一種硫摻雜的碳量子點及其製備方法和應用與流程

2023-05-16 23:35:12

本發明涉及納米發光材料領域，尤其涉及一種硫摻雜的碳量子點及其製備方法和應用。

背景技術：

碳量子點是2004年由美國克萊蒙森大學的科學家們發現，與傳統的半導體量子點相比，碳量子點具有諸多其他螢光材料無法比擬的優點，如抗光漂白性強、水溶性好、螢光發射可調、原料來源廣、易於製備等優點，使其在金屬離子檢測、細胞成像﹑生物傳感﹑藥物載體、光催化等方面擁有極大的應用前景。

通過對碳量子點摻雜氮、硫等元素可以得到一些具有新穎功能的碳量子點。如2015年李能等人報導了一種可用於三價鐵離子檢測的銅、氮摻雜的碳量子點。硫元素與汞金屬離子有較強的配位作用，含巰基的半胱氨酸與這些金屬元素同樣有較強的配位能力，然而半胱氨酸水溶性差，不能用螢光的方法簡便快捷的進行金屬離子檢測等問題，能否製備出一種含有巰基且能夠利用螢光特性實現快速鑑別這些金屬元素的碳量子點成為了一個有待解決的問題。

鑑於上述缺陷，本發明創作者經過長時間的研究和實踐終於獲得了本發明。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明採用的技術方案在於，一方面，提供一種硫摻雜的碳量子點的製備方法，包括以下步驟：(1)將半胱氨酸鹽酸鹽加入到水中進行超聲溶解，得到溶液A；(2)將所述溶液A在水熱反應釜中反應，反應時間為4-12h,自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；(3)將所述溶液B用微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用透析袋進行透析，得到溶液C；(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

進一步，所述步驟(3)中，透析時間為1-2天。

進一步，各步驟中的參數符合下列關係：

式中：100≤b≤300，180≤T≤250，500≤N≤1500，η表示碳量子點的純度，b表示微孔過濾膜的孔徑，T表示水熱反應的溫度，N表示透析袋的截留分子量。

另一方面，提供一種如上述所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法製得的硫摻雜的碳量子點。

進一步，所述的硫摻雜的碳量子點在重金屬汙染中Hg2+檢測的應用。

與現有技術比較本發明的有益效果在於：1、本發明的製備方法，使用半胱氨酸鹽酸鹽作為碳源和硫源，通過水熱法製備出硫摻雜的碳量子點，不僅合成方法簡單、原料廉價易得，而且合成的硫摻雜的碳量子點能夠發射藍色螢光；2、製備的硫摻雜的碳量子點的形貌呈球形分布，粒徑大小均一，無明顯的聚集現象；3、製備的硫摻雜的碳量子點含有高度無序的無定形碳特徵，證明了硫摻雜的碳量子點具有類似於石墨的結構；4、低濃度的Hg2+會導致硫摻雜的碳量子點的螢光強度嚴重減弱，利用硫摻雜的碳量子點中的巰基與Hg2+配位後螢光猝滅的特性進行，進行汙染物中重金屬Hg2+的檢測，不僅檢測快速，而且靈敏度高。

附圖說明

圖1為本發明製備得到的硫摻雜的碳量子點水溶液在日光燈和紫外燈照射下的圖片；

圖2為本發明製備得到的硫摻雜的碳量子點的TEM圖；

圖3為本發明製備得到的硫摻雜的碳量子點的XRD圖；

圖4為本發明不同金屬離子對硫摻雜的碳量子點的螢光強度的影響。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明上述的和另外的技術特徵和優點作更詳細的說明。

實施例一

一種硫摻雜的碳量子點的製備方法，包括以下步驟：

(1)將0.5g的半胱氨酸鹽酸鹽加入到20mL的去離子水中超聲溶解15min，得到溶液A；

(2)將所述溶液A轉移至水熱反應釜中，在180℃下反應4小時，自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；

(3)將所述溶液B用220nm的微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用截留分子量為500的透析袋進行透析，透析時間為2天，得到溶液C；

(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品配置成水溶液，用紫外燈進行照射，如圖1所示，左圖為日光燈下照射得到的圖片，右圖為紫外燈下照射得到的圖片，從圖1可以看出，製備出的硫摻雜的碳量子點，能發射出穩定的藍色螢光。

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品配置成水溶液進行螢光檢測，試驗表明，製備的硫摻雜的碳量子點其最佳激發波長為370nm，最佳發射波長為440nm，440nm波長下為藍光發射，製備的硫摻雜的碳量子點與半胱氨酸相比有較好的水溶性，這更利於後續在重金屬汙染檢測方面的應用。

