一種具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點、制備方法及其用途技術

本發(fā)明專利技術提供了一種制備硫、氮雙摻雜高熒光量子產率的碳量子點、制備方法以及其離子檢測應用。本發(fā)明專利技術中碳量子點的碳源由檸檬酸鈉提供，硫源和氮源都由硫酰胺提供，將原料溶解在水熱反應釜中反應，待合成產物自然冷卻后進行分離得到溶液，將溶液干燥后便得到高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點。本方法只需一步反應，中間產物和副產物少，不僅所需原料極少，而且反應速度快，既經濟又環(huán)保。而且，所得碳量子點具有高熒光量子產率的特點，可成功應用于Hg2+的檢測，在生物檢測和污水處理等方面也具有廣闊的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于納米材料領域，涉及一種硫、氮雙摻雜碳量子點、制備方法及其用途，具體涉及一種具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點、制備方法及其用途。
技術介紹
碳元素是地球上所有已知生命的基礎，在現代科技發(fā)展中擁有舉足輕重的作用。碳元素具有多樣的電子軌道特性(sp、sp2和sp3)，所以形成許多結構和性質奇特的物質，如碳納米管、富勒稀、納米金剛石、石墨稀及氧化石墨稀等。近年納米碳材料的發(fā)展不斷刷新成績，至2004年Scrivens等首次在提純電弧放電法制備的單壁碳納米管時，意外分離出了碳量子點，再次開拓了新型熒光敏感材料的新紀元。發(fā)光碳量子點(Carbon dots，CDs)是以碳為骨架結構的尺寸小于1nm的類球形的納米顆粒，具有優(yōu)越的發(fā)光性能；與半導體量子點相比，碳量子點發(fā)光更穩(wěn)定、易于功能化和工業(yè)化、無毒、制備簡單廉價，在發(fā)光材料、光電器件、綠色環(huán)保、生物醫(yī)學、金屬陽離子和陰離子的生化分析和光催化等領域都擁有重要的應用價值。因此碳量子點一問世，就受到科研人員的高度關注。出色的光學性質和低毒特性使碳量子點成為最具應用前景的環(huán)境友好型納米材料，其可應用于生物醫(yī)學領域。碳量子點的合成方法主要有“自上而下”和“自下而上”兩種途徑。制備量子點的碳源非常廣泛，既可以是碳單質可以是化合物。但是，采用不同的原料作為碳源合成出的碳量子點很多熒光很弱，甚至是沒有熒光。為了提高所得碳量子點的發(fā)光強度，拓寬其在細胞標記等領域的應用，選擇合適碳源和有效提高發(fā)光強度的制備方法，簡易制備水溶性好和發(fā)光強度高的碳量子點仍有很大的探索空間，其中元素摻雜是提高熒光強度一種有效的方法。在摻雜的碳量子點中，目前的研宄主要集中在硫、氮單原子元素摻雜的碳量子點上，而用單一原料進行雙原子摻雜的碳量子點的制備、性質及其應用則鮮有報道。
技術實現思路
鑒于此，本專利技術的目的在于通過摻雜硫、氮雙原子來改變碳量子點內部的能帶結構，并采用單一原料進行雙原子摻雜，制備一種具有高熒光量子產率的碳量子點。為了實現上述目的，本專利技術采用了如下技術方案:一種具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點的制備方法，所述方法為水熱法，包括以下步驟:(I)將碳源和硫氮源溶解于水中，得到前驅體溶液；(2)將前驅體溶液在水熱反應釜中反應，然后自然冷卻至室溫得懸濁液；(3)分離懸濁液，得到溶液；(4)將溶液干燥，得到具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點。所述硫氮源即，一種化合物既作為氮源，又作為硫源。本專利技術采用單一原料進行氮、硫雙原子摻雜，并利用水熱法一步合成得到具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點。優(yōu)選地，所述碳源為檸檬酸鈉。優(yōu)選地，所述硫氮源為硫酰胺。優(yōu)選地，所述前驅體溶液中檸檬酸鈉的濃度為0.lmol/L，硫酰胺的濃度為0.001?10mol/L，優(yōu)選0.01mol/L。即所述檸檬酸鈉和硫酰胺的摩爾比為1:0.01?1:10，例如為1:0.01、1:0.1、1:1、1:2或1:6等，優(yōu)選為1:0.1。如果檸檬酸鈉與硫酰胺的摩爾比在1:0.1以下，其熒光強度不會有明顯的增加；如果檸檬酸鈉溶液與所述硫酰胺溶液的摩爾比大于1:0.1后，熒光強度急劇下降，摩爾比為1:0.1時，熒光強度出現峰值。本專利技術優(yōu)選所述檸檬酸鈉與硫酰胺的摩爾比為1:0.1，以確保擁有最佳的熒光效果。所述溶解即完全溶解。所述水熱反應釜為聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜。優(yōu)選地，所述反應溫度為120 ?240°C (例如為 140°C、160°C、180°C、200°C、220°C或240°C等)，在該溫度范圍內均能合成具有熒光性能的硫、氮雙摻雜碳量子點。優(yōu)選地，所述反應時間為2h以上，例如為4h、6h、8h或1h等，優(yōu)選為6h。優(yōu)選地，采用圓筒形膜分離過濾器進行分離。