本發(fā)明涉及納米材料的制備領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，熒光碳納米材料因其具有良好的光學(xué)特性和細(xì)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(wěn)定性，且無毒副離子的存在，適用于長時間的檢測和示蹤的實(shí)驗(yàn)，在生物標(biāo)記和分析檢測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。碳量子點(diǎn)(cqds)呈現(xiàn)出的親水性、低細(xì)胞毒性、化學(xué)及光穩(wěn)定性等優(yōu)異性質(zhì)，使其在化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、傳感學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。

碳量子點(diǎn)的制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(jié)構(gòu)剝落制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(fā)光，主要包括電弧放電、激光剝蝕、電化學(xué)氧化、電子書輻射等。該方法往往需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件和特殊的能源，成本高，而且獲得的碳量子產(chǎn)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(qū)物直接合成熒光碳量子點(diǎn)，方法包括：燃燒法、熱液碳化法、超聲法等，但這類方法所采用的往往都是不可再生能源且需要嚴(yán)格的后期處理，所以也不利于持續(xù)并規(guī)模生產(chǎn)熒光碳量子點(diǎn)。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制備性能優(yōu)異且高量子產(chǎn)率的碳量子點(diǎn)顯得尤其重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的是提供一種原料廉價易得、制備方法簡易有效、碳量子點(diǎn)性能好產(chǎn)率高的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法。

為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將檸檬酸溶于超純水中制得前體溶液ⅰ，將對氨基苯甲酰胺溶于超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)，即可得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

優(yōu)選的是，步驟一中將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ。

優(yōu)選的是，步驟一中將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅱ。

優(yōu)選的是，步驟二中混合溶液進(jìn)行水熱反應(yīng)后還依次進(jìn)行過濾、透析、蒸發(fā)。

優(yōu)選的是，步驟二中水熱反應(yīng)在恒溫環(huán)境中進(jìn)行，溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h。

優(yōu)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(jìn)行混合。

優(yōu)選的是，步驟二中透析采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時。

優(yōu)選的是，步驟二中蒸發(fā)采用恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃。

優(yōu)選的是，在步驟一和步驟二之間還進(jìn)行：

步驟a、將步驟一制得的混合溶液進(jìn)行超聲分散，超聲波頻率為28～33khz，時間為20～35min，再將超聲處理后的混合溶液進(jìn)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(nèi)放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進(jìn)行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當(dāng)升溫過程結(jié)束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然后以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(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度后，維持溫度與電流條件50min，最后以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(nèi)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(nèi)通入氨氣。

本發(fā)明至少包括以下有益效果：

1、本發(fā)明采用一步水熱法制備出水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)，碳源豐富、廉價，制備過程簡易，制備全過程無污染、無毒、綠色環(huán)保，可大量制備。

2、本發(fā)明制備出的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)具有水溶性好、激發(fā)發(fā)射可調(diào)、熒光穩(wěn)定、生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，在生物標(biāo)記、生物傳感、生物成像、熒光探針、防偽標(biāo)記以及免疫層析產(chǎn)品領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。

3、本發(fā)明制備出的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)尺寸可控，激發(fā)光光譜較寬，對不同波長的激發(fā)光均能檢測無需調(diào)整，而且檢測出限低，檢測精確靈敏。

4、本發(fā)明制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)量子產(chǎn)率較高。

本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

附圖說明

圖1為實(shí)施例5制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的熒光激發(fā)和熒光發(fā)射圖譜；

圖2為實(shí)施例5制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)在不同激發(fā)波長下的熒光發(fā)射圖譜；

圖3為實(shí)施例5制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

需要說明的是，下述實(shí)施方案中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法，所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。

<實(shí)施例1>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例2>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例3>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例4>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例5>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例6>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括以下步驟：

步驟一、將1.0g檸檬酸溶于20ml超純水中制得前體溶液ⅰ，將0.1g對氨基苯甲酰胺溶于20ml超純水中制得前體溶液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、將步驟一制得的混合溶液攪拌均勻，放入水熱合成反應(yīng)釜的聚四氟乙烯內(nèi)膽里，再將水熱合成反應(yīng)釜置于恒溫箱中進(jìn)行加熱，得淡黃色溶液，恒溫箱溫度為160℃，反應(yīng)時間為4h；

步驟三、過濾步驟二制得的淡黃色溶液得到濾液，再將濾液進(jìn)行透析，采用剪切分子量1000的透析袋，透析72小時得到透析液，最后將透析液進(jìn)行恒溫旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溫度為60℃，得到水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)。

<實(shí)施例7>

本發(fā)明制備得到的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)可以和抗體結(jié)合進(jìn)行免疫層析分析?？贵w結(jié)合的熒光碳量子點(diǎn)越多，對應(yīng)的熒光強(qiáng)度越強(qiáng)，利用其熒光信號的強(qiáng)弱可以進(jìn)行定量分析。

