一种铕离子掺杂碳量子点及其制备方法与流程

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种铕离子掺杂碳量子点及其制备方法。

背景技术：

碳量子点(CDs)作为这几年新发展起来的一种新型碳纳米材料，不仅具有碳骨架的独特性质，还具有比传统量子点更为优越的特性。具有与传统金属量子点相类似的荧光性能外，还具有分子量和粒径小、荧光稳定性高、无光闪烁、激发光谱宽而连续、发射波长可调谐、生物相容性好、低毒性等优点。除此以外，还因碳量子点的量子限制效应和边界效应而展现出许多特殊的性质，被认为是一种代替传统量子点进行屏幕显示、生物标记和荧光成像等研究最为理想的材料。

但是目前所制备的碳量子点的荧光量子产率、荧光强度不能达到传统金属量子点的水平，在LED显示技术以及生物医学等领域的应用还不成熟，因此，对高量子产率及发光强度的碳量子点的制备及方法的探索显得及其重要。研究发现氧化法制备的碳量子点含有大量的缺陷，除了表面含有的羧基、羟基等官能团，内部还存在一系列断键。若对碳量子点进行一定程度的修饰不仅可以改变碳量子点的结构还能增强其量子产率及荧光性质。为了不影响碳点本身的优势，掺杂法为修饰碳点首要考虑的方法。

2014年，Hailong Dong等在Polyol-mediated C-dot formation showing efficient Tb³⁺/Eu³⁺ emission一文中在碳量子点的基础上掺杂金属锌、金属镁，大大提高了碳量子点的荧光强度以及荧光量子产率。在碱金属的基础上，Hailong Dong等人又在碳量子点的基础上以聚乙二醇为碳源，掺杂了稀土铕、稀土铽制备了稀土掺杂的碳量子点，碳量子点内部表现出了向稀土离子的能量转移。但该方法中由于聚乙二醇与稀土离子的结合较弱，因此难以保证稀土离子在碳量子点上的均匀分散性。

2012年，Yongqiang Dong等人利用柠檬酸为碳源，采用热解法成功制备具有较强蓝光发射的碳量子点，柠檬酸作为一种有机酸，易于螯合金属离子，具有成本低，易溶于水等优势，除此之外，本报道采用的是高温热解法，碳量子点的形貌与性能控制较困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：传统碳量子点存在发光单一性的不足，本发明提供了解决上述问题的一种铕离子掺杂碳量子点及其制备方法，具有合成产物纯度高、产物发光性与稳定性良好、碳量子点颜色可调，制备工艺简单、合成条件温和、成本低等优势。铕离子掺杂的柠檬酸碳量子点的成功制备，克服了传统碳量子点发光单一性，使得发光向红光区域移动，在光学器件和生物医学等领域应用前景好。

本发明通过下述技术方案实现：

一种铕离子掺杂碳量子点，所述碳量子点以柠檬酸为前驱体碳源，铕离子掺杂离子浓度为0.5～5％，形貌为球形，直径为1～10nm。

优选地，所述碳量子点在393nm激发波长下，在400-750nm区间都存在发射，其中400-575nm的宽峰属于碳量子点的特征发射，其中597nm、623、702nm处的窄峰归属于铕离子的特征发射。

制备上述铕离子掺杂碳量子点的方法，包括以下步骤：

步骤1，柠檬酸溶液的配制：称取柠檬酸置于烧杯中，加入水搅拌使溶解得柠檬酸溶液；

步骤2，稀土硝酸铕溶液的制备：称取稀土氧化铕，滴入浓硝酸，待稀土氧化物反应完全得稀土硝酸盐铕溶液；

步骤3，铕离子掺杂碳量子点的制备：将步骤1制备的柠檬酸溶液和步骤2制备的稀土硝酸铕溶液混合、搅拌然后在100～240℃条件下进行2～15h的水热反应，得到的淡黄色透明液体即为铕离子掺杂碳量子点。

