一種蘭炭中提取熒光碳量子點的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種蘭炭中提取熒光碳量子點的方法。
【背景技術】
[0002]近年來，因其優良的熒光性能，量子點在離子檢測、生物標記以及生物醫藥等領域具有重要的應用潛力。雖然常見的半導體量子點如CdSe、CdS、Si等具有尺寸可控、發射波長范圍較窄以及發光量子產率較高等優點，但是由于其水溶性不好、化學穩定性較差且大部分具有較強毒性等缺陷，這使得其在實際應用過程中受限制，特別是在離子檢測和生物醫藥領域。與上述常見的半導體量子點相比，碳量子點作為新興的一種碳納米材料，它不僅具有碳納米材料的結構特征，又具有傳統量子點的熒光性能，此外還具有比傳統量子點更為優越的特性。例如它具有分子量和粒徑小、熒光穩定性高、無光閃爍、激發光譜寬而連續、發射波長可調諧、生物相容性好、毒性低等優點。因此，熒光碳量子點不僅克服了傳統量子點的某些缺點，而且還易于實現表面功能化，被認為是一種代替量子點進行生物標記和熒光成像等研究最為理想的材料。
[0003]然而，碳量子點的制備方法仍不多見，目前所報道的方法主要由化學氧化處理碳納米管、蠟燭灰、天然氣灰等；電化學氧化處理碳納米管、石墨等;激光轟擊石墨;熱力學氧化有機物前驅體。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雜的處理程序、昂貴的試劑，產率較低，分離較難等等，所以碳量子點的制備方法還有待進一步改進和優化。基于此，探索一種簡單、有效、大規模合成熒光碳納米顆粒的方法，為進一步推動碳量子點的應用和研究奠定堅實的理論指導。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種蘭炭中提取碳量子點的方法，該方法操作簡單、成本低廉，制備的碳量子點產率較高。
[0005]
本發明通過如下技術方案來實現:
a、將干燥的蘭炭粉末加入到硝酸溶液中進行攪拌回流；
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上清液進行透析，收集透析袋中溶液，真空干燥后得到碳量子點。
[0006]其中步驟a所述硝酸的濃度為4?6M，優選濃度為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，回流時間為12?36 h，回流時間優選為24h0
[0009]步驟b所述自然冷卻后離心收集上清液的離心轉速為10000?15000 r/min，離心時間為30?60 min。
[0010]步驟c所述將中和后的懸濁液離心的離心轉速為10000?15000 r/min，離心時間為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上清液進行透析，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上清液進行分尚。
[0012]步驟d所述用真空干燥后得到碳量子點的溫度為60?80 °C，時間為24?48 h。
[0013]本發明采用廉價的蘭炭作為原料，通過化學氧化法從蘭炭中提取水溶性碳量子點。蘭炭是一種新型的炭素材料，具有固定炭高、比電阻高、化學活性高、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易得以外，其制備過程也比較簡單，無需特殊的試驗儀器，而且產物容易提純，所得量子點粒徑也相對均一，因此該方法特別適合于大規模生產碳量子點。通過研發簡便、低廉的化學氧化法從蘭炭中提取水溶性好、熒光性強的碳量子點。
[0014]本發明的顯著優點:
本制備方法具有原料價廉易得、成本低、實驗要求簡單、簡便且產率較高等特點。本發明方法中所制得的碳量子點還具有粒度相對均一、分散均勻、光學性能良好、水溶解性好等優點。投射電鏡照片(見圖1)表明所制備的碳量子點主要為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是碳材料;圖3的紅外光譜顯示碳量子點表面帶有大量的羥基(3430 cm—1，1650 cm—1，1580 cm—1和1390 cm—1)，這說明該碳量子點具有良好的水溶性。所制備的碳量子點具有良好的光學性質，其中包括具有明顯光學活性的熒光照片(見圖4和圖5)。
[0015]
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明具體實施例1的碳量子點的透射電鏡照片。
[0017]圖2為本發明具體實施例2的碳量子點X射線粉末衍射圖。
[0018]圖3為本發明具體實施例3的碳量子點紅外光譜圖。
[0019]圖4為本發明具體實施例4的碳量子點的紫外吸收光譜圖。
[0020]圖5為本發明具體實施例5的碳量子點熒光光譜圖和經365nm激發光源激發碳量子點水溶液前后的照片。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]為了更好地理解本發明，通過實例進一步說明，但是本發明不僅限于此。
[0023]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后10000 r/min的轉速離心，時間30 min，收集上清液，用0.5 kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在60 °C真空干燥48 h得到碳量子點。
[0024]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后15000 r/min的轉速離心，時間60 min，收集上清液，用I kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點。
[0025]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后10000 r/min的轉速離心，時間40 min，收集上清液，用3 kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在60°C真空干燥36 h得到碳量子點。
[0026]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后12000 r/min的轉速離心，時間50 min，收集上清液，用I kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點。
[0027]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后12000 r/min的轉速離心，時間30 min，收集上清液，用2 kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在80 °(:真空干燥24 h得到碳量子點。
[0028]實施例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的轉速離心，時間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，用質量分數為37 %的濃氨水溶液中和至中性并得到懸濁液，然后13000 r/min的轉速離心，時間40 min，收集上清液，用3 kDa截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在60 °(:真空干燥36 h得到碳量子點。
[0029]圖1為碳量子點的透射電鏡圖，可以看出碳量子點分散均勾，粒徑均一，約3?5nmD
[0030]圖2為碳量子點的X射線粉末衍射圖，可以看出碳量子點在24"€具有碳材料的特征峰。
[0031]圖3為碳量子點的紅外光譜圖，可以看出其表面含有豐富的羧基和羥基官能團。
[0032]圖4為碳量子點水溶液紫外吸收光譜圖，可以看出碳量子點水溶液在365nm波長處具有很強的吸收峰。
[0033]圖5為碳量子點熒光光譜圖和經365nm激發光源激發碳量子點水溶液前后的照片。發現盛有碳量子點水溶液的比色皿放置于紫外投射臺上，經365 nm激發光源激發后發出藍綠色熒光。
【主權項】
1.一種蘭炭中提取碳量子點的方法，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，回流時間為12?36 h； 2)停止回流，自然冷卻后以10000?15000r/min的轉速離心，時間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的轉速離心，時間30?60 min，收集上清液； 4)再用一種或幾種0.5?3kDa范圍內的截留分子量的透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在60?80 °(:真空干燥24?48 h得到碳量子點。
【專利摘要】本發明提供了一種蘭炭中提取碳量子點的方法。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；再用透析袋對上清液進行透析，收集透析袋中溶液，在60～80？℃真空干燥24～48？h得到碳量子點。本發明采用價格低廉、原料易得的蘭炭作為碳源，經過簡單的化學氧化、蒸發、中和、離心、透析處理過程即可得碳量子點。該碳量子點粒徑為3～5？nm，分散均勻，其表面帶有大量的羧基和羥基，表現出較好的熒光性質。
【IPC分類】C01B31/02, C09K11/65, B82Y40/00, B82Y30/00
【公開號】CN105621391
【申請號】CN201610010552
【發明人】孫志鵬, 賈殿贈, 劉浪, 惠蘭
【申請人】新疆大學
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年1月8日