技術領域：

本發(fā)明屬于碳納米材料和海洋新材料制備技術領域，涉及一種水熱法制備碳量子點的工藝，特別是一種利用海洋中的滸苔制備碳量子點的方法，并將制備的碳量子點應用到金屬離子檢測和生物成像等領域。

背景技術：
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由于全球氣候變化、水體富營養(yǎng)化等原因，造成海洋中大量滸苔綠潮暴發(fā)。大量繁殖的滸苔能遮蔽陽光，影響海底藻類的生長；死亡的滸苔也會消耗海水中的氧氣，而大量滸苔漂浮聚集到岸邊，阻塞航道，同時破壞海洋生態(tài)系統(tǒng)，嚴重威脅沿海漁業(yè)、旅游業(yè)的發(fā)展。因此，滸苔的回收處理及合理利用一直是環(huán)境保護和資源利用方面日漸關注的問題，比如已經有研究工作者將滸苔通過打撈后經過機械處理擠壓水分，然后轉化成飼料和有機肥等，而探索更多滸苔的處理及回收利用技術仍具有重要的意義。

材料學的蓬勃發(fā)展促進了許多有效的納米材料合成及應用方法的出現(xiàn)。其中碳量子點是一種新型的熒光碳納米材料，與傳統(tǒng)的半導體量子點相比，其具有水溶液中分散性好、化學穩(wěn)定性強、易于功能化、生物相容性好以及光電性能優(yōu)良等特性，在生物成像、生化傳感、光電催化等領域具有極佳的應用前景。目前用于制備碳量子點方法有很多，主要包括激光剝離法、電弧放電法、電化學剝離法、化學氧化法、微波合成法和水熱處理法等；碳量子點的碳源多種多樣，如：碳納米管、碳纖維、石墨棒、活性炭等。但是，這些方法比較復雜和耗時，采用的原料大多比較昂貴，而且產物需要經過強酸回流處理或表面修飾等手段才能保證碳量子點穩(wěn)定的光學性能，限制了熒光碳量子點的大規(guī)模生產和實際應用。因此，尋找一種廉價易得、天然無毒的原料，利用簡易有效的方法能夠快速制備性能優(yōu)異的熒光碳量子點顯得尤為必要。申請?zhí)枮?01110049051.x的中國發(fā)明專利公開了一種以植物莖稈為原料的熒光碳量子點制備方法，主要包括以下步驟：在管式加熱爐內于350℃-450℃的高溫加熱原材料得到煙炱；在硝酸溶液中回流酸煮10-12小時；除去水得到固體產物；與聚乙二醇和去離子水混合并于105℃-135℃反應48-72小時；離心后得到碳量子點。雖然該制備方法中的原材料廉價易得，但是工藝步驟繁瑣，對設備要求高，耗時長，不利于規(guī)?；a；申請?zhí)枮?01210264411.2的中國發(fā)明專利公開了一種利用大豆經榨取豆?jié){后的豆渣作為原料的熒光碳量子點制備方法，主要包括以下步驟：將原材料干燥脫水得到豆渣粉末；于200℃加熱20-40min碳化；研磨過篩得粗粉；分散于去離子水中并蒸發(fā)濃縮；將濃縮液于-50℃冷凍干燥，即得熒光碳量子點。雖然該方法的工藝相對簡單，但是需要對原材料進行復雜的預處理，大大提高了生產成本。此外，其實施例中制得的碳量子點的粒度均一性差，粒徑范圍較寬，約3-12μm。因此涉及一種利用滸苔制備碳量子點的方法，制備原料極易取得且成本低廉，同時制備工藝簡單，制造成本低，可大規(guī)模生產，所制備的碳量子點粒徑均一，應用環(huán)境良好，市場前景非常廣闊。

技術實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，尋求一種原材料易獲得、成本低廉，制備工藝簡單，制備過程綠色環(huán)保，同時可大規(guī)模生產出粒徑均一、性能優(yōu)異的碳量子點的方法，利用該方法制備的碳量子點粒徑均一、水溶性好且能在紫外燈下發(fā)出明亮藍光；制備的碳量子對鐵離子檢測具有極強的特異性，可將其應用于海水或者自來水中鐵離子檢測，同時可應用到生物成像等領域。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明制備碳量子點的工藝具體包括以下步驟：

