[发明专利]一种碳量子点及其绿色制备方法及应用

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳量子点及其绿色制备方法及应用，本发明的制备方法将天然高分子碳水化合物或其衍生物溶于水，然后与稀酸水溶液或者稀碱水溶液进行混合，加热并搅拌，得到混合溶液；将得到的混合溶液在高压釜中密封加热保温，得到分散液；将得到的分散液进行超声分散和离心分离，收集得到上层溶液；所述上层溶液即为可使用的碳量子点溶液。本发明制备方法简单，设备要求低，易于规模化生产，整个过程未使用到有机溶剂，不产生污染，制备的碳量子点可应用于细胞标记、光学成像、药物输送和生物传感等领域。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳量子点及其绿色制备方法及应用。

背景技术

碳量子点(CQDs，Carbon quantum dots)是小粒径的碳纳米粒子，具有强光致发光性能，良好的稳定性和生物相容性，相较于传统的半导体量子点，具有很强的安全性，已经在生物医学领域得到广泛应用，例如细胞标记、光学成像、药物输送和生物传感等，还可应用于发光二极管、光引发和光催化等领域。

CQDs的合成方法通常分为两类，即“自上而下”法和“自下而上”法。“自上而下”法是通过电弧放电、激光烧蚀、电化学氧化、或化学刻蚀的方法分解较大的碳材料，如，纳米金刚石、石墨、碳纳米管、碳黑、活性炭和氧化石墨等，从而获得小粒径的CQDs。CQDs最早就是从电弧放电的烟灰中发现的，然而电弧放电和激光烧蚀的方法需要较高的能耗，对设备具有较高的要求，因而制备成本较高，不适于大规模生产。电化学法是合成CQDs的有效技术，它是指在电解池中，通过让CQDs的前驱体物质在碱性或者酸性的环境中，在电场的作用下碳化从而形成CQDs。然而这种技术需要相对复杂的设备，制备效率较低，从而限制了其大规模应用。化学刻蚀的方法一般是指使用浓酸或者浓碱对大块的碳材料，如石墨、碳纳米管或活性炭等进行剥离，再经过中和、透析分离等方法获得CQDs的方法。在这种方法中使用了大量的浓酸或浓碱，具有较大的安全风险，以及原料和设备成本。

另一方面，“自下而上”的方法是指以柠檬酸盐、碳水化合物和聚合物等含碳物质为CQDs的前驱体物质，通过燃烧、加热和微波等处理方法合成CQDs的方法。然而在一些制备方法的过程中使用大量浓硫酸和浓硝酸等强酸，以及双氧水等强氧化性物质，在合成过程中可能产生有毒气体如NO₂和N₂O₄等，或在制备的过程中使用大量的有机溶剂，存在安全风险和环境污染问题。加之用于合成CQDs的前驱体物质，如石墨烯、碳纳米管、氧化石墨烯纳米片等，原料的成本较高，并且在制备过程中需要复杂的后处理过程，如必须通过重复洗涤和缓慢透析以除去酸碱残余物和金属杂质，制作工艺复杂，原料成本和制作成本较高，不适于大规模生产应用。

综上，现有技术存在的问题是，第一，CQDs生产用设备复杂，成本高，第二，制备过程中用到浓硫酸和浓硝酸等强酸，存在安全风险和环境污染问题。

发明内容

本发明提供的一种碳量子点及其绿色制备方法及应用，解决了现有技术中CQDs生产用设备复杂，成本高；制备过程中用到浓硫酸和浓硝酸等强酸，存在安全风险和环境污染的问题。

本发明提供了一种碳量子点的绿色制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将制备原料溶于水，然后与反应试剂进行混合，加热并搅拌，得到混合溶液；所述制备原料为天然高分子碳水化合物或其衍生物；所述反应试剂为稀酸水溶液或者稀碱水溶液；

步骤2，将步骤1得到的混合溶液在高压釜中密封加热保温，得到分散液；

步骤3，将步骤2得到的分散液进行超声分散和离心分离，收集得到上层溶液；所述上层溶液即为可使用的碳量子点溶液。

优选的，所述天然高分子碳水化合物或其衍生物为可溶性淀粉、木质素、纤维素、甲壳素、壳聚糖、羧甲基纤维素、羧乙基纤维素、甲基纤维素和乙基纤维素中的一种或多种的混合物。