优选地，所述步骤1中，配制的柠檬酸溶液的浓度为0.1～2mol/L。

优选地，所述步骤2中，配制的稀土硝酸铕溶液的浓度为0.0044～0.176mol/ml。

优选地，所述步骤3中，柠檬酸溶液和稀土硝酸铕溶液按照柠檬酸溶质和硝酸铕溶质的摩尔比为20：1～200:1混合，混合后搅拌10～20min再进行反应。

优选地，所述水热反应的温度为150～220℃。

优选地，所述水热反应时间为3～8h。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明采用柠檬酸为前驱体碳源，用掺杂的方式引入稀土铕离子，采用水热法成功制备铕离子掺杂的碳量子点。柠檬酸能螯合铕离子，在碳化的过程中能使铕离子嵌入碳量子点骨架，通过碳量子点与铕离子的能量传递，在纯碳量子点蓝光发射基础上得到了具有强铕离子的特征发射。通过柠檬酸鳌和稀土离子的引入，碳化后改变了碳量子点内部结构，又成功地利用碳量子点优异的生物相容性及特殊的光学性质与稀土离子结合，实现了多功能复合碳量子点的组装，可在多色成像以及传感、识别等领域实现了应用；

2、本发明具有合成产物纯度高、产物发光性与稳定性良好、碳量子点颜色可调，制备工艺简单、合成条件温和、成本低等优势。铕离子掺杂的柠檬酸碳量子点的成功制备，克服了传统碳量子点发光单一性，使得发光向红光区域移动，在光学器件和生物医学等领域应用前景好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1制备的铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的TEM图谱；

图2为本发明实施例1制备的铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的荧光激发谱图；

图3为本发明实施例1制备的铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的荧光发射谱图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

步骤1，柠檬酸溶液的配制：称取2.1g柠檬酸固体颗粒置于烧杯中，加入40ml去离子水，在常温条件下搅拌使其溶解，即得所需的柠檬酸溶液；

步骤2，硝酸铕溶液的制备：称取0.0352g(2％)稀土氧化铕，滴入浓硝酸，待稀土氧化物反应完全，得到所需的硝酸铕溶液；

步骤3，铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的制备：将柠檬酸溶液与硝酸铕溶液混合，在常温件下反应10min，然后转入反应釜中在200℃条件下进行3h的水热反应，得到的淡黄色透明液体即为铕离子掺杂柠檬酸碳量子点。其透射电子显微镜图(TEM)如图1所示，荧光激发光谱图如图2所示，荧光发射光谱如图3所示。

实施例2

步骤1，柠檬酸溶液的配制：称取2.1g柠檬酸固体颗粒置于烧杯中，加入40ml去离子水，在常温条件下搅拌使其溶解，即得所需的柠檬酸溶液；

步骤2，硝酸铕溶液的制备：称取0.0088g(0.5％)稀土氧化铕，滴入浓硝酸，待氧化铕反应完全，得到所需的硝酸铕溶液；

步骤3，铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的制备：将柠檬酸溶液与硝酸铕溶液混合，在常温件下反应10min，然后转入反应釜中在150℃条件下进行6h的水热反应，得到的淡黄色透明液体即为铕离子掺杂柠檬酸碳量子点。

实施例3

步骤1，柠檬酸溶液的配制：称取2.1g柠檬酸固体颗粒置于烧杯中，加入40ml去离子水，在常温条件下搅拌使其溶解，即得所需的柠檬酸溶液；

步骤2，硝酸铕溶液的制备：称取0.086g(5％)稀土氧化铕，滴入浓硝酸，待氧化铕反应完全，得到所需的硝酸铕溶液；

步骤3，铕离子掺杂柠檬酸碳量子点的制备：将柠檬酸溶液与硝酸铕溶液混合，在常温件下反应10min，然后转入反应釜中在240℃条件下进行2h的水热反应，得到的淡黄色透明液体即为铕离子掺杂柠檬酸碳量子点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。