一种具有高产率和量子产率的红光碳点及其制备方法与流程

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种具有高产率和量子产率的红光碳点及其制备方法。

背景技术：

21世纪是一个充满了机遇和挑战的时代，对信息、能源、环境、和国防等领域的发展提出了更高的要求，从而对材料发展也提出了与日俱进的要求。其中，器件的微型化、智能化都要求材料的尺寸越来越小，因此纳米材料迅速成为新型材料研究领域中对未来经济和社会发展有着重要影响的研究对象，也是当代基础研究中最为活跃、最接近实际应用的领域。不同于块状材料，纳米材料具有许多独特的性质，作为其中之一的荧光性质更是受到了强烈的研究兴趣。近年来，CdSe、ZnS及CdSe相关的核壳结构纳米粒子等半导体量子点因其独特的光学性质和广泛的生物医学应用前景吸引了大家广泛的关注。半导体量子点在生物上的荧光成像已经在实验室里被多次证实，而且在临床上进行肿瘤标记和切割的应用都有了成功的先例。然而，这类的量子点都以重金属为必需元素，特别是Cd，即使在极低的浓度下使用，也会给自然环境和人类健康带来了巨大的危害，从而限制了这类半导体量子点的应用潜力，特别是临床上的开发应用。所以，寻找一种全新的、具有较好光学性质的、低毒性的纳米材料来代替重金属半导体量子点发挥作用就变得很有必要了。自2004年碳量子点首次被偶然发现以来，它就迅速地吸引了广大科学家们的强烈关注。这是一类全新的，尺寸在10纳米以下的碳纳米材料，并具备了半导体量子点所不拥有的优良性质，主要有：极高的蓝绿色荧光量子产率、强烈的发光稳定性、生物惰性、和良好的生物兼容性等。同时，碳量子点表面含有大量的官能团，为嫁接其他功能性分子提供了可能，进一步扩展了其应用领域，从而被视为是其他半导体量子点的最佳替代者。需要特别指出的是，碳量子点的主要成分为碳，因而具有非常低的毒性，即使在毫克/毫升级别的浓度下毒性依然很小。此外，这类碳纳米材料还具有出色的光电转换性能。这些突出的性质使得碳量子点在生物标记、生物识别、生物成像等方面具有更加广泛的应用前景。通过近几年科学家们的巨大努力，关于碳量子点的碳源和合成方法已经取得了前所未有的发展，前者主要包括有葡萄糖、乙醇、牛奶、煤等有机物质；后者涉及到的方法主要有水热法、微波消解法、激光消融法、煅烧法以及酸解法等。虽然成千上百的碳源和制备方法被报道，但是，绝大多数所制备的碳纳米粒子的最佳激发和发射波长都是位于蓝-绿光区域，而在长波长区域，特别是红光区域里的吸收和发射却较弱，这一制备瓶颈不仅给生物医学应用中的细胞和生物组织带来了严重的光损伤，而且具有组织穿透能力和信号分辨率低下等致命缺陷，严重地阻碍了碳量子点在生物医学和光电器件等领域的应用发展。目前，虽然有少数几个报道的碳量子点虽然具有红色荧光，但是其量子产率往往低于10％，并且发射波长通常不超过620nm，更为严重的是，纯化手段会涉及到分离效率很低的的柱色谱和透析等技术。因此，寻找一种简便的、可放大的、高效的、可以制备强烈红色荧光碳量子点的方法就很关键了。本发明提出的合成方法能够有效解决上述难题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种具有高产率和量子产率的红光碳点及其制备方法，这种纳米粒子由核内的石墨化区域和表面的无定形区域俩部分组成，它们的核心直径长度为2-8纳米之间，外壳厚度为1-3纳米之间，整体上表现为多层石墨烯组成的准球形结构。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高产率和量子产率的红光碳点，由内部核心及其外部的外壳组成的球状体，所述核心为石墨化的碳，所述外壳为无定形官能团，所述内核与外壳通过共价键连接；其中，所述核心的直径为2～8nm，所述外壳的厚度为1～3nm。

进一步的，所述的碳核心是多层石墨结构，平均的芳香区域面积为4nm。

进一步的，所述外壳中的无定形官能团为亲水性官能团，包括羟基、氨基、羧基及羰基。

进一步的，该碳点在可见光区域有吸收和发射，在460-600nm的光源激发下的红色荧光碳点，荧光峰位于610-661nm之间。

上述的具有高产率和量子产率的红光碳点的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)溶剂热法制备红色荧光碳量子点混合物

