本发明涉及纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种荧光碳纳米粒子及其制备方法和应用。
背景技术
碳纳米粒子属于碳材料中的一种，具有来源广泛，价格低廉，绿色环保，生物相容性高等优势，被广泛应用于传感、载药、成像、生物医学等方向。碳纳米粒子可具有优异的光学性能，与传统的量子点相比，更易于合成并且毒性小，成为一种潜在的化学发光材料。
制备碳纳米粒子的方法有很多，如弧光放电法、水热法、电化学氧化法、浓酸氧化法等。但是使用这些化学合成法制备具有荧光性质的碳量子点，往往需要使用酸或peg等后处理，有反应复杂、耗时较长等缺点。
使用激光液相烧蚀法制备的碳量子点，反应简单迅速，可在较短的时间内合成性能优异的碳量子点。现有技术中，使用激光液相反应法时，有些碳纳米粒子产物不直接具备发光特性，也需要结合化学后处理后获得发光性质；也可根据所选溶剂的不同来直接获得具有荧光性质的碳纳米粒子，但在激光液相反应法的过程中，往往很难获得具有单一结构的碳纳米粒子，所制备的碳纳米粒子中往往还存在如碳纳米片等其他碳结构。
综上所述，如何在现有研究基础上，研究开发一种可直接具有荧光性质且具有碳纳米粒子结构的超细荧光纳米粒子的制备方法，具有重要的理论和实际意义。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种荧光碳纳米粒子的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
将石墨靶材置于乙醇中，使用脉冲激光或连续激光烧蚀所述石墨靶材，取出所述石墨靶材后得到所述荧光碳纳米粒子的溶液；所述脉冲激光的脉冲能量为30～400mj。
在上述反应过程中，脉冲激光烧蚀石墨靶材时形成含有碳原子、分子、离子等的离子体羽并处于高温、高压、高密度状态。脉冲激光衰减后，等离子体羽中高温、高压、高密度迅速减弱，等离子体羽中物质相互作用碰撞成核，并进入到乙醇中与乙醇相互作用，生成c-h、c＝o键等官能团，从而生成具备荧光性质的超细碳纳米粒子。
在本发明一个优选实施方式中，优选使用脉冲激光进行烧蚀。
其中，所述脉冲激光的脉冲能量优选为30～400mj，进一步优选为50～150mj。
在本发明一个优选实施方式中，所述脉冲激光的输出电压为500～600v。进一步优选地是，所述脉冲激光的输出电压为540～560v。在上述优选的输出电压范围即能保证低耗能，又能保证合成性能优良的碳纳米粒子。
在本发明一个优选实施方式中，上述脉冲激光的焦距为5～25cm，优选为7～18cm。优选脉冲激光的焦距值可在保证整个反应装置的搭建具有可行性的同时减少能量的损失。
在本发明一个优选实施方式中，上述脉冲激光的波长为266-1064nm，优选为530～540nm，进一步优选为532nm。优选脉冲激光处于绿光波段，能量稳定，便于操作。
在本发明一个优选实施方式中，上述脉冲激光的脉冲频率为5～100hz，优选为10～20hz，进一步优选为10hz。优选激光脉冲频率较低，易于获得较高脉冲能量。
在本发明一个优选实施方式中，所述乙醇的体积为2～10ml，优选为4～8ml。
在本发明一个优选实施方式中，所述脉冲激光的烧蚀时间为5～60min，优选为10～25min。
更优选地是，为了进一步实现粒径的单一分布，脉冲激光分为两步，即具体包括如下步骤：
1)将石墨靶材置于乙醇中，使用脉冲激光烧蚀所述石墨靶材10～25min；
2)再使用脉冲激光烧蚀步骤1)得到的溶液10～25min，得到所述荧光碳纳米粒子的溶液。
反应分成两步与优选的激光烧蚀时间可防止在烧蚀过程中乙醇燃烧，并保证合成的碳纳米粒子只具有碳纳米粒子结构，分散性好，粒径分布单一。
在本发明一个优选实施方式中，本发明提供的制备方法具体包括如下步骤：
1)将石墨靶材置于4～10ml的乙醇中，使用脉冲激光烧蚀所述石墨靶材10～25min；步骤1)中所述脉冲激光的输出电压为500～600v，脉冲能量为30～400mj，脉冲激光的焦距为7～8cm；
2)再使用脉冲激光烧蚀步骤1)得到的溶液10～25min，得到所述荧光碳纳米粒子的溶液；步骤2)中所述脉冲激光的输出电压为500～600v，脉冲能量为30～400mj，焦距为17～18cm；所述步骤1)得到的溶液为4～8ml，优选为7ml。
在本发明一个优选实施方式中，在步骤1)中，乙醇溶液优选为4ml。当步骤2)中优选需要使用7ml步骤1)中的溶液时，可以在步骤1)中直接使用7～10ml来制备，进一步优选地是，在步骤1)中，乙醇溶液为4ml，将步骤1)进行2次，得到8ml的溶液，再取出7ml来进行步骤2)。
