本发明属化工、材料及光子学交叉研究领域，涉及一种生物质氮掺杂荧光碳点的制备方法。
背景技术：
碳元素因其独特的结构和优异的物理性质，一直都是物理学、材料科学以及电子技术领域研究人员关注的焦点。富勒烯(fullerene)、碳纳米管(carbon nanotube)、石墨烯的发现，都曾引起科学家的极大兴趣。荧光碳点，又称碳量子点或者碳纳米点，是近年来出现的一类新型荧光纳米材料。在光学性能方面，荧光碳点具有同传统半导体量子点相比拟的优点，如激发光谱宽且连续、荧光稳定性高、荧光波长可调等，在生物检测与光电器件等领域具有广阔的应用前景。此外，由于荧光碳点的主要元素组成为碳、氢、氧、氮等，具有良好的生物相容性，是最有望在疾病检测上实现应用的荧光纳米材料，因此引起了越来越多研究者的关注。目前国内外荧光碳点的研究重点主要集中在寻找更快捷、简便的制备方法及如何有效利用碳量子点的荧光特性两方面。
生物质材料是指由动物、植物及微生物等生命体衍生得到的材料、主要由有机高分子物质组成，在化学成分上生物质材料主要由碳、氢、氧三种元素组成、由于是动物、植物及微生物等生命体衍生得到，未经化学修饰的生物质材料容易被自然界微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，其产物能再次进入自然界循环，因此生物质材料具备可再生和可生物降解的重要特性。随着绿色化学和可持续化学技术发展的推动，以生物质材料作为前驱体制备荧光碳点，近年来逐渐成为人们关注和研究的焦点。已有的文献报道中，许多生活中常见的生物质材料，如蔗糖、淀粉、鸡蛋膜、橘子皮、咖啡、橙汁、牛奶等，均能够经过特定的化学处理(水热、微波等)后从产物中分离得到具有荧光特性的荧光碳点。
牛奶是一种常见的生物质材料，含有丰富的蛋白质和碳水化合物。Wang和Zhou等人在发表的文章中报道，将牛奶经180℃水热处理两小时，能够得到了平均粒径尺寸3nm的氮掺杂碳基量子点(参见Analytical chemistry,2014,86,8902-8905)；本申请的发明人参与发表的文章中，提出以牛奶为前驱体经微波加热处理能够得到氮掺杂荧光碳点(参见RSC Advances,2016,6,41516-41521)。然而现有研究中牛奶作为前驱体制备荧光碳点的方法存在以下问题：①水热法制备荧光碳点需在大于180℃条件维持两小时以上的反应，使得材料制备能耗较大且对反应器要求高；②微波加热处理牛奶获得荧光碳点的产率低，材料制备反应过程放大困难；③不具有低成本规模化生产荧光碳点的条件。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种生物质氮掺杂荧光碳点的制备方法，在本发明中，将牛奶置于釜式反应器中，通过加入碱性溶液之后使牛奶中大分子的蛋白质水解为小分子的多肽和氨基酸，利用加热条件下碱性溶液中多肽和牛奶中还原性堂的快速美拉德反应，经透析袋和冷冻干燥联合处理获得氮掺杂碳点的荧光碳点的固体粉末材料。本发明的方法以生物质材料牛奶为前驱体，降低了氮掺杂荧光碳点制备过程中的反应温度、缩短了反应时间，有望实现氮掺杂荧光碳点的低成本、规模化生产。
本发明采用的技术方案为一种生物质氮掺杂荧光碳点的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤1将牛奶置于釜式反应器中，之后加入碱性溶液使牛奶中蛋白质水解；
步骤2将牛奶与碱性溶液的混合溶液搅拌加热至100℃～120℃反应20～40分钟，得到含有氮掺杂荧光碳点分散液；
步骤3利用透析袋和冷冻干燥联合处理获得氮掺杂碳点的荧光碳点的固体粉末材料。
步骤1中的牛奶为普通牛奶或低脂牛奶或脱脂牛奶。
步骤1中中碱性溶液为碱性化合物水溶液，优选地，碱性溶液为氨水或氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液。
步骤1中牛奶加入碱性溶液后混合溶液的pH值为13-14，使牛奶中蛋白质水解所需时间为10-60分钟。
步骤2中混合溶液的搅拌速度为100rpm～1000rpm，加热时间为20～60分钟，离心分离除去溶液中难分散的团聚物的离心速度为3000rpm-10000rpm。
利用透析袋除去混合溶液中的小分子，步骤3)中透析袋截留分子量为3500～10000道尔顿。
步骤3)中透析时间为24～72小时。
利用冷冻干燥除去混合溶液中的水，获得氮掺杂荧光碳点粉末，优选地，步骤3)中冷冻干燥的预冻温度为-40℃～-50℃左右。
步骤3)中预冻时间为1～3小时。
步骤3)中干燥时间为15-30小时。
一种由上述方法制备的生物质氮掺杂荧光碳点，粒径为2nm-10nm，荧光激发波长为200nm-400nm，荧光发射波长为400nm-500nm。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
本发明利用牛奶作为前驱体制备，利用碱性条件下蛋白质水解，通过碱性加热条件下多肽/氨基酸分子与还原性糖的快速反应，制备氮掺杂荧光碳点。和现有生物质荧光碳点的制备方法相比，降低了氮掺杂荧光碳点制备过程中的反应温度、缩短了反应时间，有望实现氮掺杂荧光碳点的低成本、规模化生产。本发明制备的氮掺杂荧光碳点粒径为1-10nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长为400-500nm。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将市售的普通牛奶置于釜式反应器中，加入氨水溶液调节溶液pH至14并保持30分钟，随后将混合溶液在500rpm速度下搅拌加热至120℃反应30分钟，再离心速率6000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为6000道尔顿的透析袋透析48小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-50℃条件下预冻1小时，随后干燥24小时，获得平均粒径为4nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例2
将市售的普通牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH至13并保持10分钟，随后将混合溶液在100rpm速度下搅拌加热至100℃反应20分钟，再离心速率3000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为3500道尔顿的透析袋透析48小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-40℃条件下预冻1小时，随后干燥15小时，获得平均粒径为2nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例3