優(yōu)選地，所述圓筒形膜分離過濾器為截留分子量3kDa、5kDa、1kDa或30kDa中的任意一種或者至少兩種的組合。優(yōu)選地，所述干燥在真空條件下進行，干燥溫度為100?120°C，干燥時間為12h。—種具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點的制備方法，具體包括以下步驟:(I)將檸檬酸鈉和硫酰胺溶解于水中，得到前驅體溶液；(2)將前驅體溶液在水熱反應釜中反應6h，然后自然冷卻至室溫得懸濁液；(3)分離懸濁液，得到溶液；(4)將溶液干燥，得到具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點；其中，所述前驅體溶液中檸檬酸鈉的濃度為0.lmol/L,硫酰胺的濃度為0.0lmol/L0采用該優(yōu)選技術方案得到的硫、氮雙摻雜碳量子點，熒光量子產率高，可達65%。本專利技術的目的之二在于提供一種如上所述方法制備得到的具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點。采用所述方法制備得到的碳量子點具有高熒光量子產率，所用原料少，并且熒光強度高。本專利技術的目的之三在于提供一種如上所述的具有高熒光量子產率的硫、氮雙摻雜碳量子點的用途，其用于Hg2+的檢測、生物檢測或污水處理。與已有技術相比，本專利技術具有如下有益效果:采用本專利技術的方法制備的硫、氮雙摻雜高致發(fā)光碳量子點，只需一步反應，反應速度較快，而且副產物和中間產物極少，原料用量極少，成本低，熒光量子產率高，最高可達65%。所得的碳量子點發(fā)光強度高，且成功應用于Hg2+的檢測，此外，在生物檢測和污水處理等方面也有廣闊的應用前景?！靖綀D說明】圖1是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的透射電鏡圖；圖2是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的熒光發(fā)射譜圖和熒光激發(fā)譜圖；圖3是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的Cls分峰圖譜；圖4是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的S2p分峰圖譜；圖5是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的Nls分峰圖譜；圖6是本專利技術實施例1制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的013分峰圖譜；圖7是本專利技術實施例2制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點用雙氧水處理后光致發(fā)光強度的變化曲線；圖8是本專利技術實施例2制備的硫、氮雙摻雜焚光碳量子點在不同pH下光致發(fā)光強度的變化曲線；圖9濃度為100nM的Hg2+加入含有硫、氮雙摻雜熒光碳量子的溶液中不同時間后的熒光強度，結果表明5min后熒光強度不再變化，所以檢測時間定為5min。圖10是不同濃度的Hg2+加入含有硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的溶液中5min后的熒光強度；圖11是熒光強度變化與對應的Hg2+的濃度的線性關系，結果表明制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點可以在1-5000ηΜ范圍內對Hg2+實現檢測。圖12是硫、氮雙摻雜熒光碳量子點對5000nM的不同金屬離子的熒光淬滅程度，結果表明硫、氮雙摻雜熒光碳量子點對Hg2+具有很高的選擇性?！揪唧w實施方式】下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本專利技術的技術方案。實施例1(a)取0.735g的檸檬酸鈉及0.48g硫酰胺，溶解于25mL去離子水中充分攪拌5min，得到前驅體溶液；(b)將得到的前驅體溶液置于50ml聚四氟乙烯襯里的不銹鋼高壓釜中，密封后在溫度為200°C的條件下反應6h，自然冷卻至室溫，得到懸濁液；(c)將懸濁液用用截留分子量3kDa圓筒形膜分離過濾器進行過濾，收集濾過液，干燥得到高熒光產率的硫、氮雙摻雜碳量子點。參見圖1，它是本實施例制備的硫、氮雙摻雜熒光碳量子點的透本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種硫、氮雙摻雜碳量子點的制備方法，其特征在于，所述方法為水熱法，包括以下步驟：(1)將碳源和硫氮源溶解于水中，得到前驅體溶液；(2)將前驅體溶液在水熱反應釜中反應合成碳量子點，然后自然冷卻至室溫得懸濁液；(3)分離懸濁液，得到溶液；(4)將溶液干燥，得到硫、氮雙摻雜碳量子點。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：徐泉，周紅軍，周穎，劉瑤，
申請(專利權)人：中國石油大學北京，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11