰和COOH峰，这与碳量子点相关文献报道吻合。

本发明实施例1和实施例2合成的碳量子点荧光特性可由图5所示的荧光谱（PL）来表征。图5中的PL曲线表明，本发明实施例1合成的碳量子点在波长为410 nm的可见光激发下的两个荧光峰峰位分别位于457 nm和498 nm处，为蓝绿色荧光；实施例2合成的碳量子点在波长为410 nm的可见光激发下荧光峰位于541 nm处，是绿色荧光。

实施例3

为了探索碳量子点荧光波长的调控机制和方法，本发明将豆腐黄浆水依次装入12支10 ml的试管中并放入转速为12000 r/min的离心机中离心20 min，随后取300 ml离心过后的豆腐黄浆水，将此黄浆水溶液转移到容积为500 ml的烧杯中，并将其置于恒温加热平台上，待加热平台表面温度升高至230 ℃时，恒温加热反应2~5小时，自然冷却至室温后取出反应物，随后在装有所述的反应物并已冷却好的烧杯中加入现配置的PH=12.35的氢氧化钠溶液50 ml形成混合液；再将此混合液磁力搅拌5 min，待搅拌结束后再超声4 min，等混合液静置均匀后取上层清液，重复此步骤2~3次；然后将所得的清液以12000 r/min的转速离心20 min，取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。

实施例4

将豆腐黄浆水依次装入12支10 ml的试管中并放入转速为12000 r/min的离心机中离心20 min，随后取300 ml离心过后的豆腐黄浆水，将此黄浆水溶液转移到容积为500 ml的烧杯中，并将其置于恒温加热平台上，待加热平台表面温度升高至230 ℃时，恒温加热反应2~5小时，自然冷却至室温方可取出反应物，随后在装有所述的反应物并已冷却好的烧杯中加入现配置的PH=12.35的氢氧化钠溶液100 ml形成混合液；再将此混合液磁力搅拌5 min，待搅拌结束后再超声4 min，等混合液静置均匀之后取上层清液，重复此步骤2~3次；然后将所得的清液以12000 r/min的转速离心20 min，取上层清液即可获得荧光碳量子点的水溶液。

实施例5

将豆腐黄浆水依次装入12支10 ml的试管中，并放入离心机，以12000 r/min的转速离心20 min，随后取300 ml离心过后的豆腐黄浆水，将此黄浆水溶液转移到容积为500 ml的烧杯中，并将其置于恒温加热平台上，待加热平台表面温度升高至230 ℃时，恒温加热反应2~5小时，自然冷却至室温后取出反应物，随后在装有所述的反应物并已冷却好的烧杯中加入现配置的PH=12.35的氢氧化钠溶液200 ml形成混合液；再将此混合液磁力搅拌5 min，待搅拌结束后再超声4 min，等混合液静置均匀之后取上层清液，重复此步骤2~3次；然后将所得的清液以12000 r/min的转速离心20 min，取上层清液，即可获得荧光碳量子点的水溶液。

本发明实施例2、3、4、5合成的碳量子点的吸收谱如图6（a）所示。图6（a）中的UV-vis曲线表明，本发明实施例2、3、4、5合成的碳量子点强吸收峰均处于260 nm附近，并在334 nm处有一个肩峰，这两个峰的吸收强度均随氢氧化钠溶液的添加量增大即碳量子点的浓度降低而减弱。

图6（b）给出本发明实施例2、3、4、5合成的碳量子点的荧光强度和波长的变化与氢氧化钠溶液添加剂量的关系。由图6（b）中的荧光特性曲线可知，调节氢氧化钠溶液中碳量子点的浓度可改变碳量子点的荧光强度和波长。当添加所述的NaOH溶液的体积与绿与黄浆水反应前的体积比为1:3时，所制作的碳量子点荧光最强。

图7是本发明实施例1（a）和实施例2（b）合成的碳量子点在可见光照射（A）和紫外光（365 nm）照射（B）下发射蓝色和绿色荧光的照片。根据测试，本发明实施例1和实施例2的质量产率分别为17%和20%，荧光量子产率分别为40%和16%。