本发明涉及纳米材料领域，具体涉及一种高量子产率的双发射荧光碳点的制备方法及其在检测pfos方面的应用。
背景技术：
碳点作为一种近年来被发现的荧光碳纳米材料，拥有显著的优势，如良好的生物兼容性、适宜的尺寸、激发和发射波长可调、光稳定性好等。荧光碳点的合成方法已有很大程度地进展，其成本低应用广的优点也引起越来越多研究者的广泛关注。
目前为止，荧光碳点大多分为单发射碳点和双发射碳点，即在单一波长激发下仅有一处或两处荧光发射。与单发射碳点相比，双发射荧光碳点具有许多优点。双发射碳点可以用作比率传感器，能够有效克服来自与待测物无关的因素的干扰，以提高测定方法的准确度和灵敏度。但无论单发射荧光碳点还是双发射荧光碳点的量子产率均较低，使得荧光碳量子点的应用难以推广。
pfos(全氟辛烷磺酸基化合物)作为持久性和高生物毒性的有机物在环境中无处不在，其难以被降解且能够在生物体内不断蓄积，随着食物链而进一步累积放大，并且对人体具有强烈的致癌作用，因此检测环境pfos的浓度十分重要。
技术实现要素：
为解决上述问题本发明提供一种高量子产率的双发射荧光碳点的制备方法，该方法制备的碳点在波长为280nm和340nm光激发下，均能发射出两种波长的荧光，在280nm光的激发下，在350nm和515nm处有荧光发射；在340nm光的激发下，在434nm和502nm处有荧光发射，且两处发射中心的荧光量子产率均较高。
为实现上述目的，本发明提供一种高量子产率的双发射荧光碳点的制备方法，其特征在于，由2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸通过水热法合成。
优选的，所述制备方法包括以下步骤：
(1)取2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸置于密闭反应器中，加入水做溶剂得反应体系，其中，2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸的物质的量比为0.5～3:1～5:1～10，所述水的加入量使得乙二胺的物质的量浓度不高于3.7425mol/l；
(2)将反应体系升温至180～210℃，反应7～11h；
(3)反应体系冷却至室温，离心去除大颗粒，透析冷却干燥的双发射荧光碳点。
优选的，步骤(1)中，2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸的物质的量比为0.5:4:8。
优选的，步骤(1)中，水的加入量为4ml。
优选的，步骤(1)中，密闭反应器为高压内衬聚四氟乙烯反应釡。
优选的，所述步骤(2)中反应温度为195℃。
优选的，所述步骤(2)中的反应时间为9.5h。
优选的，所述步骤(3)所述的透析选用分子截流量为300(mwco)的透析膜。具体地，所述的透析膜选用纤维素酯透析膜。
本发明还提供一种由上述方法制备的双发射荧光碳点，所述双发射荧光碳点在280nm或340nm光的激发下，均有双荧光发射。
优选的，上述双发射荧光碳点在280nm光的激发下，在350nm和515nm处均有荧光发射，其在340nm光的激发下，在434nm和502nm处均有荧光发射。
上述双发射荧光碳点检测pfos方面的应用也属于本发明的保护范围。
本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的制备方法简单易操作，原料廉价易得，两个发射中心的量子产率均高达44％；
2.本发明提供的碳点的双发射荧光峰波长位置距离较远，可更好的避免两峰间相互影响强度而引起的实验误差。
3.本发明提供的碳点具有两个发射中心，测定pfos时，在280nm光的激发下，发射的350nm和515nm荧光比率与pfos浓度成正比，线性范围为10μmol/l～300μmol/l，检测限为3.4170μmol/l，在340nm光的激发下，发射的434nm和502nm荧光比率也与pfos浓度呈正比，线性范围为4μmol/l～100μmol/l，检测限为2.9275μmol/l。不同激发波长的光条件下测定的结果，可以相互印证，增加了测定结果的准确性。
附图说明
图1a是实施例1制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图1b是实施例1制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图2a是实施例2制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图2b是实施例2制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图3a是实施例3制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图3b是实施例3制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