一種蘭炭中提取熒光碳量子點(diǎn)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種蘭炭中提取熒光碳量子點(diǎn)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，因其優(yōu)良的熒光性能，量子點(diǎn)在離子檢測(cè)、生物標(biāo)記以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。雖然常見的半導(dǎo)體量子點(diǎn)如CdSe、CdS、Si等具有尺寸可控、發(fā)射波長范圍較窄以及發(fā)光量子產(chǎn)率較高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其水溶性不好、化學(xué)穩(wěn)定性較差且大部分具有較強(qiáng)毒性等缺陷，這使得其在實(shí)際應(yīng)用過程中受限制，特別是在離子檢測(cè)和生物醫(yī)藥領(lǐng)域。與上述常見的半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳量子點(diǎn)作為新興的一種碳納米材料，它不僅具有碳納米材料的結(jié)構(gòu)特征，又具有傳統(tǒng)量子點(diǎn)的熒光性能，此外還具有比傳統(tǒng)量子點(diǎn)更為優(yōu)越的特性。例如它具有分子量和粒徑小、熒光穩(wěn)定性高、無光閃爍、激發(fā)光譜寬而連續(xù)、發(fā)射波長可調(diào)諧、生物相容性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)。因此，熒光碳量子點(diǎn)不僅克服了傳統(tǒng)量子點(diǎn)的某些缺點(diǎn)，而且還易于實(shí)現(xiàn)表面功能化，被認(rèn)為是一種代替量子點(diǎn)進(jìn)行生物標(biāo)記和熒光成像等研究最為理想的材料。
[0003]然而，碳量子點(diǎn)的制備方法仍不多見，目前所報(bào)道的方法主要由化學(xué)氧化處理碳納米管、蠟燭灰、天然氣灰等；電化學(xué)氧化處理碳納米管、石墨等;激光轟擊石墨;熱力學(xué)氧化有機(jī)物前驅(qū)體。但這些方法都或多或少有其不足之處，例如合成過程中大都需要復(fù)雜的處理程序、昂貴的試劑，產(chǎn)率較低，分離較難等等，所以碳量子點(diǎn)的制備方法還有待進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化?；诖?，探索一種簡單、有效、大規(guī)模合成熒光碳納米顆粒的方法，為進(jìn)一步推動(dòng)碳量子點(diǎn)的應(yīng)用和研究奠定堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種蘭炭中提取碳量子點(diǎn)的方法，該方法操作簡單、成本低廉，制備的碳量子點(diǎn)產(chǎn)率較高。
[0005]
本發(fā)明通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
a、將干燥的蘭炭粉末加入到硝酸溶液中進(jìn)行攪拌回流；
b、停止回流，自然冷卻后離心收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸餾將所得上清液蒸干，得到黑色固體；
C、將黑色固體分散于去離子水，用氨水中和至中性，得到懸濁液，然后將中和后的懸濁液離心，收集上清液；
d、用一種或幾種截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，真空干燥后得到碳量子點(diǎn)。
[0006]其中步驟a所述硝酸的濃度為4?6M，優(yōu)選濃度為5 Mo
[0007]步驟a所述蘭炭粉末與硝酸溶液的用量比例為每100ml硝酸加入0.1?5 g蘭炭粉末，優(yōu)選為每100 ml硝酸加入I g蘭炭粉。
[0008]步驟a所述回流的溫度為80?120 °C，回流時(shí)間為12?36 h，回流時(shí)間優(yōu)選為24h0
[0009]步驟b所述自然冷卻后離心收集上清液的離心轉(zhuǎn)速為10000?15000 r/min，離心時(shí)間為30?60 min。
[0010]步驟c所述將中和后的懸濁液離心的離心轉(zhuǎn)速為10000?15000 r/min，離心時(shí)間為30?60 min。
[0011]步驟d所述用一種或幾種截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，可以采用截留分子量為0.5 kD, I kD, 3 kD中的一種或幾種截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行分尚。
[0012]步驟d所述用真空干燥后得到碳量子點(diǎn)的溫度為60?80 °C，時(shí)間為24?48 h。
[0013]本發(fā)明采用廉價(jià)的蘭炭作為原料，通過化學(xué)氧化法從蘭炭中提取水溶性碳量子點(diǎn)。蘭炭是一種新型的炭素材料，具有固定炭高、比電阻高、化學(xué)活性高、含灰份低、鋁低、硫低、磷低的特性，其中含有大量的石墨組分，大多數(shù)是石墨晶體的小碎片。通過與氧化性酸回流，可以使這些石墨晶體小碎片表面被氧化成羥基，并被最終釋放到溶液中。該制備方法除了原料廉價(jià)易得以外，其制備過程也比較簡單，無需特殊的試驗(yàn)儀器，而且產(chǎn)物容易提純，所得量子點(diǎn)粒徑也相對(duì)均一，因此該方法特別適合于大規(guī)模生產(chǎn)碳量子點(diǎn)。通過研發(fā)簡便、低廉的化學(xué)氧化法從蘭炭中提取水溶性好、熒光性強(qiáng)的碳量子點(diǎn)。
