一种具有荧光性质纳米碳量子点的乙醇溶液的制备方法及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳米材料制造领域，特别是涉及一种以葡萄糖与果糖为原料在微波条 件下反应制备一种新型光转换纳米材料添加剂的制备方法及其用途。
【背景技术】
[0002] 量子点（QuantumDot)是一种半导体纳米晶粒，也是一种准零维的纳米材料。它由 半导体材料(通常由IIB~VIB或IIIB~VB元素组成）制成，直径稳定在2~100nm之间。IIB- VIA族半导体(如CdSe、CdS、ZnS等)和IIIA-VA族半导体(如InP、InAs等）的纳米晶都是常见 的量子点。由于半导体量子点的特殊尺寸结构，使得它具有其他纳米材料不具有的特殊性 质，例如尺寸效应、限域效应、量子隧道效应和表面效应。此外，量子点还具有特殊的发光效 应，可以作为新型的荧光材料。
[0003] 不过，由于传统的半导体量子点有着诸多缺陷，例如合成条件苛刻，成本高，具有 生物毒性。这些都限制了半导体量子点在生命科学这一领域的拓展。近些年一种新的碳纳 米材料一碳量子点应运而生。碳量子点是一类尺寸在1Onm以下的新型碳纳米材料，最初是 由Xu等（XuX,RayR,GuY,etal·Electrophoreticanalysisandpurificationof fluorescentsingle-walledcarbonnanotubefragments[J]·Journalofthe AmericanChemicalSociety, 2004,126(40): 12736-12737)在电泳法制备单壁碳纳米管的 纯化过程中发现的。由于碳量子点有良好的光学性质、合成方便、原料丰富和毒性小等优 点，使其可以在生物标记和生命科学领域代替传统的半导体量子点。
[0004] 纳米碳量子点具有以下几种性能。碳量子点的激发光谱从紫外光区一直延伸到可 见光区，有效简化了实际操作步骤降低了对激发光源的要求(邓小燕，李佳渝，谭克俊.基于 碳量子点荧光分光光度法检测叶酸[J].分析化学，2014，04:542-546)。并且具有很好的荧 光稳定性，其荧光强度基本保持不变。
[0005] 不同碳点的光学性质有所不同。其激发谱相似，但激发谱差别很大。碳点发射光波 长跨度很大，从可见光区一直延伸到近红外光区（HPLiu，TYe，CD，Mao.Fluoresent CarbonNanoParticlesDerivedfromCandleSoot[J].Angew.Chem.Int.Ed.,2007,46, 6473-6475)，从而弥补了普通荧光试剂于近红外光谱区品种少的不足。和传统有机荧光试 剂相比，碳量子点具有良好的生物兼容性，分子量和粒径都很小有利于荧光标记和生物成 像。
[0006] 经过对现有技术的检索发现，中国专利申请号201010604137.X与 CN201410285698.6都是以糖类为碳源制备荧光碳量子点，前者以葡萄糖为前驱体、以氧化 剂为添加剂，超声后调节PH然后重结晶、除杂后得到碳点，操作复杂、精细，不适合大规模制 备。后者以壳聚糖为碳源，加入冰醋酸和乙二胺，搅拌至糊状物质，微波成黑色固体，加水溶 解后，除杂、透析，再冷冻干燥得到荧光碳量子点，该方法制作周期长，操作复杂且步骤多， 难以工业应用。目前碳量子点制备方法后期都需要一定的、较为复杂的提取或提纯的步骤， 难以大规模工业应用。而同样利用微波法制备的中国专利申请号201210107483.6中的制备 方法所得碳量子点的粒径分布为2~7nm，粒径分布过于宽泛。在中国专利申请号 201310308250.7中同样有类似情况，由于该方法所制得碳量子点粒径分布范围较大导致其 制得的碳量子点荧光性质不一致、所激发的荧光颜色不一致。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于用一种操作简单、成本低廉、绿色环保的方法制备一种含纳米 碳量子点的乙醇溶液的添加剂。
[0008] 本发明所述的含纳米碳量子点的乙醇溶液的添加剂是以葡萄糖和果糖为原料在 微波条件下反应制备的一种新型多用途添加剂，制备工艺步骤如下：
[0009] 步骤一:将一定量的葡萄糖和果糖用一定量的去离子水稀释，葡萄糖和果糖的总 质量和去离子水的质量比为1:1.5~1:2.5，葡萄糖和果糖的质量比为1:1，在15~25°C温度 下磁力搅拌30min使葡萄糖和果糖充分溶解得到均匀的透明溶液。
[0010] 步骤二:在步骤一得到透明溶液中加入PEG，其质量与葡萄糖和果糖的总质量比为 4:1，然后在15~25°C温度下磁力搅拌30min，得到均匀的透明溶液。
[0011]步骤三：将步骤二得到的透明液体放入微波反应炉中，在750W的功率下微波5~ 15min，得到棕色粘稠液体。
[0012] 步骤四：将步骤三得到的棕色粘稠液体置于截留分子量为100的透析袋中，将透析 袋浸没于l〇〇〇ml的无水乙醇中进行透析，透析时间为48h。
[0013] 步骤五:将无水乙醇透析液取出，得到棕黄色乙醇溶液即为含有纳米碳量子点的 乙醇溶液。
[0014]上述的制备方法中，所述的磁力搅拌转速为100r/min。
[0015]本发明中制备的含纳米碳量子点的乙醇溶液中的碳量子点粒径为2.8~4.2nm，其 紫外-可见光吸收光谱的吸收峰在270~290nm，荧光发射光谱的发射峰大部分位于350~ 450nm。其量子产率为12%~30%。
[0016]相比于其他制备方法，本发明的制备具有操作简单、成本低廉、绿色环保的特点， 尤其是其后提纯方法简单，经过乙醇透析后即可作为添加剂使用，方便大规模工业生产。且 所制得碳量子点的粒径分布比较集中，荧光性质单一稳定。
[0017] 根据纳米碳量子点的光转换特性、分子量和粒径小等特点，含纳米碳量子点的乙 醇溶液可以作为光转换添加剂，可以应用在太阳能电池、LED灯等光电转化器件的表面。
【附图说明】
[0018] 图1:本发明中制备纳米碳量子点的反应原理图；
[0019 ]图2:本发明中制备的含纳米碳量子点的乙醇溶液中碳量子点的高分透射电镜图 像；
[0020]图3:本发明中制备的含纳米碳量子点的乙醇溶液中碳量子点的紫外-可见光吸收 光谱；
[0021 ]图4:本发明中制备的含纳米碳量子点的乙醇溶液中碳量子点的荧光发射光谱(激 发波长为紫外-可见光吸收峰EXWL= 297nm);
[0022 ]图5:实施例5中制备的碳量子点的荧光发射光谱；
[0023]图6:实施例6中制备的载玻片表面含碳量子点增透膜与空白载玻片的可见光透过 率图谱；
[0024]图7:实施例6中制备的载玻片表面含碳量子点增透膜的荧光发射光谱；
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026] 实施例1
[0027] 将质量比为1:1的葡萄糖和果糖用去离子水稀释，葡萄糖和果糖的总质量和去离 子水的质量比为1:1.5,在25°C温度下磁力搅拌30min使葡萄糖和果糖充分溶解得到均匀的 透明溶液。将该透明溶液中加入适量的PEG，然后在25°C温度下磁力搅拌30min，把搅拌后的 溶液放入微波反应炉中，在2000W的功率下微波4min，得到棕色粘稠液体。