(1)稱取1-10g收集到的滸苔，用去離子水沖洗干凈，放入50-200ml聚四氟乙烯反應釜中，量取30-160ml去離子水或者30-160mlph為6.0-10.0的緩沖溶液，倒入該反應釜中。

(2)將反應釜放入真空干燥箱中，150-240℃，反應3-15h，然后冷卻至室溫，得到碳量子點溶液。

(3)將步驟(2)制備的碳量子點溶液采用離心機在8000-15000rpm條件下離心10-30min后，除去雜質及沉淀，取上層清液即為制得的碳量子點。

本發(fā)明通過對所得的碳量子點采用不同手段進行表征，能進行鐵離子檢測和細胞成像，所采用的手段包括熒光、紫外、紅外、x射線光電子能譜儀(xps)和透射電鏡(tem)中、原子力顯微鏡(afm)，x射線衍射(xpd)的一種或兩種以上。

采用1g以上不同質量的滸苔原料，在ph值在1.0-13.0的緩沖溶液中，水熱溫度為150-240℃，在3-15h反應時間下，所得碳量子點的粒徑分別在2-20nm之間，量子產量為9-30％；制備的碳量子點粒徑均勻，其表面富含羧基、羥基等基團，具有極佳的水溶性；所得碳量子點放置5個月以上，相同濃度的碳量子點樣品的熒光強度變化很小，碳量子點的熒光性質穩(wěn)定；在碳量子點溶液中分別加入150μmag⁺,al³⁺,cd²⁺,cu²⁺,co²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,mg²⁺,mn²⁺,ni²⁺,pb²⁺,zn²⁺等不同的金屬離子，其中fe³⁺對碳量子點的熒光強度具有明顯的淬滅作用，并且隨著加入fe³⁺的濃度增加，碳量子點的熒光強度不斷降低，降低熒光強度和fe³⁺在一定范圍內呈線性關系，而增加其他不同金屬離子的加入都不會對碳量子點的熒光強度產生明顯影響，所以制備的碳量子點能夠通過其熒光淬滅效應對fe³⁺特異性檢測。

將所制備碳量子點應用于細胞成像，成效效果顯著，且連續(xù)掃描大于10小時，熒光強度基本不變，說明該碳量子點具有極高的抗光漂白性。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：一是合成碳量子點的碳源來自于天然原料滸苔，原材料易獲得，制備成本低，也為海洋中大量繁殖的滸苔提供了新的處理路徑；二是制備的碳量子點無毒、點粒徑均一、熒光性質優(yōu)異、穩(wěn)定性好；三是制備工藝操作簡單、制備效率高、可大規(guī)模生產，同時綠色環(huán)保。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明制備的碳量子點的tem圖和高分辨透射電(hrtem)圖。

圖2為碳量子點尺寸分布圖。

圖3為碳量子點原子力顯微鏡圖

圖4為碳量子點原子力顯微鏡圖的對應高度圖。

圖5為本發(fā)明在同濃度的實施例2中制備的碳量子點中入不同濃度的fe³⁺后的熒光強度。

圖6為本發(fā)明使用實施2中制備碳量子點檢測fe³⁺線性關系，同濃度的碳量子點中加入不同濃度的fe³⁺后，熒光強度(y)與fe³⁺濃度(x)的線性關系，(1)為y＝953.05-1.76x(r＝0.9971)，濃度范圍1-350μm；(2)為y＝410.46-0.173x(r＝0.9933)，濃度范圍370-1700μm。