将市售的普通牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钾溶液调节溶液pH至14并保持60分钟，随后将混合溶液在1000rpm速度下搅拌加热至120℃反应60分钟，再离心速率10000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为10000道尔顿的透析袋透析72小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-40℃条件下预冻3小时，随后干燥30小时，获得平均粒径为8nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例4
将市售的普通牛奶置于釜式反应器中，加入氨水溶液调节溶液pH至13并保持50分钟，随后将混合溶液在800rpm速度下搅拌加热至110℃反应40分钟，再离心速率8000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为8000道尔顿的透析袋透析48小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-45℃条件下预冻2小时，随后干燥25小时，获得平均粒径为6nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例5
将市售的低脂牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH至13并保持30分钟，随后将混合溶液在100rpm速度下搅拌加热至120℃反应30分钟，再离心速率3000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为3500道尔顿的透析袋透析72小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-50℃条件下预冻2小时，随后干燥30小时，获得平均粒径为5nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例6
将市售的低脂牛奶置于釜式反应器中，加入氨水溶液调节溶液pH至14并保持10分钟，随后将混合溶液在1000rpm速度下搅拌加热至100℃反应20分钟，再离心速率10000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为10000道尔顿的透析袋透析24小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-40℃条件下预冻1小时，随后干燥15小时，获得平均粒径为10nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例7
将市售的低脂牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钾溶液调节溶液pH至13并保持60分钟，随后将混合溶液在500rpm速度下搅拌加热至110℃反应60分钟，再离心速率7000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为7000道尔顿的透析袋透析48小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-45℃条件下预冻3小时，随后干燥25小时，获得平均粒径为3nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例8
将市售的低脂牛奶置于釜式反应器中，加入氨水溶液调节溶液pH至14并保持60分钟，随后将混合溶液在1000rpm速度下搅拌加热至110℃反应60分钟，再离心速率10000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为3500道尔顿的透析袋透析36小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-50℃条件下预冻3小时，随后干燥30小时，获得平均粒径为2nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例9
将市售的脱脂牛奶置于釜式反应器中，加入氨水溶液调节溶液pH至14并保持60分钟，随后将混合溶液在100rpm速度下搅拌加热至100℃反应60分钟，再离心速率10000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为10000道尔顿的透析袋透析36小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-40℃条件下预冻1小时，随后干燥15小时，获得平均粒径为10nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例10
将市售的脱脂牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH至13并保持10分钟，随后将混合溶液在1000rpm速度下搅拌加热至120℃反应20分钟，再离心速率3000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为3500道尔顿的透析袋透析24小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-50℃条件下预冻3小时，随后干燥30小时，获得平均粒径为5nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例11
将市售的脱脂牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钾溶液调节溶液pH至13并保持30分钟，随后将混合溶液在500rpm速度下搅拌加热至110℃反应30分钟，再离心速率6000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为8000道尔顿的透析袋透析72小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-45℃条件下预冻2小时，随后干燥20小时，获得平均粒径为2nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。
实施例12
将市售的脱脂牛奶置于釜式反应器中，加入氢氧化钠溶液调节溶液pH至14并保持40分钟，随后将混合溶液在600rpm速度下搅拌加热至110℃反应40分钟，再离心速率5000rpm条件下除去难分散的团聚物杂质，获得含氮掺杂荧光碳点的分散液，使用截留分子量为5000道尔顿的透析袋透析36小时，除去分散液中小分子杂质，利用冷冻干燥方法在预冻温度-40℃条件下预冻2小时，随后干燥30小时，获得平均粒径为7nm，荧光激发波长为200-400nm，荧光发射波长400-500nm的氮掺杂荧光碳点。