甲酰胺5-15ml放入离心管，加入柠檬酸0.2-0.6g和乙二胺100-1300μL，震荡溶解，将混合液转移到含有80mL二甲亚砜的高压反应釜内，摇匀并密封保存；

烘箱预热至160-220℃，将所述高压反应釜放入烘箱中反应4-24h，反应完毕，关掉烘箱，自然冷却至室温；

(2)沉降分离红色荧光碳量子点

将步骤(1)中获得的混合液进行初步过滤，然后加入丙酮40-80mL并震荡，形成悬浊液；再次通过离心处理获得红色荧光碳量子点的黑色固体粉末；经丙酮5-10mL洗涤后，将其分散于溶解溶剂中，密封保存。

进一步的，步骤(2)中，所述离心处理的条件为以转速5000-10000转/分钟进行5-10分钟。

进一步的，步骤(2)中，所述溶解溶剂为去离子水或二甲亚砜。

进一步的，步骤(1)中，所述柠檬酸和乙二胺的最佳原料比例为0.4g：700μL。

进一步的，根据该方法所得到的量子产率为45-76％，纯化后的碳量子点质量产率为29-84％。

有益效果：本发明提供的一种具有高产率和量子产率的红光碳点及其制备方法，是一种可大量合成在红光区域(峰值为610-661nm之间)里发射并且量子产率为目前最高的76％的碳量子点(简称碳点)的制备方法。这类碳纳米粒子大小处于2-8nm之间，主要由石墨化的碳核和无定形的官能团壳所组成，并且在常见的溶剂中都有很好的发光效率、溶解度和稳定性。作为一类新型的红光荧光材料，具有生产成本低、可大规模化制备、发光效率极高、稳定性好等优异的性质，是目前最有希望可以代替传统的半导体量子点在光电器件、荧光传感和生物技术中发挥作用的低毒性纳米新材料。

附图说明

图1里(a)是实施例1的透射电镜照片，插图为高分辨透射电镜照片。从图中可以看到碳量子点的内核直径平均为3-4纳米，从插图里看碳量子点的晶格间距为0.21纳米，对应于石墨的100晶格面，进一步证实碳量子点的石墨化核心结构。(b)是实施例1里的原子力显微照片，显示碳量子点高度为3-4层的石墨片。

图2是实施例1的红光碳点的固态粉末图(起始碳源的质量为1.0g)。从图中可以看到，纯化后的碳量子点主要为黑色，更加重要的是，通过质量测量，碳点的质量产率能够达到80％，具有扩大制备的潜力。

图3是实施例1中的红光碳点的紫外吸收和荧光光谱。从图中可以看到碳量子点在可见光区域有着非常强的吸收，最大吸收值在565nm处；同时也可以看出，样品的荧光峰为不依赖于激发的发射，峰位置主要为654nm处。

图4是实施例1中红光碳点在自然光下的照片。从图中可以看到碳量子点在可见光下都能发出明亮的红色荧光，进一步证实了样品极高量子产率的事实。

具体实施方式

本发明具体为一种可大量合成在红光区域(峰值为610-661nm之间)里发射并且量子产率为目前最高的76％的碳量子点(简称碳点)及其制备方法。这类碳纳米粒子大小处于2-8nm之间，主要由石墨化的碳核和无定形的官能团壳所组成，并且在常见的溶剂中都有很好的发光效率、溶解度和稳定性。

本发明为一种“石墨－无定形碳”核壳型红光纳米粒子，核心为石墨化的碳，直径可以在2～8纳米范围内分布，外壳为无定形官能团，厚度可以在1～3纳米范围内调节，内核与外壳通过共价键连接。其中，碳核心是高度结晶的多层石墨结构，芳香区域面积相比于其他报道碳量子点偏大。此外，壳层中的无定形结构含有大量的羟基、氨基、羧基、及羰基等亲水性官能团。

本发明的红光碳量子点的制备的过程中所使用的溶剂为二甲亚砜，而不是其他通常使用的水、和乙醇等溶剂。二甲亚砜溶剂能制备出红光碳点，而水和乙醇却不能，并且选择它有助于沉淀分离样品。制备方法具体包括如下的具体步骤：

(1)溶剂热法制备红色荧光碳量子点混合物：

先量取5-15毫升甲酰胺放入50毫升的离心管里，再分别称量一定量的柠檬酸(0.2-0.6克)和一定量的乙二胺(100-1300μL)加入到离心管内，震荡直至完全溶解，将混合液转移到含有80mL二甲亚砜的高压反应釜内，密封保存；先将高温烘箱预热至一定温度后(160-220摄氏度)，再将反应釜放入烘箱中反应数个小时(4-24小时)，反应完毕，关掉烘箱，自然冷却至室温。

