本发明涉及一种水溶性荧光碳量子点制备方法，属于纳米材料技术领域。
背景技术：
碳量子点是以碳为骨架结构的纳米材料，是一种分散的、尺寸小于10nm的类球形纳米颗粒，一般包括纳米金刚石、碳颗粒和石墨烯量子点，也称碳点、碳纳米点、碳纳米晶。与各种金属量子点类似，碳量子点在光照情况下可以发出明亮的荧光。碳量子点是荧光碳纳米材料中最重要的一种，它具有独特的小尺寸特性和优越的荧光性质：碳量子点荧光明亮、稳定，激发光谱宽，发射光谱窄，且发射波长可通过改变材料的粒径大小和组成来调控，无光漂白现象，某些碳量子点还有上转换荧光特性。因而在生物样本尤其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。此外，碳量子点良好的生物相容性和精确的生物靶向性，以及低毒性，使得它成为传统半导体量子点在生物成像、生物标记等应用中很好的替代物，可直接用于肿瘤细胞标记和活细胞标记。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，碳量子点在发光晶体、薄膜光激发器件、荧光传感、环境检测、光催化和光电器件等众多领域中展现出巨大的应用潜力，给生物医学、发光材料、光电器件、绿色环保等学科领域带来新的发展空间。目前合成碳量子点的方法主要有两种：一是自下而上（Bottom-up）的合成方法，是指通过热解或碳化合适前驱物直接合成荧光碳量子点，包括燃烧法、热解法、支持合成法、微波法等；二是自上而下（Top-down）的合成方法，即通过打碎碳的前驱物，然后通过聚合物表面钝化的方式使其有效发光，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可以归结为两类：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，以促进碳量子点在生物医学领域得以发展和应用，选择有机自然生物作碳源合成碳量子点更可取。近年来，许多学者采用橙汁、柚子皮、树叶、鸡蛋、豆奶、葡萄糖、维生素等自然生物为碳源合成碳量子点，但多数碳量子点合成方法存在反应时间长、产率低、耗能高、重复性差、分散性不够好等问题，因而影响碳量子点的应用。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种水溶性荧光碳量子点的制备方法，特别是一种以新鲜柠檬汁为碳源，一步合成水溶性荧光碳量子点的方法，该方法能解决现有技术合成荧光碳量子点存在的反应时间长、高耗能、产量低、重复性差的问题。
本发明的技术方案是以新鲜柠檬汁为碳源，通过水热反应合成水溶性荧光碳量子点。其合成原理是新鲜柠檬汁中的维生素和柠檬酸分子加热脱水首先形成由C=C组成的碳量子点基本骨架单元，然后其余的纤维素C和柠檬酸分子到达此核的表面再脱水产生新的C=C，并以这种形式不断生长。随着加热时间的延长，逐渐形成尺寸为几纳米的碳量子点。与此同时，柠檬汁中的纤维素C和柠檬酸水热碳化产物碳量子点表面存在有许多羟基(-OH)、羧基(-COOH)和羰基(-C=O)等含氧官能团，这些官能团中的H和O会在水热环境中脱水除去，残余的官能团连接在碳量子点的C=C骨架表面及边缘起钝化作用，使碳量子点具有良好的水溶性和荧光性质。这种合成方法中加热温度、加热时间、柠檬汁水溶的液体积及其浓度均会对碳量子点的生长产生直接影响。因此，可通过控制这些因素来制备不同颜色的荧光碳量子点。
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.将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取鲜柠檬汁与酒精按4:3的比例混合，制成柠檬汁水溶液作为水热反应的前驱体；
2.将所述的柠檬汁水溶液放入用油浴锅加热的反应釜聚四氟乙烯内衬中，在约120℃恒温水热反应2.5~5小时；
3.待柠檬汁水溶液反应结束后，让水热反应物自然冷却至室温再取出，然后在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可重复2~3次；
4.在上层清液中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，静置均匀后又取上层清液；再在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，然后将此清液以10000r/min的转速离心15min，再取上层清液，透析后即可获得含荧光碳量子点的水溶液。
本发明的有益效果：采用本发明的制备方法合成的水溶性荧光碳量子点为3~6nm大小的纳米晶粒，尺寸分布均匀，产率高，重复性和分散性好，荧光强、稳定性好，波长可调，而且所制备的碳量子点毒性低，生物相容性好，含有丰富的羟基、羧基等基团，有利于细胞标记和生物成像、荧光探针、药物载体等方面的应用及改性。本发明所采用的碳源为新鲜柠檬汁，原材料易得、无毒，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、适宜于规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所制备的碳量子点水溶液样品（1、2、3、4）在日光照射下的照片(a)以及碳量子点样品（1）用405nm波长的单色光激发前（A）后（B）的照片；
图2为本发明实施例1合成的碳量子点表面形貌(a)、晶格条纹(b)的透射电子显微镜(TEM)图及其相应的付里叶变换(FFT)图(c)；
