本發明屬化工、材料及光子學交叉研究領域，涉及一種生物質氮摻雜熒光碳點的制備方法。
背景技術：
碳元素因其獨特的結構和優異的物理性質，一直都是物理學、材料科學以及電子技術領域研究人員關注的焦點。富勒烯(fullerene)、碳納米管(carbon nanotube)、石墨烯的發現，都曾引起科學家的極大興趣。熒光碳點，又稱碳量子點或者碳納米點，是近年來出現的一類新型熒光納米材料。在光學性能方面，熒光碳點具有同傳統半導體量子點相比擬的優點，如激發光譜寬且連續、熒光穩定性高、熒光波長可調等，在生物檢測與光電器件等領域具有廣闊的應用前景。此外，由于熒光碳點的主要元素組成為碳、氫、氧、氮等，具有良好的生物相容性，是最有望在疾病檢測上實現應用的熒光納米材料，因此引起了越來越多研究者的關注。目前國內外熒光碳點的研究重點主要集中在尋找更快捷、簡便的制備方法及如何有效利用碳量子點的熒光特性兩方面。
生物質材料是指由動物、植物及微生物等生命體衍生得到的材料、主要由有機高分子物質組成，在化學成分上生物質材料主要由碳、氫、氧三種元素組成、由于是動物、植物及微生物等生命體衍生得到，未經化學修飾的生物質材料容易被自然界微生物降解為水、二氧化碳和其他小分子，其產物能再次進入自然界循環，因此生物質材料具備可再生和可生物降解的重要特性。隨著綠色化學和可持續化學技術發展的推動，以生物質材料作為前驅體制備熒光碳點，近年來逐漸成為人們關注和研究的焦點。已有的文獻報道中，許多生活中常見的生物質材料，如蔗糖、淀粉、雞蛋膜、橘子皮、咖啡、橙汁、牛奶等，均能夠經過特定的化學處理(水熱、微波等)后從產物中分離得到具有熒光特性的熒光碳點。
牛奶是一種常見的生物質材料，含有豐富的蛋白質和碳水化合物。Wang和Zhou等人在發表的文章中報道，將牛奶經180℃水熱處理兩小時，能夠得到了平均粒徑尺寸3nm的氮摻雜碳基量子點(參見Analytical chemistry,2014,86,8902-8905)；本申請的發明人參與發表的文章中，提出以牛奶為前驅體經微波加熱處理能夠得到氮摻雜熒光碳點(參見RSC Advances,2016,6,41516-41521)。然而現有研究中牛奶作為前驅體制備熒光碳點的方法存在以下問題：①水熱法制備熒光碳點需在大于180℃條件維持兩小時以上的反應，使得材料制備能耗較大且對反應器要求高；②微波加熱處理牛奶獲得熒光碳點的產率低，材料制備反應過程放大困難；③不具有低成本規模化生產熒光碳點的條件。
技術實現要素：
本發明旨在提供一種生物質氮摻雜熒光碳點的制備方法，在本發明中，將牛奶置于釜式反應器中，通過加入堿性溶液之后使牛奶中大分子的蛋白質水解為小分子的多肽和氨基酸，利用加熱條件下堿性溶液中多肽和牛奶中還原性堂的快速美拉德反應，經透析袋和冷凍干燥聯合處理獲得氮摻雜碳點的熒光碳點的固體粉末材料。本發明的方法以生物質材料牛奶為前驅體，降低了氮摻雜熒光碳點制備過程中的反應溫度、縮短了反應時間，有望實現氮摻雜熒光碳點的低成本、規模化生產。
本發明采用的技術方案為一種生物質氮摻雜熒光碳點的制備方法，該方法包括如下步驟：
步驟1將牛奶置于釜式反應器中，之后加入堿性溶液使牛奶中蛋白質水解；
步驟2將牛奶與堿性溶液的混合溶液攪拌加熱至100℃～120℃反應20～40分鐘，得到含有氮摻雜熒光碳點分散液；
步驟3利用透析袋和冷凍干燥聯合處理獲得氮摻雜碳點的熒光碳點的固體粉末材料。
步驟1中的牛奶為普通牛奶或低脂牛奶或脫脂牛奶。
步驟1中中堿性溶液為堿性化合物水溶液，優選地，堿性溶液為氨水或氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液。
步驟1中牛奶加入堿性溶液后混合溶液的pH值為13-14，使牛奶中蛋白質水解所需時間為10-60分鐘。
步驟2中混合溶液的攪拌速度為100rpm～1000rpm，加熱時間為20～60分鐘，離心分離除去溶液中難分散的團聚物的離心速度為3000rpm-10000rpm。
利用透析袋除去混合溶液中的小分子，步驟3)中透析袋截留分子量為3500～10000道爾頓。
步驟3)中透析時間為24～72小時。
利用冷凍干燥除去混合溶液中的水，獲得氮摻雜熒光碳點粉末，優選地，步驟3)中冷凍干燥的預凍溫度為-40℃～-50℃左右。
步驟3)中預凍時間為1～3小時。
步驟3)中干燥時間為15-30小時。
一種由上述方法制備的生物質氮摻雜熒光碳點，粒徑為2nm-10nm，熒光激發波長為200nm-400nm，熒光發射波長為400nm-500nm。
與現有技術相比較，本發明具有如下有益效果。
本發明利用牛奶作為前驅體制備，利用堿性條件下蛋白質水解，通過堿性加熱條件下多肽/氨基酸分子與還原性糖的快速反應，制備氮摻雜熒光碳點。和現有生物質熒光碳點的制備方法相比，降低了氮摻雜熒光碳點制備過程中的反應溫度、縮短了反應時間，有望實現氮摻雜熒光碳點的低成本、規模化生產。本發明制備的氮摻雜熒光碳點粒徑為1-10nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長為400-500nm。
具體實施方式
下面結合具體實施方式，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。
實施例1
將市售的普通牛奶置于釜式反應器中，加入氨水溶液調節溶液pH至14并保持30分鐘，隨后將混合溶液在500rpm速度下攪拌加熱至120℃反應30分鐘，再離心速率6000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為6000道爾頓的透析袋透析48小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-50℃條件下預凍1小時，隨后干燥24小時，獲得平均粒徑為4nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例2
將市售的普通牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鈉溶液調節溶液pH至13并保持10分鐘，隨后將混合溶液在100rpm速度下攪拌加熱至100℃反應20分鐘，再離心速率3000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為3500道爾頓的透析袋透析48小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-40℃條件下預凍1小時，隨后干燥15小時，獲得平均粒徑為2nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例3