图4a是实施例4制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图4b是实施例4制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图5a是实施例5制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图5b是实施例5制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图6a是实施例6制备的碳点在280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图6b是实施例6制备的碳点在340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图7是实施例7制备的碳点的透射电镜图，其中插图为高倍透射电镜图；
图8是实施例7制备的碳点的红外光谱图；
图9是实施例7制备的碳点的耐盐性光谱图，横坐标是溶液中氯化钠的浓度，纵坐标是荧光强度；
图10是实施例7制备的碳点的光漂白光谱图，横坐标为时间，纵坐标为荧光强度；
图11是实施例9制备的含不同浓度pfos的碳点溶液280nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图12是实施例9制备的含不同浓度pfos的碳点溶液280nm激发下线性关系图，横坐标为pfos的浓度，纵坐标为荧光强度差之比(其中fa0是350nm的初始荧光强度，fa是350nm平衡溶液的荧光强度，fb0是515nm的初始荧光强度，fb是515nm波长处平衡溶液的荧光强度)；
图13是实施例9制备的含不同浓度pfos的碳点溶液340nm激发下的荧光光谱图，横坐标为波长，纵坐标为荧光强度；
图14是实施例9制备的含不同浓度pfos的碳点溶液340nm激发下线性关系图，横坐标为pfos的浓度，纵坐标为荧光强度差之比(其中fc0是434nm的初始荧光强度，fc是434nm平衡溶液的荧光强度，fd0是502nm的初始荧光强度，fd是502nm波长处平衡溶液的荧光强度)。
具体实施方式
实例中所采用的2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸均为分析纯规格的市售品。
实施例1乙二胺和磷酸比例对碳点的影响
分别准确称量八份3mmol的2,4-二氨基甲苯和200μl乙二胺于八个25ml聚四氟乙烯反应釜中，然后按体积比乙二胺：磷酸＝1：(0、1、1.5、2、2.5、3、4、6)分别量取0、200μl、300μl、400μl、500μl、600μl、800μl、1200μl磷酸溶液于相应的反应釜中，接着向八个反应釜中分别加入4ml水。然后将密闭反应釜放置于鼓风干燥箱中200℃加热反应10h。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
所得碳点加水稀释配置成浓度为1mg/ml的碳点母液，取200μl，用水定容至1ml，用f-7000荧光分光光度计测其荧光光谱，当激发波长为280nm时得到其荧光光谱图(图1a)，当激发波长为340nm时得到其荧光光谱图(图1b)。如图1a所示，当2,4-二氨基甲苯、乙二胺与磷酸物质的量之比为1:1:1.5时，280nm激发下碳点的荧光开始出现明显的双波峰，当原料物质的量之比为1:1:2时，碳点的双发射荧光峰强度均较强且相当，波谷荧光强度相对最低。如图1b所示，当2,4-二氨基甲苯、乙二胺与磷酸比为1:1:2时，340nm激发下碳点的荧光发射开始出现双峰且此时双峰最为明显，比例为1:1:2.5和1:1:3时仍有微弱的双峰。
实施例2乙二胺和磷酸体积对碳点的影响
分别准确称量五份3mmol的2,4-二氨基甲苯于五个25ml聚四氟乙烯反应釜中，然后按体积比乙二胺：磷酸＝1:2的比例同步扩大两者的体积加入反应釜中，即分别量取乙二胺200μl、400μl、600μl、800μl、1000μl，相应的磷酸体积分别为400μl、800μl、1200μl、1600μl、2000μl。接着向反应釜中分别加入4ml水，然后将密闭反应釜放置于鼓风干燥箱中200℃加热反应10h。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
采用与实施例1的相同的方法得到其荧光光谱图(图2a,b)。如图2a图2b所示，随着乙二胺和磷酸体积的同步扩大，碳点的荧光强度依次增大，当2,4-二氨基甲苯、乙二胺和磷酸三者比例为1:4:8时，双发波谷的荧光强度相较于此比例下的波峰最低。
实施例32,4-二氨基甲苯对碳点的影响