(2)沉降分离红色荧光碳量子点：

将步骤(1)中获得的混合液进行初步过滤，以除去未反应掉的杂质；再加入40-80mL的丙酮并震荡，形成悬浊液；随后，再次通过离心处理(5000-10000转/分钟，5-10分钟)获得红色荧光碳量子点的黑色固体粉末；经历2-4次的5-10mL丙酮洗涤后，将其分散到去离子水和二甲亚砜等溶解溶剂里，密封保存。

根据上述的制备和分离方法，我们获得了一种在460-600nm的光源激发下的红色荧光碳点，它们的荧光峰位于610-661nm之间，量子产率高达45-76％。通过质量对比计算(以柠檬酸为基底)，纯化后的碳量子点质量产率高达81％。这类碳量子点具有相似的结构成分，平均尺寸大约为4nm，形貌上主要表现为球形。同时，具有极强的光学稳定性，在生物医学和光电器件等领域有着广泛的应用前景。

具体的实验效果，通过下面结合实施例和附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

(1)制备含有红色荧光碳点的混合溶液

先将0.4g柠檬酸放入100mL的锥形瓶里，再加入10mL的甲酰胺溶剂，通过振荡形成透明的溶液；随后，加入0.7mL的乙二胺，进一步振荡，使样品分散均匀。然后，将透明的混合液转移到含有80mL二甲亚砜的不锈钢反应釜(150毫升)内，密封保存。先将高温烘箱预热至190摄氏度后(升温速率：5℃/分钟)，再将不锈钢反应釜放入烘箱中反应6个小时，反应完毕，关掉烘箱，打开烘箱门，自然冷却至室温。

(2)纯化含有红色荧光碳点的混合溶液

先将步骤(1)中反应结束后获得的混合液进行过滤处理，以除去未反应的杂质和形成的大颗粒。随后将滤液转移到100mL的锥形瓶中，体积大约为25mL，再缓慢加入40mL的丙酮，此时溶液体系会逐渐地变浑浊，静止1小时，可以看到锥形瓶底部有大量的黑色沉淀，再次通过离心处理(5000转/分钟，10分钟)来获得黑色沉淀。最后，将获得的碳量子点粉末每次用2mL的丙酮溶液洗涤3次，可以获得较为干净的碳量子点样品。样品既可以当作固体粉末储存，也可以分散到水和二甲亚砜等极性溶剂中，以便后期使用。终得到的红色荧光碳点的发射波长为654纳米，量子产率和质量产率分别为：76％和81％。

如图1、2、3、4所示，图1里(a)是实施例1的透射电镜照片，插图为高分辨透射电镜照片。从图中可以看到碳量子点的内核直径平均为3-4纳米，从插图里看碳量子点的晶格间距为0.21纳米，对应于石墨的100晶格面，进一步证实碳量子点的石墨化核心结构。(b)是实施例1里的原子力显微照片，显示碳量子点高度为3-4层的石墨片。

图2是实施例1的红光碳点的固态粉末图(起始碳源的质量为1.2g)。从图中可以看到，纯化后的碳量子点主要为黑色，更加重要的是，通过质量测量，碳量子点的质量产率能够达到80％，具有扩大制备的潜力。

图3是实施例1中的红光碳点的紫外吸收和荧光光谱。从图中可以看到碳量子点在可见光区域有着非常强的吸收，最大吸收值在565nm处；同时也可以看出，样品的荧光峰为不依赖于激发的发射，峰位置主要为654nm处。

图4是实施例1中红光碳点在自然光下的照片。从图中可以看到碳量子点在可见光下都能发出明亮的红色荧光，进一步证实了样品极高量子产率的事实。

实施例2

制备方法和实施例1相同，但是反应温度改为220℃，其他条件不变，最终得到的红色荧光碳点的发射波长为661纳米。相比于190℃的发射波长，红移了7纳米，这归因于更高的反应温度导致的更高的石墨化程度。同时，积分球测量后的量子产率却下降到45％，此外，质量产率即样品的产率也有提高，达到84％。从结果来看，升高反应温度会产生轻微的发射红移和质量产率的增加，而降低量子产率。

