[发明专利]一种荧光碳量子点及氮-磷共掺杂荧光碳量子点的合成方法与应用

说明书

本发明一种荧光碳量子点及氮‑磷共掺杂荧光碳量子点的合成方法与应用。先将树叶粉末和去离子水形成的混合物在200～240℃下水热反应，后将所得产物A中的副产物去除后干燥，得到荧光碳量子点。将产物A替换为产物B，按照处理产物A的方式处理，得到氮‑磷共掺杂荧光碳量子点，其中产物B按如下过程得到：将树叶粉末、磷酸脲和去离子水的混合体系在200～240℃下水热反应，磷酸脲和树叶粉末的质量比小于等于0.2，得到产物B。本发明绿色、成本低、能提高生物质基荧光碳量子点的量子产率，获得的碳量子点荧光性能稳定、水溶性好、尺寸细小、毒性低、生物相容性好，作为荧光探针可用于检测自来水中的微量Fe³⁺和细胞成像。

技术领域

本发明涉及碳量子点合成与应用领域，具体为一种荧光碳量子点及氮-磷共掺杂荧光碳量子点的合成方法与应用。

背景技术

近年来，量子点材料在环境检测、光电催化、电子器件以及生物医药等领域具有重要的应用潜力。常见的半导体量子点如CdSe、ZnS、CdS、Si等具有尺寸可控、发射波长范围较窄以及发光量子产率高等优点。但是，由于其水溶性差、合成过程复杂、化学稳定性差且大部分具有较强毒性等缺点，使其在实际应用过程中受到限制。

与半导体量子点相比，荧光碳量子点作为一种新型零维碳纳米材料，不仅具有碳纳米材料稳定的结构，又具有传统量子点的荧光性能。此外，还具有比传统量子点更为优越的特点，例如颗粒尺寸小、荧光稳定性高、发射波长可调谐、水溶性好、生物相容性好、毒性低、表面易功能化等特点。这些特点使碳量子点在环境污染物检测、生物成像、光催化和光电子器件等领域展现了巨大的潜在应用价值。

目前，多种方法被用来合成荧光碳量子点，例如电弧放电、微波加热、电化学剥落、强酸氧化、高能球磨、溶剂/水热和超声合成等。但是，这些方法和以下一些缺点相关，包括冗长的提纯过程、有毒的试剂、昂贵的前驱体、复杂的实验装置、苛刻的反应条件、无用的副产物、低的量子产率和高成本，这极大地限制了碳量子点的大规模低成本生产和实际应用。因此，开发一种更简单、低成本、绿色环保的高荧光量子产率碳量子点合成方法，为推动碳量子点的实际应用具有重要的现实意义。

Fe³⁺是一种重金属离子，已被认为是水、土壤和其他基质污染的主要原因之一。当Fe³⁺在水中的含量超过0.3mg/L时，它会对水环境和人类健康产生危害。因此，对水环境中Fe³⁺的检测具有重要的意义。目前，针对Fe³⁺的检测方法主要包括：原子吸收光谱法、电感耦合等离子体质谱法、电化学分析法等。但是，这些方法需要昂贵的仪器、复杂的操作、繁琐的样品处理程序、高的成本等。因此，开发一种简单、高效、低成本的用于水中Fe³⁺检测的方法具有重要的意义。

目前，研究最广泛的生物成像剂为有机荧光染料和半导体量子点。有机荧光染料的光稳定性差为长期成像造成困难。半导体量子点易发生光漂白现象和毒性高严重限制了其在生物成像方面的应用。碳量子点由于其合成成本低、亲水性好、毒性低、生物相容性好、荧光性能稳定，在细胞成像方面有着比半导体量子点和有机荧光染料显著的优势。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种荧光碳量子点及氮-磷共掺杂荧光碳量子点的合成方法与应用。该合成方法绿色、成本低、能显著提高生物质基荧光碳量子点的量子产率，获得的碳量子点可作为荧光探针用于检测自来水中的微量Fe³⁺和细胞成像。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种荧光碳量子点的合成方法，包括如下步骤：

步骤1，将树叶粉末和去离子水形成的混合物在200～240℃下进行水热反应，得到产物A；

步骤2，将产物A中的副产物去除后干燥，得到荧光碳量子点。

优选的，步骤1将所述的混合物以5～10℃/min的升温速率从室温升至200～240℃。