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品配置成水溶液，進行元素含量的測定，如下表，從表格上可以看出，C元素和S元素的含量都較多，硫摻雜的碳量子點中的巰基可用於後續Hg2+的檢測。

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品用於TEM檢測，如圖2所示，製備的硫摻雜的碳量子點的形貌呈球形分布，粒徑大小均一，無明顯的聚集現象。

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品用於XRD檢測，如圖3所示，製備的硫摻雜的碳量子點在2θ＝23°處有一明顯的寬化峰，該峰對應於碳的(002)晶面，說明高度無序的無定形碳特徵，證明了硫摻雜的碳量子點具有類似於石墨的結構。

本發明的製備方法，使用半胱氨酸鹽酸鹽作為碳源和硫源，通過水熱法製備出硫摻雜的碳量子點，不僅合成方法簡單、原料廉價易得，而且合成的硫摻雜的碳量子點能夠發射藍色螢光。

實施例二

如上所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法，本實施例與其不同之處在於，包括以下步驟：

(1)將0.5g的半胱氨酸鹽酸鹽加入到20mL的去離子水中超聲溶解20min，得到溶液A；

(2)將所述溶液A轉移至水熱反應釜中，在200℃下反應6小時，自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；

(3)將所述溶液B用150nm的微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用截留分子量為700的透析袋進行透析，透析時間為1天，得到溶液C；

(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

實施例三

如上所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法，本實施例與其不同之處在於，包括以下步驟：

(1)將0.5g的半胱氨酸鹽酸鹽加入到20mL的去離子水中超聲溶解20min，得到溶液A；

(2)將所述溶液A轉移至水熱反應釜中，在230℃下反應10小時，自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；

(3)將所述溶液B用200nm的微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用截留分子量為1000的透析袋進行透析，透析時間為2天，得到溶液C；

(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

實施例四

如上所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法，本實施例與其不同之處在於，包括以下步驟：

(1)將1g的半胱氨酸鹽酸鹽加入到20mL的去離子水中超聲溶解15min，得到溶液A；

(2)將所述溶液A轉移至水熱反應釜中，在250℃下反應12小時，自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；

(3)將所述溶液B用250nm的微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用截留分子量為800的透析袋進行透析，透析時間為2天，得到溶液C；

(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

實施例五

如上所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法，本實施例與其不同之處在於，包括以下步驟：

(1)將1g的半胱氨酸鹽酸鹽加入到20mL的去離子水中超聲溶解20min，得到溶液A；

(2)將所述溶液A轉移至水熱反應釜中，在220℃下反應12小時，自然冷卻到室溫，得到黃色溶液B；

(3)將所述溶液B用225nm的微孔過濾膜過濾，將過濾所得的溶液用截留分子量為1000的透析袋進行透析，透析時間為2天，得到溶液C；

(4)將所述溶液C進行冷凍乾燥後，得到產物D。

實施例六

如實施例一至實施例五中所述的硫摻雜的碳量子點的製備方法，各步驟中的參數符合下列關係時，碳量子點的純度能夠達到70％-90％，關係式如下：

式中：100≤b≤300，180≤T≤250，500≤N≤1500，η表示碳量子點的純度，b表示微孔過濾膜的孔徑(nm)，T表示水熱反應的溫度(℃)，N表示透析袋的截留分子量。

由於碳量子點的純度受多種因素影響，如：微孔過濾膜的孔徑，水熱反應的溫度以及透析袋的截留分子量，每一個因素的影響，都會對碳量子點的純度造成很大的影響，而且，為了得到純度較高的產品，需不斷改變實現條件，得到產品，再通過實驗的測試，最終才能計算出產品的純度，需要反覆多次的實驗來確定，測試過程複雜，浪費了人力、物力、時間和資源，而本發明中，通過以上公式，只需要確定各影響因素的條件，就可以計算出碳量子點的純度，不僅節約時間，而且計算精準。

實施例七

將實施例一製備的硫摻雜的碳量子點樣品配置成水溶液備用，同時配置一系列濃度梯度的金屬鹽溶液，金屬鹽溶液中還有Cd2+、Al3+、Mg2+、Ca2+、Zn2+、Ba2+、Pb2+、Co2+和Hg2+，在配置的所述金屬鹽溶液中分別加入等量的硫摻雜的碳量子點溶液，混合均勻，在相同測試條件下測試其螢光強度，如圖1所示，從圖4上可以看出，低濃度的Hg2+會導致硫摻雜的碳量子點的螢光強度嚴重減弱，而其他金屬離子在相同濃度下均不會使其螢光強度發生明顯變化。

本實施例中，利用硫摻雜的碳量子點中的巰基與Hg2+配位後螢光猝滅的特性進行，進行汙染物中重金屬Hg2+的檢測，不僅檢測快速，而且靈敏度高。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為本發明的保護範圍。