实施例3

制备方法和实施例1相同，但是将反应温度降低为160℃时，其他条件不变，最终得到的红色荧光碳点的发射波长为631纳米，通过积分球算的具体的量子产率为59％，通过称重得到样品的质量产率为43％。从结果来看，降低反应温度产生了对发射波长的蓝移和量子产率及样品产率的下降结果。因此，在这种纳米材料的制备过程中，控制反应温度是非常关键的，其严重地影响了碳量子点的形成历程和结构成分。

实施例4

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:0.1mL。此条件下获得发射波长为610纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：18％和29％。由此可见当乙二胺体积不够时，碳量子点的上述三个指标都有不利的趋势，说明原料的比例也是制备高性能碳量子点的关键。因此仔细研究原料比例对此类纳米材料的性质影响也是很有必要的。

实施例5

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:0.3mL。此时获得发射波长为627纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：48％53％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例上升时，所制备的碳纳米材料的荧光性质和质量产率都有提高的趋势。我们推测是因为更多的乙二胺参与了碳量子点的形成。

实施例6

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:0.5mL。此时获得发射波长为639纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：54％和65％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例继续上升时，所制备的碳纳米材料的荧光性质和质量产率都有继续提高的趋势。

实施例7

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:0.7mL。此时获得发射波长为654纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：76％和81％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例为此情况时，所制备的碳纳米材料的荧光性质和质量产率都达到了极好的水平。

实施例8

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:0.9mL。此时获得发射波长为656纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：63％和65％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例超过最佳值时，所制备的碳纳米材料的量子产率和质量产率轻微的下降，而发射波长基本上不移动。

实施例9

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:1.1mL。此时获得发射波长为658纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：59％和57％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例继续超过最佳值时，所制备的碳纳米材料的发射波长和量子产率基本上维持不变，而质量产率却继续下降，可能归因于在洗涤过量乙二胺的时候也损失了一部分样品。

实施例10

制备方法和实施例1相同，但是改变原料比例，即柠檬酸和乙二胺的比例为0.4g:1.3mL。此时获得发射波长为658纳米，对应的量子产率和样品质量产率为：47％和53％。由此可见，当原料乙二胺所占的比例继续超过最佳值时，所制备的碳纳米材料的发射波长和量子产率基本上维持不变，而质量产率却继续下降，可能归因于在洗涤过量乙二胺的时候也损失了一部分样品。

上述实施例可以总结为一个表格：

表1实施例数据统计表

本发明在制备强烈红色荧光碳点的过程中，采用了溶剂热法(反应釜)，其合成方法简单，绿色环保，而且使用的原材料便宜，反应温度在160-220℃之间，此外，纯化所使用的有机沉降不仅快速高效而且产率极高，因此此种制备方法具有很大的工业化生产前景。同时，在反应的过程中使用的碳源不仅来源广泛，而且完全是绿色化学的。在提纯的过程中只需要在常温下进行，只需要使用较便宜的有机试剂(丙酮)，而且使用的量也比较小，同时经过简单的蒸馏后这些试剂可以进一步重复利用，从而很大降低生产过程中的成本。

本发明制备的红色荧光碳点与其他报道的碳点相比，在成份上没有什么区别，主要是碳核心区域面积明显变大。这些碳点含有大量的亲水性官能团，所以能够在水、乙醇、甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺等极性溶剂里有着良好的溶解度。同时，在较宽的pH值(2-12)范围内、较高的离子强度、较长时间的高强度紫外照射、以及长时间存储等条件下，碳点红色荧光的强度和峰位置基本上不会发生变化，这些测试结果都证明其在生物医学、光电器件、和可见光催化等领域的应用上有着非常广泛的前景。

本发明制备的红色荧光碳点最佳激发波长为566nm，最佳发射波长在654nm。其最佳激发和发射都处于可见光区域，有效地避免了使用传统的紫外光时所带来的生物损伤。另外，碳点具有较高的量子产率，在甲酰胺里具有较高的量子产率，其值能够达到76％，也是目前报道最高的。在水相中，量子产率也能够高达43％。这些碳量子点表现出不依赖于激发的发射，荧光峰的位置基本上不移动。后续研究证明碳点的红色荧光主要是来自于石墨化的碳核心和表面官能团组成的表面态的协同效应。

本发明制备的红色荧光碳点具有非常低的毒性，对人类子宫颈癌细胞的半致死浓度为3-4毫克/毫升，比大部分报道的半导体量子点(CdSe和CdTe)的相应毒性要低出3个数量级以上。因此，此种方法制备的碳点在生物医学需要浓度下，全然不会影响细胞的生长和形态，甚至有时候成为细胞的营养碳源。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。