將市售的普通牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鉀溶液調節溶液pH至14并保持60分鐘，隨后將混合溶液在1000rpm速度下攪拌加熱至120℃反應60分鐘，再離心速率10000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為10000道爾頓的透析袋透析72小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-40℃條件下預凍3小時，隨后干燥30小時，獲得平均粒徑為8nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例4
將市售的普通牛奶置于釜式反應器中，加入氨水溶液調節溶液pH至13并保持50分鐘，隨后將混合溶液在800rpm速度下攪拌加熱至110℃反應40分鐘，再離心速率8000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為8000道爾頓的透析袋透析48小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-45℃條件下預凍2小時，隨后干燥25小時，獲得平均粒徑為6nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例5
將市售的低脂牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鈉溶液調節溶液pH至13并保持30分鐘，隨后將混合溶液在100rpm速度下攪拌加熱至120℃反應30分鐘，再離心速率3000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為3500道爾頓的透析袋透析72小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-50℃條件下預凍2小時，隨后干燥30小時，獲得平均粒徑為5nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例6
將市售的低脂牛奶置于釜式反應器中，加入氨水溶液調節溶液pH至14并保持10分鐘，隨后將混合溶液在1000rpm速度下攪拌加熱至100℃反應20分鐘，再離心速率10000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為10000道爾頓的透析袋透析24小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-40℃條件下預凍1小時，隨后干燥15小時，獲得平均粒徑為10nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例7
將市售的低脂牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鉀溶液調節溶液pH至13并保持60分鐘，隨后將混合溶液在500rpm速度下攪拌加熱至110℃反應60分鐘，再離心速率7000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為7000道爾頓的透析袋透析48小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-45℃條件下預凍3小時，隨后干燥25小時，獲得平均粒徑為3nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例8
將市售的低脂牛奶置于釜式反應器中，加入氨水溶液調節溶液pH至14并保持60分鐘，隨后將混合溶液在1000rpm速度下攪拌加熱至110℃反應60分鐘，再離心速率10000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為3500道爾頓的透析袋透析36小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-50℃條件下預凍3小時，隨后干燥30小時，獲得平均粒徑為2nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例9
將市售的脫脂牛奶置于釜式反應器中，加入氨水溶液調節溶液pH至14并保持60分鐘，隨后將混合溶液在100rpm速度下攪拌加熱至100℃反應60分鐘，再離心速率10000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為10000道爾頓的透析袋透析36小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-40℃條件下預凍1小時，隨后干燥15小時，獲得平均粒徑為10nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例10
將市售的脫脂牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鈉溶液調節溶液pH至13并保持10分鐘，隨后將混合溶液在1000rpm速度下攪拌加熱至120℃反應20分鐘，再離心速率3000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為3500道爾頓的透析袋透析24小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-50℃條件下預凍3小時，隨后干燥30小時，獲得平均粒徑為5nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例11
將市售的脫脂牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鉀溶液調節溶液pH至13并保持30分鐘，隨后將混合溶液在500rpm速度下攪拌加熱至110℃反應30分鐘，再離心速率6000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為8000道爾頓的透析袋透析72小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-45℃條件下預凍2小時，隨后干燥20小時，獲得平均粒徑為2nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。
實施例12
將市售的脫脂牛奶置于釜式反應器中，加入氫氧化鈉溶液調節溶液pH至14并保持40分鐘，隨后將混合溶液在600rpm速度下攪拌加熱至110℃反應40分鐘，再離心速率5000rpm條件下除去難分散的團聚物雜質，獲得含氮摻雜熒光碳點的分散液，使用截留分子量為5000道爾頓的透析袋透析36小時，除去分散液中小分子雜質，利用冷凍干燥方法在預凍溫度-40℃條件下預凍2小時，隨后干燥30小時，獲得平均粒徑為7nm，熒光激發波長為200-400nm，熒光發射波長400-500nm的氮摻雜熒光碳點。