[发明专利]一种可调荧光波长的氮、硫共掺碳量子点制备方法

说明书

本发明公开一种可调荧光波长的氮、硫共掺碳量子点制备方法，属于碳量子点技术领域。本发明按照一定比例取左旋谷氨酸与蛋氨酸在玛瑙器皿中碾磨混合均匀后，平铺于烧杯底部，然后匀速升温至200～300℃，并在此温度范围加热反应5～20min得到反应产物A；将反应产物A冷却至室温，再将钝化剂加入到反应产物A中混合均匀得到混合溶液B；将混合溶液B在200～300℃条件下加热反应2～10min得到混合溶液C；将混合溶液C冷却至室温，进行离心处理，静置后经透析袋透析除去未反应的原料和杂质，得到氮、硫共掺的荧光碳量子点。本发明的制备工艺简单可控，通过改变制备条件或钝化剂即可调控碳量子点的荧光波长，使之覆盖绿光、黄光和红光波段，以满足实际应用的需求。

技术领域

本发明涉及一种可调荧光波长的氮、硫共掺碳量子点制备方法，属于碳量子点技术领域。

背景技术

碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)是2004年发现的碳纳米材料，是纳米材料新秀，它具有优越的荧光特性，独特的化学、电子和光学性质。与传统的染料分子和半导体量子点相比，它不仅有良好的耐光性和闪烁光漂白性能，还具有毒性低、成本低、生物相容性和光稳定性好等重要特点。因此，CQDs可广泛应用于光电子器件、能量转换、光催化、传感器、生物成像、细胞标记和药物传递等诸多领域，而且应用潜力巨大、前景广阔，倍受学术界和产业界关注，相关的研究及应用也迅速成为充满生机并高速发展的新领域。

目前已有多种方法能制备荧光碳量子点，如电化学氧化法、水热切割法和碳化有机物等。其中热解有机物合成碳量子点是将有机物小分子热解碳化而成碳量子点，因而这类方法可以通过控制反应条件实现碳量子点的尺寸可控制备，使碳量子点可以规模化生产并人为可控。然而，现有技术中采用生物质或有机物为碳源合成的碳量子点杂质较多，通常情况下所获得的碳量子点荧光量子产率低于50％，分离提纯困难，导致碳量子点生产成本增加。此外，其荧光发射波长多数集中于蓝绿光波段，极大地限制了碳量子点的应用范围。

实验和理论研究已经证实，碳量子点的掺杂和表面/边缘修饰能够有效地改善碳量子点的光电性能。碳量子点掺杂主要是指将氮、硫、磷等杂质原子掺入碳量子点碳核区域的石墨烯骨架中，掺杂后的碳量子点禁带中将出现表面及边缘态能级，这类似于半导体的杂质能级，它们的存在导致碳量子点的荧光特性、反应活性、催化性能等物理化学性质显著变化。因此，常用钝化剂来分散碳量子点，使碳量子点边缘吸附大量的与钝化剂对应的基团，从而改变碳量子点荧光性能，使其荧光波长不随激发波长而变化，即碳量子点荧光与激励无关。此外，通过对碳量子点边缘进行钝化，能有效诱导碳量子点导带中的电子，增加碳量子点的表面能，防止因碳量子点由于团聚而造成的荧光衰减甚至淬灭，从而增强碳量子点荧光性能和稳定性，延长碳量子点的保存时间，以满足实际应用的需求。

比如，通过含氨剂对碳量子点进行掺杂，在碳量子点边缘引入氨基或在碳量子点的sp²区域以氮原子掺杂的形式引入吡啶氮、吡咯氮和石墨氮(包括C₃-N和C₂-N-H)，所得到的氮掺杂碳量子点呈现出较高的荧光量子产率或光催化活性；以聚乙烯醇为碳源，通过浓硫酸脱水碳化以及洗涤、提纯工艺得到硫掺杂碳量子点；将吩噻嗪、亚硝酸钠、二氯甲烷和乙酸混合，发生硝化反应，得到3,7-二硝基吩噻嗪；将3,7-二硝基吩噻嗪和碱液混合，依次进行水热反应，透析，得到硫、氮共掺的碳量子点；以葡萄糖为碳源，DL-高半胱氨酸为氮、硫杂质源，制备出氮、硫共掺碳量子点；以富含多种植物蛋白的植物果为原料，通过在反应釜中进行水热反应，制备出氮、硫共掺碳量子点。目前，制备掺杂碳量子点的方法众多，但依然存在两个关键问题：(1)由于常规的水热法碳化导致反应溶液中残留大量高溶解度的掺杂，最终导致碳量子点中的掺杂浓度较低；(2)用碳源、氮源、硫源等多种原料的混合物为前驱体，实现碳量子点掺杂，制备成本昂贵，制备过程复杂，杂质多，不易于规模化生产制备，因而目前有效的原子掺杂方法报道甚少。所以有必要开发简便高效、低成本和高产率制备性能优良的掺杂荧光碳量子点的方法。

发明内容