本发明涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是一种双掺杂的多功能荧光碳量子点及其制备方法和应用。
背景技术：
碳纳米材料是纳米科学与技术领域中的研究热点。自1985年报道了零维的碳纳米材料富勒烯；人们相继在1991年发现了一维的碳纳米管；在2004年制备出了具有二维结构的石墨烯。于此同时，在2004年，xu等在纯化电弧放电制备单壁碳纳米管过程中，首次观测到了发光的碳纳米粒子，亦称碳量子点。2006年，克莱蒙森大学的孙亚平等第一次用激光刻蚀方法合成出碳量子点。2007年，从蜡烛燃烧的烟灰中分离出尺寸小于2nm的具有不同发光的碳量子点。同年，以多壁碳纳米管为原料通过电化学氧化制备出发蓝光的碳量子点。在此以后，人们发展了电化学氧化石墨，石墨烯，碳纤维和碳黑制备碳量子点的新技术。碳量子点还可以通过热解柠檬酸盐，酚醛树脂前驱体，乙二胺四乙酸钠盐，三羟甲基胺基甲烷和丙三醇获得。微波裂解葡萄糖可以快速制备发光的碳量子点。可用于微波法制备碳量子点的原料还有糖类化合物，多元醇，柠檬酸和氨基酸等。水热切割大的石墨烯片或碳化小分子抗坏血酸也是制备碳量子点的有效途径。水热法可以从含碳原料经过自上而下和自下而上两种不同的路径制备碳量子点。。
碳量子点一般指的是尺寸小于10nm，具有准球形的结构，能稳定发光的一种纳米碳。碳量子点的发光具有尺寸和波长依赖性。并且发光具有高的稳定性，无光漂白，克服了有机染料发光不稳定，易光漂白的缺点。碳量子点容易制备，制备使用的原材料廉价、广泛。此外，碳量子点低毒，具有好的生物兼容性，克服了无机量子点高毒、不利于在生物体内应用的缺点。由于碳量子点具备以上的诸多优点，自从被发现以来，就受到了广泛的关注。目前为止，在生物成像、荧光传感、有机光伏、发光二极管和催化领域表现出了潜在的应用价值。用来掺杂碳量子点的原料非常广泛，可以是天然产物也可以是化学药品，但是以不同物质为碳源制备出的荧光碳量子点其量子产率有很大差别。通过杂原子掺杂，能够改变碳量子点的表面结构和官能团，从而提高碳量子点的发光效率。然而，目前的研究仍仅限于氮、氯、磷、硫等单元素的掺杂，双原子共掺杂的方法仍待进一步的研究。赵树林等使用草酸和l-半胱氨酸先前处理12小时，然后200℃高温反应3h，制备氮硫共掺杂碳量子点，该方法前处理时间较长，(mingyuexueetal.nitrogenandsulfurco-dopedcarbondots:afacileandgreenfluorescenceprobeforfreechlorine[j].sensors&actuatorsbchemical,2015,219:50-56.)。张小玲等使用三磷酸腺苷300℃高温反应2h合成氮磷共掺杂碳点，反应原料昂贵反应温度较高，(gongy,yub,yangw,etal.phosphorus,andnitrogenco-dopedcarbondotsasafluorescentprobeforreal-timemeasurementofreactiveoxygenandnitrogenspeciesinsidemacrophages[j].biosensors&bioelectronics,2016,79:822.)。因此，寻找廉价易得的原料，通过快速便捷、绿色的合成方法制备可以大规模生产的双原子共掺杂荧光碳量子点，且能实现多功能应用，成为一个亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种双掺杂的多功能荧光碳量子点，并建立一种操作简单、设备简易、原料低廉和绿色环保的制备方法；以及将所述的荧光碳量子点用于重金属离子检测，温度传感和细胞成像。
本发明提供的一种双掺杂的多功能荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：
1)将羧酸置于反应容器中，加入乙二胺，充分搅拌，随后加入浓磷酸，得到浅黄色固体薄片；所述羧酸、乙二胺、浓磷酸的质量比为0.15-0.8：4.5-7.5：5.5-8.5；
2)将容器自然冷却后，加入乙二胺和浓磷酸总体积量3-4倍的二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤取出不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析袋，在容器中透析处理至少1天，即得到多功能荧光碳量子点的水溶液；
3)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标产物。
所述的羧酸为草酸，酒石酸，柠檬酸，邻苯二甲酸等。
所述的透析袋为1000da透析袋。
所述方法以草酸，酒石酸，柠檬酸，邻苯二甲酸为碳源，利用乙二胺和浓磷酸酸碱中和反应自放热，5分钟内即可反应完成。
上述方法制备的双掺杂的荧光碳量子通过掺杂氮和磷原子来调节碳量子点的电子性质和碳结构以提供更多的活性位点。不仅可用于中药和茶叶中mn(vii)的检测，还可用于25℃-80℃范围内的温度传感器，也可用作细胞成像中的荧光剂。
与现有技术相比本发明的有益效果：
(1)本发明多功能荧光碳量子点原料易得，制备方法简单、反应时间短，不需要高温或表面钝化处理，。
(2)草酸，酒石酸，柠檬酸，邻苯二甲酸，乙二胺和浓磷酸均为普通试剂，来源广泛，价格便宜。
(3)生产设备仅需玻璃仪器，操作简单，能在5分钟内快速反应完。
(4)以邻苯二甲酸为原料合成的氮磷双掺杂碳量子点能够检测mn(vii)和温度，也可用作细胞成像标记物，碳点的多功能应用，既节省原料，又能使碳量子点的利用率达到最大化。