現(xiàn)在對實(shí)施例5制備得到的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)進(jìn)行以下免疫層析分析試驗(yàn)：

(1)在緩沖液體系下，通過二環(huán)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(lián)，然后與生物素標(biāo)記的抗體結(jié)合，獲得結(jié)合水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的抗體。

(2)免疫層析試紙條包括依次設(shè)置的加樣區(qū)、結(jié)合物釋放區(qū)、反應(yīng)區(qū)和吸水區(qū)；所述結(jié)合物釋放區(qū)為包被結(jié)合有水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的抗體的結(jié)合物釋放墊；所述反應(yīng)區(qū)為分為測試區(qū)和控制區(qū)，所述反應(yīng)區(qū)為測試區(qū)包被與抗體結(jié)合的抗原、控制區(qū)包被抗鼠igg抗體的固體支持物。

(3)將結(jié)合水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的抗體噴涂在結(jié)合物釋放墊上獲得結(jié)合物釋放區(qū)；

將抗原和抗鼠igg抗體噴涂在反應(yīng)區(qū)的固體支持物上，分別形成測試區(qū)、控制區(qū)獲得反應(yīng)區(qū)；

將加樣區(qū)、結(jié)合物釋放區(qū)、反應(yīng)區(qū)和吸水區(qū)依次相互搭接的粘貼在背襯上即得。

其中，本發(fā)明所述免疫層析試劑盒中免疫層析試紙條上噴涂的抗原針對不同檢測物可以選擇與檢測物相適應(yīng)的抗原。

<實(shí)施例8>

將實(shí)施例5制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)加入純水中，制備濃度為2mg/ml水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)水溶液2ml，將其與5ml聚乙烯醇(5.0wt％)混合，將混合后的溶液用刷子均勻涂布到玻璃片上，之后將玻璃片置于65℃烘箱中1小時，取出玻璃片拍照，經(jīng)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(lán)色熒光，故碳量子點(diǎn)可用作防偽標(biāo)記。

<實(shí)施例9>

采用硫酸奎寧做熒光標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，同時對實(shí)施例5制備的水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)和硫酸奎寧進(jìn)行熒光光度測定，其結(jié)果如圖3，根據(jù)圖3中水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)構(gòu)成直線的斜率和硫酸奎寧點(diǎn)構(gòu)成直線的斜率的比值乘以硫酸奎寧的量子產(chǎn)率(硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn)量，其量子產(chǎn)率為54％)可以計算得出本發(fā)明的碳量子點(diǎn)的熒光量子產(chǎn)率為88％。

<實(shí)施例10>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，具體實(shí)施過程與實(shí)施例5相同，不同之處在于步驟一和步驟二之間還進(jìn)行：

步驟a、將步驟一制得的混合溶液進(jìn)行超聲分散，超聲波頻率為28khz，時間為20min，再將超聲處理后的混合溶液進(jìn)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(nèi)放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進(jìn)行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當(dāng)升溫過程結(jié)束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然后以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(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度后，維持溫度與電流條件50min，最后以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(nèi)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(nèi)通入氨氣。

對此實(shí)施例使用和實(shí)施例9相同的檢測方法測定其產(chǎn)率為90％，相比于實(shí)施例5的88％產(chǎn)率有所提高。

<實(shí)施例11>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，具體實(shí)施過程與實(shí)施例5相同，不同之處在于步驟一和步驟二之間還進(jìn)行：

步驟a、將步驟一制得的混合溶液進(jìn)行超聲分散，超聲波頻率為33khz，時間為35min，再將超聲處理后的混合溶液進(jìn)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(nèi)放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進(jìn)行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當(dāng)升溫過程結(jié)束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然后以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(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度后，維持溫度與電流條件50min，最后以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(nèi)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(nèi)通入氨氣。

對此實(shí)施例使用和實(shí)施例9相同的檢測方法測定其產(chǎn)率為91％，相比于實(shí)施例5的88％產(chǎn)率有所提高。

<實(shí)施例12>

一種水溶性氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，具體實(shí)施過程與實(shí)施例5相同，不同之處在于步驟一和步驟二之間還進(jìn)行：

步驟a、將步驟一制得的混合溶液進(jìn)行超聲分散，超聲波頻率為30khz，時間為28min，再將超聲處理后的混合溶液進(jìn)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(nèi)放入雙電極體系，陽極為石墨電極，陰極為鉑電極，同時進(jìn)行通電，電流大小按0.01a/min的速度遞增，當(dāng)升溫過程結(jié)束時，電流也停止增加，維持溫度與電流條件30min，然后以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(dāng)?shù)竭_(dá)指定溫度后，維持溫度與電流條件50min，最后以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(nèi)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(nèi)通入氨氣。

對此實(shí)施例使用和實(shí)施例9相同的檢測方法測定其產(chǎn)率為93％，相比于實(shí)施例5的88％產(chǎn)率有所提高。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的實(shí)施例。