水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法與流程
2023-05-07 20:06:26 1
本發明涉及納米材料的製備領域。更具體地說，本發明涉及一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法。
背景技術：
近年來，螢光碳納米材料因其具有良好的光學特性和細胞低毒性引起了科研工作者們的廣泛研究。它具有較好的光穩定性，且無毒副離子的存在，適用於長時間的檢測和示蹤的實驗，在生物標記和分析檢測等方面具有廣闊的應用前景。碳量子點(cqds)呈現出的親水性、低細胞毒性、化學及光穩定性等優異性質，使其在化學、生物醫學、傳感學及光電子學領域得到了廣泛的關注與應用。
碳量子點的製備方法目前主要有兩種：自上而下法和自下而上法。自上而下的合成方法，即從較大的碳結構剝落製備碳納米顆粒的物理方法，再通過聚合物表面鈍化的方式使其有效發光，主要包括電弧放電、雷射剝蝕、電化學氧化、電子書輻射等。該方法往往需要嚴格的實驗條件和特殊的能源，成本高，而且獲得的碳量子產率比較低。自下而上的合成方法，即通過熱解或碳化合適的前驅物直接合成螢光碳量子點，方法包括：燃燒法、熱液碳化法、超聲法等，但這類方法所採用的往往都是不可再生能源且需要嚴格的後期處理，所以也不利於持續並規模生產螢光碳量子點。因此，尋找廉價易得、天然無毒的原料，利用簡易有效的方法快速製備性能優異且高量子產率的碳量子點顯得尤其重要。
技術實現要素：
本發明的一個目的是提供一種原料廉價易得、製備方法簡易有效、碳量子點性能好產率高的水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法。
為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將檸檬酸溶於超純水中製得前體溶液ⅰ，將對氨基苯甲醯胺溶於超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比1～10:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液進行水熱反應，即可得到水溶性氮摻雜碳量子點。
優選的是，步驟一中將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ。
優選的是，步驟一中將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ。
優選的是，步驟二中混合溶液進行水熱反應後還依次進行過濾、透析、蒸發。
優選的是，步驟二中水熱反應在恆溫環境中進行，溫度為160℃，反應時間為4h。
優選的是，步驟一中前體溶液ⅰ和前體溶液ⅱ按體積比5:1進行混合。
優選的是，步驟二中透析採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時。
優選的是，步驟二中蒸發採用恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃。
優選的是，在步驟一和步驟二之間還進行：
步驟a、將步驟一製得的混合溶液進行超聲分散，超聲波頻率為28～33khz，時間為20～35min，再將超聲處理後的混合溶液進行紅外加熱處理，升溫速度為2℃/min，終溫為54～58℃，加熱過程中在混合溶液內放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當升溫過程結束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然後以3℃/min的升溫速度將溫度上升至78～84℃，電流大小按0.02a/min的速度遞增，當到達指定溫度後，維持溫度與電流條件50min，最後以4℃/min的降溫速度和0.04a/min的電流減小速度將溫度降至室溫，也將電流降至0a，另外，在第一次保溫過程中，以100ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣，在第二次保溫過程中以80ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣。
本發明至少包括以下有益效果：
1、本發明採用一步水熱法製備出水溶性氮摻雜碳量子點，碳源豐富、廉價，製備過程簡易，製備全過程無汙染、無毒、綠色環保，可大量製備。
2、本發明製備出的水溶性氮摻雜碳量子點具有水溶性好、激發發射可調、螢光穩定、生物相容性好的優點，在生物標記、生物傳感、生物成像、螢光探針、防偽標記以及免疫層析產品領域具有重要的應用價值。
3、本發明製備出的水溶性氮摻雜碳量子點尺寸可控，激發光光譜較寬，對不同波長的激發光均能檢測無需調整，而且檢測出限低，檢測精確靈敏。
4、本發明製備的水溶性氮摻雜碳量子點量子產率較高。
本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1為實施例5製備的水溶性氮摻雜碳量子點的螢光激發和螢光發射圖譜；
圖2為實施例5製備的水溶性氮摻雜碳量子點在不同激發波長下的螢光發射圖譜；
圖3為實施例5製備的水溶性氮摻雜碳量子點的螢光量子產率圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
需要說明的是，下述實施方案中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法，所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比1:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比2:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比4:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比6:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比8:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，包括以下步驟：
步驟一、將1.0g檸檬酸溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲醯胺溶於20ml超純水中製得前體溶液ⅱ，按體積比10:1均勻混合前體溶液ⅰ與前體溶液ⅱ，得混合溶液；