圖7為本發(fā)明實施例3經碳量子點溶液孵育的hela細胞的激光掃描共聚焦顯微鏡成像熒光圖

圖8為本發(fā)明實施例3經碳量子點溶液孵育的hela細胞的激光掃描共聚焦顯微鏡成像明場圖

圖9為本發(fā)明實施例3經碳量子點溶液孵育的hela細胞的激光掃描共聚焦顯微鏡成像明場圖與熒光圖的重疊圖

圖10為碳量子點的細胞毒性測試結果圖

具體實施方式：

下面通過實施例并結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

實施例1：

(1)稱取2g收集到的滸苔,用去離子水沖洗干凈，放入150ml聚四氟乙烯反應釜中，然后加入120mlph10.0硼酸鹽緩沖溶液。

(2)將反應釜放入真空干燥箱里在180℃的條件下反應6小時，然后取出反應釜冷卻至室溫，得到碳量子點溶液。

(3)將步驟(2)制備的碳量子點溶液采用離心機在11900rpm條件下離心20min除去固體雜質及沉淀，取上層清液即為制得的碳量子點。

實施例2：

本實施例將實施例1制備的碳量子點溶液應用到fe³⁺特性性離子的檢測方面，分別加入150μmag⁺,al³⁺,cd²⁺,cu²⁺,co²⁺,fe²⁺,fe³⁺,hg²⁺,mg²⁺,mn²⁺,ni²⁺,pb²⁺,zn²⁺，并在360nm的激發(fā)波長下測其熒光強度，其中只有fe³⁺對碳量子點的熒光強度具有明顯的淬滅作用，其他不同金屬離子的加入都不會對碳量子點的熒光強度產生明顯影響。為了探究加入的fe³⁺濃度與熒光強度的線性關系，配制一系列濃度梯度的fe³⁺，1μm，10μm，50μm，100μm，120μm，150μm，170μm，200μm，220μm，250μm，270μm，300μm，320μm，350μm，370μm，400μm，500μm，700μm，1000μm，1200μm，1500μm，1700μm，2000μm分別加入到同一濃度的碳量子點溶液中，得到一系列不同的熒光強度，從而得到fe³⁺對碳量子點的熒光強度的影響，如圖5所示，采用實施例1制備的碳量子點可以實現(xiàn)最低檢測限為1μm的fe³⁺檢測，圖6為加入不同的fe³⁺，熒光強度(y)與fe³⁺濃度(x)的線性關系，(1)為y＝953.05-1.76x(r＝0.9971)，濃度范圍1-350μm；(2)為y＝410.46-0.173x(r＝0.9933)，濃度范圍370-1700μm。

實施例3：

本實施例將實施例1制備的碳量子點溶液應用到細胞成像方面，先將hela細胞(10⁶細胞/樣品)放置在邊長35mm的正方形載玻片上，制備含碳量子點溶液濃度1/10的新鮮dmem溶液，在37℃下用制備的dmem溶液孵育hela細胞4-24h得到孵育細胞；再在室溫下，將所有孵育細胞用磷酸鹽緩沖溶液沖洗三次去除多余的未吸收的碳量子點，選擇488nmar離子激光器對孵育細胞進行激發(fā)，并將孵育細胞通過leicatcssp2激光掃描共聚焦顯微鏡采集獲得圖像，并進一步采集隨時間變化某一固定區(qū)域的細胞成像情況，如圖7所示，可見細胞成像效果非常好。

本實施例對細胞毒性進行測試，將細胞用含不同濃度的碳量子點的dmem溶液進行孵育24小時，然后加入10ml含有5mg/ml的mtt溶液，然后繼續(xù)在通5％co2和37℃條件下孵育4小時，最后用100μl二甲基亞砜使結晶物充分溶解，在酶聯(lián)免疫檢測儀490nm處測量各孔的吸光值，測量結果如圖10所示，未經過碳量子點溶液孵育的細胞活性設定為100％，則經不同濃度的碳量子點孵育后，細胞活性能保持85％以上，同時熒光強度隨時間變化較小。

本實施例將碳量子點應用于有效細胞成像，實驗結果說明產生的碳量子點能成功地被細胞吸收，碳量子點良好的光譜特性可以用作有效的生物成像試劑，同時該碳量子點具有低毒、穩(wěn)定且受光漂白影響較小的特性。