[发明专利]大量合成波长可调的荧光碳点的方法及该方法制备的碳量子点

说明书

本发明公开了一种大量合成波长可调的荧光碳点的方法及该方法制备的碳量子点，为一种利用相同前驱体为碳源，合成荧光效率和质量产率较高的、发射波长在整个可见光区可调的碳点的制备方法。采用不同溶剂热处理相同碳源的制备方法及快速沉淀提纯法，过程简单高效绿色环保，原料便宜，反应温度160‑250℃。合成的碳量子点由石墨化晶格核和一层无定形的碳壳复合组成，在常见溶剂中有很好的溶解度、稳定性和较高发光效率；直径分布随着发光波长红移而逐渐增大，在2‑12nm。作为一类新型发光材料，生产成本低、制备产率高、发光稳定性好，生物毒性低、在光电器件的应用中具有良好的应用前景。高效近红外荧光碳点的制备方法为碳点的生物应用带来便利和机遇。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种大量合成波长可调的荧光碳点的方法及该方法制备的碳量子点，尤其是一种波长在整个可见光区可调的高效荧光碳量子点的大量制备方法。

背景技术

半导体量子点由于其独特的物理化学性质在能源、环境和生物医学等领域显示出巨大的应用前景。然而，此类纳米材料通常具有原料价格昂贵、光稳定性差和毒性高等缺点，因此在科研和日常生活中的运用受到了严重阻碍。碳量子点，自从2004年首次被发现以来，就迅速地成长为纳米材料领域的一个新星。由于其强烈的发光稳定性和生物惰性、良好的生物兼容性等诸多优良的物理化学性质，从而被视为是其它半导体量子点的最佳替代者。特别需要提出的是，碳量子点具有比其它半导体量子点低1-2个数量级的生物毒性，因此在毫克/毫升级别的浓度下毒性依然可以忽略不计，并且碳原子作为有机物的主要骨架，使得碳的表面基团修饰变得更加容易，选择范围更广。这些突出的优点使得碳纳米粒子在生物标记和生物成像等方面具有更加广泛的应用前景。在过去的十几年里，碳点相关的研究呈直线式上升，并且取得了极大进步。然而，由于缺乏有效的实验和理论知识及自身的复杂性，碳点相关的研究仍然存在着许多亟待解决的难题，主要表现在长波长荧光碳点的有效制备和荧光波长可调性等方面。

长波长的荧光碳点的制备在近两年已经取得了一定的进展，但是这些前瞻性工作仍然存在着水相碳点的荧光在长波长区域(>650nm)里发射效率偏低以及制备效率不高的缺陷，从而严重阻碍了碳点在生物医学等领域的进一步应用。制备出高效发射的近红外荧光碳点可以有效解决其在生物成像应用中生物组织穿透能力不强和信噪比偏低的应用问题，因此，制备出高效发射的长波长荧光碳点具有极高的学术意义和社会价值。

碳点的荧光机理非常复杂，至今仍然充满争议。实现碳点光学性质的有效调控对于深层次地理解碳点的荧光发射过程起到非常关键的作用。由于缺乏有效的实验积累和对碳点荧光机理清晰的认识，进行碳量子点荧光性质的有效调控的研究仍然颇具挑战。到目前为止，只有少数几个相关的研究工作主实现了碳点荧光性质的有效调控。然而，这些工作却依然存在着发射波长可调范围不够宽、反应体系过于复杂、制备产率较低等问题，严重阻碍了荧光可调碳点在多色显示和多色标记等领域的应用。最重要的是，他们需要使用不同的碳源和反应条件，进而给深入研究碳量子点的荧光机理带来了更多的不确定性。

因此，在不改变碳源种类的前提下，实现碳点在整个可见光区域的有效调控、高效发射及大量制备对于碳点的基础研究和相关应用具有重要的意义。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种大量合成波长可调的荧光碳点的方法，是一种生产成本低、发光效率和制备效率高、生物兼容性好、并且荧光颜色在可见光区域可调的碳量子点及其制备方法。

本发明提供出的波长可调的碳量子点，其内核具有多层的石墨化晶格结构，外壳是由大量的含氧官能团组成，直径分布在2-12纳米之间；它们在常见的极性溶剂中都有很好的溶解度和稳定性；碳量子点的荧光红移由尺寸和表面官能团氧化程度的复合变化所产生。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供出的波长可调的碳量子点的制备方法采用的技术方案为：

一种大量合成波长可调的荧光碳点的方法，包括以下步骤：