图3为本发明实施例1合成的碳量子点粒径分布统计图；
图4为本发明实施例1合成的碳量子点的激发谱和荧光谱(PL)；
图5为本发明实施例4合成的碳量子点的激发谱(PLE)和荧光谱(PL)；
图6为本发明实施例1合成的荧光碳量子点标记肺癌细胞的荧光显微图像(a)与相应的光学显微图像(b)的对比。
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
将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取80ml鲜柠檬汁与60ml酒精按4:3的比例混合搅拌均匀，得到140ml柠檬汁水溶液；将此水溶液转移到容积为200ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜油浴锅中，在120℃恒温水热反应2.5小时后，自然冷却至室温取出反应产物；在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可重复2~3次；然后在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，将该清液以10000r/min的转速离心15min，又取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。
图2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2(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3~6nm大小的准球形纳米晶粒，尺寸分布均匀，产率高，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0.215nm，相应于（0-110）晶面，这与图2(c)中显示的碳量子晶格付里叶变换FFT图吻合。
依据图2(a)可得到的碳量子点粒径分布统计图，如图3所示。由图3可以看出，本发明合成的碳量子点粒径均匀，尺寸分布在3-6nm范围内，平均粒径为4.266nm。
本发明实施例1合成的碳量子点荧光特性可由图4所示的碳量子点激发谱和荧光谱来表征。图4中的PLE和PL曲线表明，本发明实施例1制备的碳量子点激发光峰位处于396nm附近，为紫色光；荧光峰位于477nm处，为浅绿色荧光。
本发明实施例1合成的碳量子点可直接用于肿瘤细胞标记和生物成像等领域，如图6(a)所示。与肺癌细胞的光学显微像图6(b)的相比，荧光碳量子点标记肺癌细胞的荧光显微像图6(a)有立体感，细胞组织的层次更清楚。
实施例2
将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取80ml鲜柠檬汁与60ml酒精按4:3的比例混合，搅拌均匀，得到140ml柠檬汁水溶液；将此水溶液转移到容积为200ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜油浴锅中，在120℃恒温水热反应5小时后，自然冷却至室温取出反应产物；在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可以重复2~3次；然后在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，将该清液以10000r/min的转速离心15min，又取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。
本发明实施例2合成的碳量子点的荧光特性可由图5所示的激发谱和荧光谱来表征。图5中的PLE和PL曲线表明，本发明实施例2制备的碳量子点激发光峰位处于407nm附近，为紫色光；荧光峰位于487nm处，是绿色荧光。
实施例3
将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取24ml鲜柠檬汁与12ml酒精按2:1的比例混合，搅拌均匀，制成36ml柠檬汁水溶液作为水热反应的前驱体；将此水溶液转移到容积为200ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜油浴锅中，在120℃恒温水热反应2.5小时后，自然冷却至室温取出反应产物；在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可以重复2~3次；然后在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，将该清液以10000r/min的转速离心15min，取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。
实施例4
将鲜柠檬洗净去皮去籽放入榨汁机榨成汁，取20ml鲜柠檬汁与20ml酒精按1:1的比例混合，搅拌均匀，制成40ml柠檬汁水溶液作为水热反应的前驱体；将此水溶液转移到容积为50ml的聚四氟乙烯内衬的反应釜油浴锅中，在120℃恒温水热反应2.5小时后，自然冷却至室温取出反应产物；在其中加入二氯甲烷试剂至该清液体积增加1/3并搅拌0.5min，让其静置均匀后取上层清液，此步骤可以重复2~3次；然后在其中加入丙酮至该清液体积增加1/3，将该清液以10000r/min的转速离心15min，又取上层清液，即可获得含荧光碳量子点的水溶液。