在本发明一个优选实施方式中，在所述脉冲激光烧蚀过程中使用超声以使反应体系处于均匀状态。
进一步地，所述超声的功率优选为70-180w，优选为170～180w。优选的超声功率可在相同时间内，是反应体系分散的最为均匀。
在本发明中，可以使用本领域中常用的方法如冻干等方法，除去溶剂乙醇得到荧光碳纳米粒子粉剂。
本发明的第二个目的在于提供上述制备方法制备得到的荧光碳纳米粒子。
具体地，由上述制备方法得到的荧光碳纳米粒子的粒径为2.2±0.6nm，在315nm的光的激发下纳米粒子在372nm处有最强的发射峰。本发明得到的荧光碳纳米粒子也可以称为超细荧光碳纳米粒子，所制备的纳米粒子分散性好，粒径分布均一，在没有经过任何后处理及具备荧光性质，在成像与传感方面有很好的应用前景。
本发明的第三个目的在于提供了上述荧光碳纳米粒子或上述荧光碳纳米粒子的制备方法在制备化学发光材料中的应用。特别是适用于成像与传感领域中的化学发光材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明使用激光液相法在乙醇中制备超细荧光碳纳米粒子，无需使用酸或peg等后处理即可获得具有荧光性质的碳纳米粒子，操作简单，反应迅速，仅需要20～50min即可得到荧光碳纳米粒子，是一种绿色的制备发光碳纳米粒子的方法。
(2)本发明所制备的荧光碳纳米粒子为超细荧光碳纳米粒子，粒径分布优选在2nm左右，分散性高，单一型好，毒性低，在315nm的光的激发下纳米粒子在372nm处有最强的发射峰。在传感、医学成像或生物医药方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备得到的荧光碳纳米粒子的tem图；
图2为本发明实施例中制备得到的不同脉冲激光能量下制备的荧光碳纳米粒子的tem图；
图3为本发明实施例3制备得到的荧光碳纳米粒子的tem图；
图4为本发明实施例3制备得到的荧光碳纳米粒子的hrtem图；
图5为本发明实施例3制备得到的荧光碳纳米粒子的拉曼光谱图与红外光谱图；
图6为本发明实施例3制备得到的荧光碳纳米粒子的吸收光谱与发射光谱图；
图7为本发明实施例3制备得到的荧光碳纳米粒子的细胞存活率曲线图；
图8为本发明对比例1制备得到的荧光碳纳米粒子的tem图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得，若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本发明实施例提供了一种荧光碳纳米粒子的溶液，具体制备方法为：将石墨靶材放置于4ml乙醇溶液中，脉冲频率选用10hz，脉冲激光的波长选用532nm，脉冲激光的输出电压为540v，脉冲激光焦距选用7.7cm，使用脉冲能量为120mj的激光烧蚀石墨靶材10min，采用功率为180w的超声辅助得到均匀溶液，即得到所述超细荧光碳纳米粒子的溶液。
实施例2
本发明实施例2提供了4种荧光碳纳米粒子的溶液，其制备方法与实施例1相比，区别仅在于：其脉冲激光的脉冲能量分别为30mj、50mj、80mj和150mj。
实施例3
本发明实施例3提供了一种荧光碳纳米粒子，具体制备方法为：
1)将石墨靶材放置于4ml乙醇溶液中，脉冲频率选用10hz，脉冲激光的波长选用532nm，脉冲激光的输出电压为540v，脉冲激光焦距选用7.7cm，使用脉冲能量为120mj的激光烧蚀石墨靶材10min，采用功率为180w的超声辅助得到均匀溶液；
2)取出石墨靶材，再使用能量为120mj的脉冲激光灼烧7ml实施例1得到的纳米结构溶液10min，所述脉冲激光的焦距为17.5cm，用超声辅助得到均匀溶液，即可。
对比例1
本发明对比例1提供了一种荧光碳纳米粒子的溶液，与实施例1相比，区别仅在于，所使用溶剂为去离子水。
实验例
图1为本发明实施例1制备得到的荧光碳纳米粒子的tem图。从图1中的结果可以看出，制备得到的荧光碳纳米粒子为黏连状的碳纳米粒子。
图2为本发明实施例中制备得到的荧光碳纳米粒子的tem图。其中，(a)为脉冲能量10mj下得到的物质，(b)-(f)分别表示30mj、50mj、80mj、120mj(实施例1得到的荧光碳纳米粒子)以及150mj下得到的荧光碳纳米粒子。从图2中的结果可以看出，当激光能量小于30mj时，产物为层状的石墨结构。当激光能量由50mj到80mj时，层状结构被破坏，开始出现小的碳纳米片结构，同时开始出现碳纳米粒子。当激光能量到达120mj时，产物逐渐变为带有少量片层结构的碳纳米粒子。当能量高达150mj时，几乎所有的产物都为碳纳米粒子。尽管使用的激光能量越高合成的纳米粒子越小，但是过高能量会引起乙醇的燃烧。
