[发明专利]一种锌掺杂碳量子点、其制备方法及其在检测领域的应用

说明书

本发明提供了一种锌掺杂碳量子点、其制备方法及其在检测领域的应用，这是首次通过绿色、简易的一步水热法掺杂锌元素得到较高量子产率的碳量子点，荧光量子产率高，可达63％。制备方法具体包括：将碳源和锌源溶解得到前驱体溶液，置于水热反应釜中反应，待合成产物自然冷却后进行分离得到溶液，干燥，得到高荧光量子产率的锌掺杂碳量子点。本方法所需原料极少，中间产物和副产物少，反应速度快，经济且环保。该锌掺杂碳量子点发光强度高，可达5.8×10⁵，作为荧光探针在生物医学检测具有广阔的应用前景，可对双氧水和葡萄糖进行痕量和定量分析检测。

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及一种锌掺杂碳量子点、其制备方法及其应用，尤其涉及一种具有高荧光量子产率和发光强度的锌掺杂碳量子点、其制备方法及其在检测领域的应用。

背景技术

碳元素含量丰富，是地球上所有已知生命的基础，2004年Scrivens等首次在提纯电弧放电法制备单壁碳纳米管时，意外分离出了碳量子点，开拓了新型荧光敏感材料的新纪元。碳点的研究迅速得到发展。发光碳点(Carbon dots，CDs)是以碳为骨架结构的尺寸小于10nm的类球形的纳米颗粒。荧光碳点是继富勒烯、碳纳米管及石墨烯之后最热门的碳纳米材料之一。

作为一种新型的荧光纳米材料，这种纳米材料克服了传统量子点的某些缺点，具有优良的光学性能、小尺寸特性、原材料来源广泛、毒性低及生物相容性好的优点。在生化传感、成像分析、环境检测、光催化技术及药物载体等领域具有很好的应用潜力。此外，碳点还具有制备简单、成本低及容易实现大规模生产等优点，因此，碳点在细胞标记、细胞成像、医疗诊断和分析检测等领域有着广阔的应用前景。因此碳点一问世，就备受关注。

碳元素的单质和化合物种类繁多，在碳量子点的制备方向，可以采用不同的碳单质及化合物作为碳源制备出性能各异的荧光碳点。碳点的合成方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两种途径，“自上而下”制备碳量子点的方法往往存在以下缺点：要求特殊的设备，产率低，破坏晶格，非选择性的化学切割往往不能够控制碳量子点的尺寸和形貌。而“自下而上”方法是从小分子反应生成碳量子点的，可以得到尺寸可控的、性能优越的碳量子点。“自下而上”方法主要包括水热法、微波法和高温热解碳化法等，其中，水热法具有简单快捷、条件易控的优点，应用较为成熟，但仍存在制备的碳量子点的荧光量子产率低的缺点，这在一定程度上限制了碳量子点的应用。

近年来，研究者们为了得到性能更优越的碳量子点，对碳量子点进行了表面修饰或元素掺杂，研究主要集中在采用硫、氮或硒等非金属元素对碳量子点进行掺杂，而关于金属元素掺杂制备高量子产率的碳量子点的报道很少，CN 105219384 A公开了一种锌离子掺杂的黄色荧光碳量子点的制备方法，采用锌源、碳源、钝化剂和有机溶剂在水热釜中反应，经离心，取上清液，旋蒸或烘干得固体粉末，固体超声溶于水后再经透析膜透析，获得碳量子点水溶液，得到的锌离子掺杂的黄色荧光碳量子点为无定型结构，具有激发不依赖的特性，荧光发射主峰在560～590nm，荧光寿命在5～10ns，直径在2～6nm，量子产率在35～50％之间，该量子点能稳定地发射黄色荧光，但是，该方法属于溶剂热法，必须通过使用锌源、碳源、钝化剂和特定的有机溶剂配合反应才能制备得到所述碳量子点，对有机溶剂的选择依赖性大，必须使用甲苯、二甲基亚砜或N，N-二甲基甲酰胺中的一种作为溶剂，这些有机溶剂，对人体危害大，制备和使用过程中都会对环境造成不利影响，有机溶剂的使用以及四种原料的使用会增加碳量子点的成本，且产物的水溶性差。

上述溶剂热法制备过程中有机溶剂的使用不仅危害环境而且增加了碳量子点的成本，水热法相对于溶剂热法具有绿色环保、制备成本低廉的优点，而现有技术中还没有公开水热法制备水溶性好、发光强度高、荧光量子产率高的锌掺杂碳量子点的研究，其研究具有重要意义和实际应用价值。

发明内容