[0014]本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn):
本制備方法具有原料價(jià)廉易得、成本低、實(shí)驗(yàn)要求簡單、簡便且產(chǎn)率較高等特點(diǎn)。本發(fā)明方法中所制得的碳量子點(diǎn)還具有粒度相對(duì)均一、分散均勻、光學(xué)性能良好、水溶解性好等優(yōu)點(diǎn)。投射電鏡照片(見圖1)表明所制備的碳量子點(diǎn)主要為3?5 nm的粒度;X射線粉末衍射(見圖2)表明所制備的碳量子點(diǎn)是碳材料;圖3的紅外光譜顯示碳量子點(diǎn)表面帶有大量的羥基(3430 cm—1，1650 cm—1，1580 cm—1和1390 cm—1)，這說明該碳量子點(diǎn)具有良好的水溶性。所制備的碳量子點(diǎn)具有良好的光學(xué)性質(zhì)，其中包括具有明顯光學(xué)活性的熒光照片(見圖4和圖5)。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例1的碳量子點(diǎn)的透射電鏡照片。
[0017]圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例2的碳量子點(diǎn)X射線粉末衍射圖。
[0018]圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例3的碳量子點(diǎn)紅外光譜圖。
[0019]圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例4的碳量子點(diǎn)的紫外吸收光譜圖。
[0020]圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例5的碳量子點(diǎn)熒光光譜圖和經(jīng)365nm激發(fā)光源激發(fā)碳量子點(diǎn)水溶液前后的照片。
[0021]
【具體實(shí)施方式】
[0022]為了更好地理解本發(fā)明，通過實(shí)例進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明不僅限于此。
[0023]實(shí)施例1
將0.1 g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的4 M硝酸中在100 °C回流12 h，待自然冷卻至室溫后，以10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間30 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸饋將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間30 min，收集上清液，用0.5 kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在60 °C真空干燥48 h得到碳量子點(diǎn)。
[0024]實(shí)施例2
將5 g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的6 M硝酸中在120 °C回流36 h，待自然冷卻至室溫后，以15000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間60 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸饋將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后15000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間60 min，收集上清液，用I kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點(diǎn)。
[0025]實(shí)施例3
將0.2 g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的6 M硝酸中在100 °C回流24 h，待自然冷卻至室溫后，以10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間40 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸饋將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間40 min，收集上清液，用3 kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在60°C真空干燥36 h得到碳量子點(diǎn)。
[0026]實(shí)施例4
將I g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的5 M硝酸中在120 °C回流30 h，待自然冷卻至室溫后，以12000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間50 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸餾將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后12000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間50 min，收集上清液，用I kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點(diǎn)。