图3为本发明实施例3制备得到的超细荧光碳纳米粒子的tem图。从图3的结果可以看出，所制备的碳纳米粒子分散性好，粒径分布单一，粒径约为2.2±0.6nm。
图4为本发明实施例2制备得到的超细荧光碳纳米粒子的hrtem图。从图4的结果可以看出，所制备的碳纳米粒子具有0.21nm与0.32nm的晶格条纹，与石墨结构的(100)晶面与(002)晶面相对应，确定了所制备的超细荧光碳纳米粒子为石墨结构。
此外，按照如下方法检测所得超细碳纳米粒子的拉曼光谱：将1ml样品滴于硅片上，自然干燥后，使用显微共焦激光拉曼光谱仪，测量1000-3000cm-1范围内的拉曼光谱。
图5a为本发明实施例3制备得到的超细荧光碳纳米粒子的拉曼光谱。从图5a的结果可以看出，所制备的碳纳米粒子的d峰，g峰与2d峰分别为1357cm-1，1578cm-1与2710cm-1。d峰的存在说明碳纳米粒子中存在一定的缺陷与无序结构。g峰位位置与单层石墨烯的g峰位置(1587cm-1)相比向低位移方向移动，说明样品中石墨的层数增加。id/ig为0.328，说明样品中含有缺陷，石墨烯层数较多，石墨化程度较大。
随后，按照如下方法测量所制备的超细荧光碳纳米粒子的红外光谱：一定量体积的超细荧光碳纳米粒子溶液滴到caf2片上，烘干后使用傅里叶变换红外光谱仪测试样品在4000cm-1-500cm-1范围内的透射率，得到傅里叶变换红外光谱。
图5b为本发明实施例3制备得到的超细荧光碳纳米粒子的傅里叶变换红外光谱结果。从图5b中的结果可以看出，超细荧光碳纳米粒子的红外光谱中，2919cm-1，2851cm-1、1369cm-1处代表着c-h键，1557cm-1处代表着c＝c，1740cm-1处代表着c＝o。在整个激光液相法的反应中，碳纳米粒与溶剂乙醇的反应是产生c-h与c＝o键的主要原因。而c＝c、c＝o键为产生荧光的主要原因。
此外，按照如下方法检测所得超细碳纳米粒子的紫外-可见吸收光谱：将400μl超细碳纳米粒子放于比色皿中，使用紫外分光光度计测试样品在230-600nm范围内的吸收率，得到样品的紫外-可见吸收光谱。
图6a为本发明实施例3制备得到的超细荧光碳纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱。从图6a中的结果可以看到，超细碳纳米颗粒在230-600nm范围内共具有5个吸收峰，分别为234nm，252nm，276nm，297nm与315nm。234nm，252nm与276nm处的三个吸收峰是由芳香族的c＝c键引起的π-π*转移产生的。297nm和315nm处产生了两个吸收峰是由c＝o双键n-π*转移产生的。
同时，按照如下方法检测所得超细荧光碳纳米粒子的发射光谱：取400μl超细碳纳米粒子放于比色皿中，使用紫外/可见/近红外分光光度计在不同的激发光波长下测量样品对应的发射光谱。
图6b为本发明实施例3制备得到的超细荧光碳纳米粒子的发射光谱。从图6b的结果可以看到。超细荧光碳纳米粒子在315nm的光的激发下纳米粒子在385nm处有最强的发射峰。发射光谱的峰值随着激发波长的改变而改变。当激发波长由234nm到400nm，发射峰发生红移。
综合图6a和图6b的结果表明，使用激光液相法在乙醇溶液中经过两步法制备得到的超细荧光碳纳米粒子具有良好的荧光性质。
同时，按照如下方法检测实施例3制备得到的碳纳米粒子的细胞存活率：将sh-sy5y(人神经母细胞瘤细胞)放于细胞培养箱中培养3天，培养箱温度为37℃、co2含量为5％。所用培养基为15％的血清与85％的1640基础培养基。细胞成熟后，使用胰酶消化，在96孔板中每孔中培养的细胞密度为1万个/100μl，终体积为150μl。培养24h后每孔加入10μlcck-8，继续培养3h后测量在450nm处的吸光度。
图7为不同浓度的碳纳米粒子与sh-sy5y作用后的细胞存活率结果。由图7可以看出，加入碳纳米粒子孵育24h后，sh-sy5y的存活率随着碳纳米粒子浓度的增加而减少。在低浓度下，碳纳米颗粒对细胞没有明显的毒副作用，材料的浓度小于20μg/ml时，细胞存活率大于70％。
图8为本发明对比例1制备得到的超细碳纳米粒子。从图8的结果可以看到，使用激光液相法在纯水中制备得到的超细碳纳米粒子粒径约为2.57±0.65nm。按照上述方法评价本对比例1所得产品的吸收光谱与发射光谱。由结果可知，本对比例所得产品无吸收峰与发射峰，说明在纯水中制备得到的碳纳米粒子不具备荧光性质。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。