[发明专利]一种快速简便高量子产率的木质素基碳量子点的制备方法

说明书

本发明属于荧光碳量子点制备领域，公开了一种快速简便高量子产率的木质素基碳量子点的制备方法。该方法首先将改性木质素和有机酸组成的碳源与由含氮试剂组成的氮源混合加入到溶剂中得到混合溶液，然后将混合溶液超声处理，最后将所述混合溶液进行微波加热一段时间后制得含氮碳量子点混合溶液。反应结束后，将混合液经过离心，过滤，透析，冷冻干燥等过程得到碳量子点粉末。通过调节pH值，使其表面基团质子化或者去质子化，从而获得发蓝光、绿光的荧光碳量子点。氮原子掺杂可稳定碳量子点表面缺陷，提高辐射跃迁机率，增强光致发光性能，从而得到相对量子产率高达70.77％的木质素基碳量子点。

技术领域

本发明属于荧光碳量子点制备领域，特别涉及一种快速简便高量子产率的木质素基碳量子点的制备方法。

背景技术

碳量子点是尺寸在10nm以下的一种新型荧光纳米颗粒，属于零维碳纳米材料，具有优异的光致发光性能。碳量子点以其特有的纳米级结构，具有很多不同于传统金属量子点的优良性能，如化学稳定性优异，光稳定性和抗光漂白性良好，水溶性优异，细胞毒性低，生物相容性好等，在生物成像，药物传递，体内离子检测等生物医药方向具有潜在的应用价值。自从2004年Xu等人在实验中偶然制得碳量子点之后，短短十余年时间里，碳量子点的研究发展十分迅速，并逐步取代传统重金属量子点。碳量子点的制备方法主要分成两类：自上而下法和自下而上法。自上而下是基于通过物理或化学方法将大块碳材料破碎成小块的碳纳米粒子，具体有电弧放电法，激光烧蚀法，电化学合成法等。自下而上法是使用选定的分子前体，在脱水和碳化过程中形成CQD，具体有热氧化法，水热合成法，微波合成法等。

目前制备碳量子点采用最多的是水热合成法，以有机物前驱体为原料，大都需要在180℃及以上的高温下，水热反应超过5h才能制得。而其他的制备方法如电弧放电法，激光烧蚀法，电化学合成法，热氧化法等也都存在合成条件复杂，制备过程繁复昂贵，产物难以收集，尺寸不均一，荧光效果不佳等问题。此外，目前许多合成的碳量子点材料其荧光量子产率多在40-50％，荧光强度较弱，不利于批量生产，影响了碳量子点的应用。因此，微波合成制备的方法表现出简单快捷的优点，引起了研究人员的关注。Feng等人以蚕蛹粉末为前驱体，在水溶液中通过微波法快速反应，得到了蓝色荧光的碳量子点，相对荧光量子产率为46％。Liu等人采用牛血清蛋白和尿素为前驱体，在水溶液中通过微波制备了含氮碳量子点，具有优异的上转换荧光性能，可作为多功能的酸碱度和温度荧光纳米传感器。Zhang等人以乙二胺和柠檬酸为前驱体，超声处理成溶液，微波反应制备碳量子点，具有较好的荧光强度。但是这些方法普遍存在原料成本高或者不易获得，制备成本高等缺点，需要寻求一种新的碳量子点原料及制备方法。

木质素是含有芳香环结构的天然高分子聚合物，在自然界中储量丰富，仅次于纤维素。目前工业木质素主要来源于造纸黑液，全球产量逾1.5亿吨，来源广泛，造价低廉，可循环再生，是制备碳量子点的理想碳源。木质素具有丰富的酚类结构单元，有利于接枝基团和原子掺杂改性，以获得优良荧光特性。Chen等人利用木质素和过氧化氢混合溶液在180℃下水热40min，制得的木质素基碳量子点荧光强度较弱，荧光量子产率仅2.3％；Liao等人将木质素和CON₂H₄混合溶液在200℃下水热7h，制得木质素基碳量子点荧光量子产率也仅为2.8％；Ding等人利用浓硝酸将碱木质素超声氧化12h制备木质素基碳量子点，荧光量子产率为21％，产量也为21％。这些方法普遍存在反应时间较长，反应条件高温，原料成本高，荧光量子产率低等缺点，亟需一种新的木质素基碳量子点的制备方法。本发明选用来源广泛，廉价易得的天然生物质木质素作为前驱物，简便快速大规模制备了水溶性好，光稳定性强，生物相容性好的碳量子点，并且有望应用于生物成像和荧光探针。因此利用微波法快速简便地大批量制备可发蓝绿光及高量子产率的木质素碳基量子点具有重要的实用价值。

发明内容