首先分别称量0、1.5mmol、3mmol、4.5mmol、6mmol、7.5mmol、9mmol2,4-二氨基甲苯于反应釜中，(相应的物质的量之比为2,4-二氨基甲苯：乙二胺：磷酸＝0:4:8、0.5:4:8、1:4:8、1.5:4:8、2:4:8、2.5:4:8、3:4:8)然后分别准确量取乙二胺800μl磷酸1600μl七份于七个25ml聚四氟乙烯反应釜中。接着向反应釜中分别加入4ml水，然后将密闭反应釜放置于鼓风干燥箱中200℃加热反应10h。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
采用与实施例1的相同的方法得到其荧光光谱图(图3a,b)。如图3a、图3b所示，当原料比例为0.5:4:8时，280nm和340nm激发下碳点荧光开始出现双发射，随着2,4-二氨基甲苯质量的增加，双发仍存在，结合图3a和图3b当比例为0.5:4:8时，两激发下荧光强度相对较强。
实施例4反应温度对碳点的影响
分别称量1.5mmol2,4-二氨基甲苯，量取乙二胺800μl和磷酸1600μl四份于四个25ml聚四氟乙烯反应釜中。接着向反应釜中分别加入4ml水，然后将密闭反应釜放置于鼓风干燥箱中分别在180℃、190℃、200℃、210℃反应10h。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
采用与实施例1的相同的方法得到其荧光光谱图(图4a,b)。如图所示，四个温度下合成的碳点均有双发射荧光，且在190℃所合的碳点的荧光强度最强，波谷最明显。
实施例5反应时间对碳点的影响
分别称量1.5mmol2,4-二氨基甲苯，量取乙二胺800μl和磷酸1600μl五份于五个25ml聚四氟乙烯反应釜中。接着向反应釜中分别加入4ml水，然后将密闭反应釜放置于鼓风干燥箱中在190℃分别反应7h、8h、9h、10h、11h。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
采用与实施例1的相同的方法得到其荧光光谱图(图5a,b)。如图所示，当反应时间大于等于8h时，碳点的荧光峰在两波激发下(280nm，340nm)均为双发射，且当反应时间为10h时，两激发下的双发射峰最为明显，荧光强度最强。
实施例6正交优化合成碳点
按表1所示原料的量加样于反应釜中，并在相应的温度和时间下加热反应。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
采用与实施例1的相同的方法得到其荧光光谱图(图6a,b)。如图所示，所合成的九个样品碳点在280nm及340nm激发下均有较为明显的双发射特性，结合图6a,b波谷荧光强度最低的为序号6条件下所合的碳点。
实施例7碳点的制备
于聚四氟乙烯反应釜中加入0.1829g2,4-二氨基甲苯，800μl乙二胺，1600μl磷酸，4ml水。接着将密闭反应釜置于鼓风干燥箱中195℃加热反应570min。反应完成后待反应釜自然冷却到室温将产物离心透析冷冻干燥得碳点固体。
用透射电镜(tem)高分辨率透射电镜(hrtem)及红外光谱仪对最终合成的碳点进行表征，结果分别见图7和图8，碳点的粒径平均尺寸为5.36nm，晶格间距为0.24nm(对应石墨的(1120)面)。并对350nm及515nm荧光发射波长处进行荧光量子产率的测定，测得结果分别为φ350nm＝44.21％,φ515nm＝46.10％。
实施例8碳点的耐盐性考察
将实施例7方法制备的碳点加水稀释配置成1mg/ml的碳点溶液，于七支离心管中，分别取200μl1mg/ml的碳点溶液，分别加入适量ph＝5.2的伯瑞坦-罗宾森(britton-robinson，br)缓冲液，再分别向离心管中加入不同浓度的氯化钠溶液用水定容至1ml使得最终盐浓度为0、0.1、0.25、0.5、1、1.5、2mol/l，用f-7000荧光分光光度计进行荧光测定，最终实验发现，280nm和340nm激发下的四个波长处的荧光峰强度几乎无较大变化，结果见图9，表明该碳点有较好的耐盐性。
表1正交优化合成碳点的反应条件
实施例9碳点的光漂白性考察
将实施例7方法制备的碳点加水稀释配置成1mg/ml的碳点溶液，于离心管中，取200μl，加水定容至1ml，用f-7000荧光分光光度计在激发波长为280nm，发射350nm及515nm以及激发波长340nm,发射434nm及502nm处进行光漂白实验，最终实验发现，四个发射波长处的荧光强度无较大变化，结果见图10，表明该碳点有较为优异的耐光漂白性。
实施例10碳点测定pfos的方法
将实施例7方法制备的碳点加水稀释配置成1mg/ml的碳点溶液，取200μl于离心管中，加入100μlph＝5.2的伯瑞坦-罗宾森(britton-robinson，br)缓冲液，再加入不同浓度的pfos溶液，用水定容至1ml。接着转移至比色皿中在280nm和340nm激发下进行荧光测定，实验发现pfos对该碳点有显著的作用，其比率荧光信号与pfos浓度在一定范围内呈线性关系，据此建立了检测pfos的比率荧光光谱分析方法(图11,12,13,14)。该方法已成功用于三峡库区嘉陵江水和自来水中pfos的测定，rsd≤5％。