步驟二、將步驟一製得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應釜的聚四氟乙烯內膽裡，再將水熱合成反應釜置於恆溫箱中進行加熱，得淡黃色溶液，恆溫箱溫度為160℃，反應時間為4h；
步驟三、過濾步驟二製得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進行透析，採用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最後將透析液進行恆溫旋轉蒸發，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點。
本發明製備得到的水溶性氮摻雜碳量子點可以和抗體結合進行免疫層析分析。抗體結合的螢光碳量子點越多，對應的螢光強度越強，利用其螢光信號的強弱可以進行定量分析。
現在對實施例5製備得到的水溶性氮摻雜碳量子點進行以下免疫層析分析試驗：
(1)在緩衝液體系下，通過二環已基二亞胺(dcc)或者二異丙基碳二亞胺(dic)處理可以與鏈酶親和素交聯，然後與生物素標記的抗體結合，獲得結合水溶性氮摻雜碳量子點的抗體。
(2)免疫層析試紙條包括依次設置的加樣區、結合物釋放區、反應區和吸水區；所述結合物釋放區為包被結合有水溶性氮摻雜碳量子點的抗體的結合物釋放墊；所述反應區為分為測試區和控制區，所述反應區為測試區包被與抗體結合的抗原、控制區包被抗鼠igg抗體的固體支持物。
(3)將結合水溶性氮摻雜碳量子點的抗體噴塗在結合物釋放墊上獲得結合物釋放區；
將抗原和抗鼠igg抗體噴塗在反應區的固體支持物上，分別形成測試區、控制區獲得反應區；
將加樣區、結合物釋放區、反應區和吸水區依次相互搭接的粘貼在背襯上即得。
其中，本發明所述免疫層析試劑盒中免疫層析試紙條上噴塗的抗原針對不同檢測物可以選擇與檢測物相適應的抗原。
將實施例5製備的水溶性氮摻雜碳量子點加入純水中，製備濃度為2mg/ml水溶性氮摻雜碳量子點水溶液2ml，將其與5ml聚乙烯醇(5.0wt％)混合，將混合後的溶液用刷子均勻塗布到玻璃片上，之後將玻璃片置於65℃烘箱中1小時，取出玻璃片拍照，經過對比可知，玻璃片在自然光下沒有任何顏色，而在365nm紫外燈下可見明亮的藍色螢光，故碳量子點可用作防偽標記。
採用硫酸奎寧做螢光標準物質，同時對實施例5製備的水溶性氮摻雜碳量子點和硫酸奎寧進行螢光光度測定，其結果如圖3，根據圖3中水溶性氮摻雜碳量子點構成直線的斜率和硫酸奎寧點構成直線的斜率的比值乘以硫酸奎寧的量子產率(硫酸奎寧為標準量，其量子產率為54％)可以計算得出本發明的碳量子點的螢光量子產率為88％。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，具體實施過程與實施例5相同，不同之處在於步驟一和步驟二之間還進行：
步驟a、將步驟一製得的混合溶液進行超聲分散，超聲波頻率為28khz，時間為20min，再將超聲處理後的混合溶液進行紅外加熱處理，升溫速度為2℃/min，終溫為54℃，加熱過程中在混合溶液內放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當升溫過程結束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然後以3℃/min的升溫速度將溫度上升至78℃，電流大小按0.02a/min的速度遞增，當到達指定溫度後，維持溫度與電流條件50min，最後以4℃/min的降溫速度和0.04a/min的電流減小速度將溫度降至室溫，也將電流降至0a，另外，在第一次保溫過程中，以100ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣，在第二次保溫過程中以80ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣。
對此實施例使用和實施例9相同的檢測方法測定其產率為90％，相比於實施例5的88％產率有所提高。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，具體實施過程與實施例5相同，不同之處在於步驟一和步驟二之間還進行：
步驟a、將步驟一製得的混合溶液進行超聲分散，超聲波頻率為33khz，時間為35min，再將超聲處理後的混合溶液進行紅外加熱處理，升溫速度為2℃/min，終溫為58℃，加熱過程中在混合溶液內放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當升溫過程結束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然後以3℃/min的升溫速度將溫度上升至84℃，電流大小按0.02a/min的速度遞增，當到達指定溫度後，維持溫度與電流條件50min，最後以4℃/min的降溫速度和0.04a/min的電流減小速度將溫度降至室溫，也將電流降至0a，另外，在第一次保溫過程中，以100ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣，在第二次保溫過程中以80ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣。
對此實施例使用和實施例9相同的檢測方法測定其產率為91％，相比於實施例5的88％產率有所提高。
一種水溶性氮摻雜碳量子點的製備方法，具體實施過程與實施例5相同，不同之處在於步驟一和步驟二之間還進行：
步驟a、將步驟一製得的混合溶液進行超聲分散，超聲波頻率為30khz，時間為28min，再將超聲處理後的混合溶液進行紅外加熱處理，升溫速度為2℃/min，終溫為56℃，加熱過程中在混合溶液內放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當升溫過程結束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然後以3℃/min的升溫速度將溫度上升至81℃，電流大小按0.02a/min的速度遞增，當到達指定溫度後，維持溫度與電流條件50min，最後以4℃/min的降溫速度和0.04a/min的電流減小速度將溫度降至室溫，也將電流降至0a，另外，在第一次保溫過程中，以100ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣，在第二次保溫過程中以80ml/min的速度向混合溶液內通入氨氣。
對此實施例使用和實施例9相同的檢測方法測定其產率為93％，相比於實施例5的88％產率有所提高。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的實施例。