总之，本发明操作工艺简单，原料来源广泛，绿色保护价格便宜，制备条件要求低，可大规模生产，所得双掺杂的多功能荧光碳量子点光学性质稳定，荧光量子产率高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产，并实现了碳量子点的多方面的应用。
附图说明
图1为实施例1制备的多功能荧光碳量子点的紫外吸收光谱及荧光发射光谱
图2为实施例1制备的多功能荧光碳量子点荧光发射曲线随激发波长变化的光谱图
图3为实施例1制备的荧光碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率
图4为实施例1制备的多功能荧光碳量子点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)
图5为mn(vii)猝灭实施例1制备的多功能荧光碳量子点的荧光光谱图
图6为25-80℃范围内温度影响实施例1制备的多功能荧光碳量子点的荧光光谱图
图7为实施例1制备的荧光碳量子点利用mtt法进行的smmc-7721(人肝癌细胞)毒性测试图
图8为实施例1制备的荧光碳量子点标记的smmc-7721(人肝癌细胞)激光共聚焦图。图中：(a)为405nm激发下的暗场图细胞呈蓝色荧光；(b)为488nm激发下的暗场图，细胞呈绿色荧光；(c)为561nm激发下的暗场图，细胞呈红色荧光。
具体实施方式
下面结合实施例对本说明做详细说明，实施例给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
步骤1,称取0.4g邻苯二甲酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片，超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15％。
性质表征和应用见图1-8，表1-2。
实施例2
步骤1,称取0.4g酒石酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9％。
实施例3
步骤1,称取0.4g柠檬酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12％。
实施例4
步骤1,称取0.4g草酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为11％。
实施例5
步骤1,称取0.2g邻苯二甲酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8％。
实施例6
步骤1,称取0.2g酒石酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12％。
实施例7
步骤1,称取0.2g柠檬酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9％。
实施例8
步骤1,称取0.2g草酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为13％。
实施例9
步骤1,称取0.6g邻苯二甲酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8.5％。
实施例10
步骤1,称取0.6g酒石酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为10％。
实施例11
步骤1,称取0.6g柠檬酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为11％。
实施例12
步骤1,称取0.6g草酸置于玻璃容器中，加入6ml乙二胺，充分搅拌，随后逐渐加入4ml浓磷酸，得到浅黄色固体薄片。超声得到澄清溶液；
步骤2,待玻璃容器自然冷却后，向其中加入30ml二次水，超声溶解得到浅黄色溶液，过滤得到澄清溶液，1000da透析袋透析1天后的溶液即为双掺杂的多功能荧光碳量子点溶液。
步骤3,将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标双掺杂的碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9％。
实施例13
石英比色皿盛有实例1制备的双掺杂的碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出明亮的蓝色荧光(见图1)。实例1制备的双掺杂的碳量子点具有激发波长依懒性(见图2)。实施例1制备的荧光碳量子点的红外光谱图(见图3)。实例1制备的双掺杂的碳量子点粒径为3.74±0.40nm(见图4)。
实施例14
实例1制备的双掺杂的碳量子点水溶液荧光可被mn(vii)猝灭，如图5所示，随着mn(vii)离子溶度的增加，碳量子点的荧光强度逐渐降低。
实施例15
实例1制备的双掺杂的碳量子点水溶液荧光在温度25-80℃范围内随着温度的升高荧光强度降低，如图6所示；温度从80℃降低到25℃后，碳量子点水溶液荧光强度逐渐恢复到25℃对应的荧光强度，反复测量在25℃-80℃之间8个循环可逆的荧光相应，如图7所示。
实施例16
实施例1制备的双掺杂的碳量子点水溶液用于实际样品茶叶和中药中mn(vii)的检测，如表1和表2所示通过加表回收测的实际样品茶叶和中药中mn(vii)的原始含量及加表回收率。
表1
表2
实施例17
实施例1制备的双掺杂的碳量子点水溶液用于标记的人肝癌细胞，如图8所示，细胞有形态良好，可用于细胞标记。从左向右依次为：暗场(激发405nm)细胞图(蓝色)，暗场(激发为488nm)细胞图(绿色)，暗场(激发为516nm)细胞图(红色)。