一种以荸荠为原料微波合成碳量子点的方法及其应用与流程

本发明涉及一种以荸荠为原料微波合成碳量子点的方法及其应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术：

碳量子点作为一种新颖的碳纳米材料，具有水溶性好、发光强度高、生物毒性低、生物相容性好、化学稳定性高、容易进行表面修饰等优点，因此它有望取代传统的半导体量子点和有毒性的有机染料。用生物原料来绿色合成碳量子点，符合化学发展的要求和原子经济性的理念，是当前的研究热点。

碳点的合成方法主要有电化学制备法，强酸氧化法，激光辅助制备法，电弧放电法，超声法，然而由于上述这些制备方法工艺步骤繁琐，原料成本较高等因素，导致荧光碳点的合成难以实现规模化生产。因此，探索一种原料设备简单、环境友好的制备方法，对碳点的研究而言无疑具有重大意义。

目前，利用绿色原料来合成碳点是当前研究的热点，最近报道的关于绿色合成碳量子点的文献有：Vaibhavkumar N M,Sanjay J,Hirakendu B,Rakesh K S,Suresh K K.Sensors and Actuators B.2015,213,434–443(苹果汁的水热处理)；Ruan S B,Zhu B Y,Zhang H J,Chen J T,Shen S,Qian J,He Q,Gao H L.Journal of Colloid and Interface Science.2014,422,25–29(水热蜘蛛网)；Wei J M,Zhang X,Sheng Y Z,Shen J M,Huang P,Guo S K,Pan J Q,Feng B X.Materials Letters.2014,123,107–111(玉米粉的水热处理)。目前大多数方法都侧重于水热处理，虽然这些方法中的原材料廉价易得，但是耗时长，并且制得得碳点量子产率低，不利于后续的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种操作安全、快速简便、原料绿色和成本低廉的一步法微波辐射制备较高量子产率碳量子点的方法，所得碳量子点可用于重金属离子检测。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案包括以下步骤：

(1)用搅拌机将荸荠打碎，将打碎荸荠和超纯水以质量比1:10均匀混合配制成前体溶液备用；

(2)将所得的前体溶液在微波功率为600-800w下辐射加热2-6min；

(3)取出自然冷却至室温，加入前体溶液体积2.0-3.0倍的去离子水，离心除去不溶物，上清液经过透析冷冻干燥后制得碳量子点粉末。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)将所得的前体溶液在微波功率为700-800w下辐射加热3-5min。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)将所得的前体溶液在微波功率为800w下辐射加热5min。

采用本发明的方法制备的光致发光碳量子点在水溶液中都具有良好的溶解度和分散性，并且是粒径小于4nm的碳纳米颗粒，可作为荧光探针在水体中检测Cd²⁺，最低检出限可达3.2nmol/L，检出线性范围1.0-100μmol/L。本发明方法涉及的原料来源广泛，通过微波加热碳化制备，操作简单，成本低，收率高，制备工艺设备简易，且可在极短时间内完成操作，易于推广。且制得的碳量子点可应用于水体中重金属离子的检测。

附图说明

图1为本发明方法制备出的碳量子点的溶液的紫外可见吸收光谱图；

图2为本发明制备出的碳量子点的溶液光致发光谱图；

图3本发明制备出的碳量子点的透射电镜图；

图4本发明制备出的碳量子点检测Cd²⁺的选择性图谱。

具体实施方式

荧光碳量子点的检测方法及相对量子产率的计算方法：

在测量中，采用硫酸奎宁作为参照标准(其量子产率为54％)。首先，分别检测荧光碳点水溶液和硫酸奎宁水溶液在相同激发波长下的吸光度。然后，分别检测此激发光波长下所得到的二者的荧光发射峰，并积分得到荧光峰面积。再按照以下公式计算相对量子产率：

和分别是待测物质和参比物质硫酸奎宁的量子产率，其中为0.54；A_re/A_x是二者激发波长下吸光度的比值；I_x/I_re是二者荧光发射峰面积的比值；n_x/n_re是二者的溶剂的折射率。其中“x”指样品；“re”指参比物。

实施例1

(1)用搅拌机将荸荠打碎，将打碎的荸荠和超纯水以质量比为1:10均匀混合配制成前体溶液备用。

(2)将所得的前体溶液在微波功率为600w下辐射加热3min。

(3)取出自然冷却至室温，加入前体溶液体积2.0-3.0倍的去离子水，离心除去不溶物，上清液经过1000Da透析袋透析，-50℃下冷冻干燥制得碳量子点粉末，量子产率为19.3％。

实施例2

(1)用搅拌机将荸荠打碎，将打碎的荸荠和超纯水以质量比为1:10均匀混合配制成前体溶液备用。

(2)将所得的前体溶液在微波功率为700w下辐射加热3min。

(3)取出自然冷却至室温，加入前体溶液体积2.0-3.0倍的去离子水，离心除去不溶物，上清液经过1000Da透析袋透析，-50℃下冷冻干燥后制得碳量子点粉末，量子产率为21.2％。

实施例3

(1)用搅拌机将荸荠打碎，将打碎的荸荠和超纯水以质量比为1:10均匀混合配制成前体溶液备用。

(2)将所得的前体溶液在微波功率为800w下辐射加热5min。

(3)取出自然冷却至室温，加入前体溶液体积2.0-3.0倍的去离子水，离心除去不溶物，上清液经过1000Da透析袋透析，-50℃下冷冻干燥后制得碳量子点粉末，量子产率为29.4％。

实施例4

(1)用搅拌机将荸荠打碎，将打碎的荸荠和超纯水以质量比为1:10均匀混合配制成前体溶液备用。

(2)将所得的前体溶液在微波功率为700w下辐射加热6min。

(3)取出自然冷却至室温，加入前体溶液体积2.0-3.0倍的去离子水，离心除去不溶物，上清液经过1000Da透析袋透析，-50℃下冷冻干燥后制得碳量子点粉末，量子产率为23.6％。

实施例5

取实施例3制备的荧光碳量子点水溶液(10mg/mL)1.5mL置于5mL离心管中，分别加入0.5mL HgCl₂，SrCl₂.6H₂O，BaCl₂.2H₂O，CuCl₂，Pb(NO₃)₂，FeCl₃.6H₂O，FeSO₄.7H₂O，CaCl₂，ZnSO₄.7H₂O，MgCl₂.6H₂O，AgNO₃，Al₂(SO₄)₃.18H₂O，CdCl₂共13种常见的金属离子溶液，混合均匀，离子在溶液中的浓度均为40μmol/L，在荧光光度计中扫描发射光谱(λ_ex＝420nm，λ_em＝495nm)，并记录荧光强度，碳量子点对Cd²⁺有良好的离子选择性，Cd²⁺可以使碳量子点的荧光淬灭。如图4所示，Cd²⁺对碳量子点的猝灭效果最好。

为了计算碳量子点对Cd²⁺的检测范围，取实施例3制备的荧光碳量子点水溶液(10mg/mL)1.5mL置于荧光比色皿中，分别加入0.5mL不同浓度(从低到高)的Cd²⁺溶液，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λ_ex＝420nm，λ_em＝495nm)。

实施例6

在实施例3的基础上，将步骤(1)荸荠和超纯水的质量比修改为3:10，其他步骤相同，量子产率为20.1％。

实施例7

在实施例3的基础上，将步骤(2)微波处理条件修改为微波功率为500w，其他步骤相同，量子产率为18.3％。

实施例8

在实施例3的基础上，将步骤(2)微波辐射加热调整为7min，其他步骤相同，量子产率为22.6％。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。