[0027]實(shí)施例5
將0.2 g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的5 M硝酸中在80 °C回流30 h，待自然冷卻至室溫后，以12000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間60 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸饋將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后12000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間30 min，收集上清液，用2 kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點(diǎn)。
[0028]實(shí)施例6
將0.2 g干燥的蘭炭粉末加入到100 ml的6 M硝酸中在100 °C回流24 h，待自然冷卻至室溫后，以13000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間40 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸饋將所得上清液蒸干，將蒸干所得的黑色固體(約1.105克)分散于水中，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后13000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間40 min，收集上清液，用3 kDa截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在60 °(:真空干燥36 h得到碳量子點(diǎn)。
[0029]圖1為碳量子點(diǎn)的透射電鏡圖，可以看出碳量子點(diǎn)分散均勾，粒徑均一，約3?5nmD
[0030]圖2為碳量子點(diǎn)的X射線粉末衍射圖，可以看出碳量子點(diǎn)在24"€具有碳材料的特征峰。
[0031]圖3為碳量子點(diǎn)的紅外光譜圖，可以看出其表面含有豐富的羧基和羥基官能團(tuán)。
[0032]圖4為碳量子點(diǎn)水溶液紫外吸收光譜圖，可以看出碳量子點(diǎn)水溶液在365nm波長處具有很強(qiáng)的吸收峰。
[0033]圖5為碳量子點(diǎn)熒光光譜圖和經(jīng)365nm激發(fā)光源激發(fā)碳量子點(diǎn)水溶液前后的照片。發(fā)現(xiàn)盛有碳量子點(diǎn)水溶液的比色皿放置于紫外投射臺(tái)上，經(jīng)365 nm激發(fā)光源激發(fā)后發(fā)出藍(lán)綠色熒光。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種蘭炭中提取碳量子點(diǎn)的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: 1)將干燥的蘭炭粉末加入到硝酸溶液中進(jìn)行攪拌回流;所述硝酸的濃度為4?6M;所述蘭炭粉末與硝酸溶液的用量比例為每100 ml硝酸加入0.1?5 g蘭炭粉末;所述回流的溫度為80?120 °C，回流時(shí)間為12?36 h； 2)停止回流，自然冷卻后以10000?15000r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間30?60 min，收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸餾將所得上清液蒸干，得到黑色固體； 3)將黑色固體分散于去離子水，用氨水中和至中性，得到懸濁液，然后將中和后的懸濁液以10000 r/min的轉(zhuǎn)速離心，時(shí)間30?60 min，收集上清液； 4)再用一種或幾種0.5?3kDa范圍內(nèi)的截留分子量的透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在60?80 °(:真空干燥24?48 h得到碳量子點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種蘭炭中提取碳量子點(diǎn)的方法。該方法包括以下步驟：首先將蘭炭粉末加入到4～6？M硝酸溶液中在80～120？℃攪拌回流；自然冷卻后以10000～15000？r/min離心30～60？min并收集上清液去除沉淀，通過減壓蒸餾將所得上清液蒸干，得到黑色固體；將黑色固體分散于去離子水，用氨水中和，然后以10000？r/min離心30～60？min收集上清液；再用透析袋對(duì)上清液進(jìn)行透析，收集透析袋中溶液，在60～80？℃真空干燥24～48？h得到碳量子點(diǎn)。本發(fā)明采用價(jià)格低廉、原料易得的蘭炭作為碳源，經(jīng)過簡單的化學(xué)氧化、蒸發(fā)、中和、離心、透析處理過程即可得碳量子點(diǎn)。該碳量子點(diǎn)粒徑為3～5？nm，分散均勻，其表面帶有大量的羧基和羥基，表現(xiàn)出較好的熒光性質(zhì)。
【IPC分類】C01B31/02, C09K11/65, B82Y40/00, B82Y30/00
【公開號(hào)】CN105621391
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610010552
【發(fā)明人】孫志鵬, 賈殿贈(zèng), 劉浪, 惠蘭
【申請(qǐng)人】新疆大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年1月8日