本發(fā)明涉及一種納米材料的制備方法，特別涉及一種碳納米點(diǎn)及其陣列的制備方法。
背景技術(shù)：
：碳點(diǎn)（碳納米點(diǎn)）是一種近似球型且直徑≤10nm的零維半導(dǎo)體納米晶體，由極少分子或是以碳原子為主組成的納米團(tuán)簇，吸收峰很寬，覆蓋紫外～可見光區(qū)。更為重要的是，碳點(diǎn)的生物相容性好，表面基團(tuán)功能化容易，對眾多陰陽離子、分子存在敏感的熒光響應(yīng)(表現(xiàn)為碳點(diǎn)熒光猝滅或增強(qiáng)）而用于這些離子、分子的超低限檢測，因此，自2004年由xu等（xuxy，rayr，guyl，ploehnhj，gearheartl，pakerk，scrivenswa,j.am．chem．soc．，2004，126:12736．）報(bào)道以來，引起世界眾多科學(xué)家強(qiáng)烈關(guān)注。碳納米點(diǎn)從發(fā)現(xiàn)至今已發(fā)展出許多合成方法大致可以分為兩類：自上而下法和自下而上法。自上而下法是指通過化學(xué)或物理方法將碳納米點(diǎn)從大尺寸的碳結(jié)構(gòu)材料上剝離下來的方法，包括激光銷蝕法、電化學(xué)法、弧光放電法、水熱切割法等。自下而上法則是通過化學(xué)合成的手段，將小分子碳前驅(qū)體聚集變大從而合成納米點(diǎn)的方法，包括熱分解法、微波輔助法、超聲波輔助法、水熱合成法、模板法、反膠束法等。現(xiàn)有方法制備得到的碳點(diǎn)，普遍為分散形式的碳點(diǎn)，或不規(guī)則分散于固體中形式存在，難以制備成為規(guī)則分布的碳點(diǎn)陣列。自80年代中期提出基因芯片(genechip)構(gòu)造原型以來，基因芯片的研究與應(yīng)用取得了重要進(jìn)展，多種用于不同領(lǐng)域的基因芯片進(jìn)人商業(yè)市場。其中，雜交測序方法成為基因芯片主要的測序原理，即通過大量（通常每平方厘米點(diǎn)陣密度高于400）固定到固相支持物上的已知序列的核酸包括寡核苷酸或短寡肽等與標(biāo)記的樣品分子進(jìn)行雜交，通過檢測每個(gè)探針分子的雜交信號強(qiáng)度進(jìn)而獲取樣品分子的數(shù)量和序列信息，包括基因表達(dá)譜測定、突變檢測、多態(tài)性分析、基因組文庫作圖及雜交測序等?；蛐酒械倪@些點(diǎn)陣是通過微加工技術(shù)，包括原位合成（insitusynthesis）與合成點(diǎn)樣兩種。將數(shù)以萬計(jì)、乃至百萬計(jì)的特定序列的dna片段（基因探針），有規(guī)律地排列固定于2cm2的硅片、玻片等支持物上，構(gòu)成的一個(gè)二維dna探針陣列。原位合成法中的光引導(dǎo)聚合技術(shù)（light-directedsynthesis）點(diǎn)陣密度達(dá)到1010/cm2；點(diǎn)陣密度可以達(dá)到400/cm2，后者則可達(dá)到2500/cm2與計(jì)算機(jī)的電子芯片十分相似，所以被稱為基因芯片。即便如此，離2μm間隔、1μm熒光點(diǎn)寬度（即每3μm為熒光陣列周期）或>5000/cm2的熒光陣列目標(biāo)，也遠(yuǎn)未達(dá)到。另一方面，現(xiàn)有基因芯片的dna檢測方法中大量采用熒光識別，由于單分子dna熒光極弱，采用共聚焦激光顯微成像設(shè)備觀察記錄是唯一選擇，這種設(shè)備價(jià)格高昂（超過200萬rmb），使用成本高，不利于大量推廣。尋找相對簡單、設(shè)備配置不高但熒光強(qiáng)度大的熒光芯片成為科學(xué)家研究的重要方向。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米點(diǎn)及其陣列的制備方法。本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：一種碳點(diǎn)的制備方法，包括使用激光照射納米金高分子膜，使納米金通過表面等離子共振升溫并破壞周邊的高分子結(jié)構(gòu)，形成碳點(diǎn)。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，納米金高分子膜中，納米金的光學(xué)密度不低于8，或納米金的質(zhì)量百分含量不低于0.016%。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，納米金為金納米顆粒、金納米棒、星形、三角形、核殼結(jié)構(gòu)型納米金。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，納米金高分子膜中的高分子為具有支鏈的高分子。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，納米金高分子膜中的高分子為選自pva、pmma、ps、pa中的至少一種。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，激光的功率1～20mw。作為上述制備方法的進(jìn)一步改進(jìn)，激光按順序在納米金高分子膜上照射，形成碳點(diǎn)陣列。激光的照射時(shí)間為0.01～100s。一種基于碳點(diǎn)的熒光芯片，其制備方法包括如下步驟：1)按上述的方法制備得到含有碳點(diǎn)高分子膜；2)對碳點(diǎn)進(jìn)行表面修飾，得到熒光芯片。作為上述熒光芯片的進(jìn)一步改進(jìn)，對得到的熒光芯片進(jìn)行二次激光照射，再次形成碳點(diǎn)，根據(jù)需要對碳點(diǎn)進(jìn)行修飾。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的方法，操作簡單，制備成功率可達(dá)100%，制得的碳點(diǎn)在220～550nm范圍光激發(fā)下發(fā)出強(qiáng)烈的熒光。本發(fā)明的方法，可以制備得到各種排列的碳點(diǎn)陣列碳點(diǎn)可，且可以通過調(diào)節(jié)激光照射時(shí)間、功率，控制碳點(diǎn)的大小，從而控制碳點(diǎn)的熒光強(qiáng)度。本發(fā)明方法制備得到的碳點(diǎn)陣列，可以形成隱形熒光陣列，故可實(shí)現(xiàn)加密信息傳輸。同時(shí)，也可以利用待檢測離子或分子對該熒光的猝滅特性，實(shí)現(xiàn)這些離子或分子的微量檢測。附圖說明圖1是gnp－pva分散液為od＝24（納米金含量約0.08%）時(shí)制備的4個(gè)gnp－pva膜樣品（上）、gnr－pva分散液為od＝12（納米金含量約0.024%）時(shí)制備的1個(gè)gnr－pva膜樣品（下）的消光譜；圖2（a～e）給出了不同加工參數(shù)得到的碳熒光陣列不同波長激發(fā)時(shí)的照片；其中，a）為400nm激光作用后的鹵素?zé)粽丈湎碌腶ndorccd照片；b)為高壓hg燈365nm激發(fā)下andorccd照片；c）和d）分別為高壓hg燈365nm和436nm激發(fā)下的照片；圖3（a～d）給出了不同加工參數(shù)得到的碳熒光陣列受高壓汞燈365nm波長激發(fā)時(shí)的光譜，為了便于比較，圖3a、b（origin）還分別給出了未激光輻照時(shí)的微弱熒光表現(xiàn)；圖4給出了表1編號26加工后碳熒光（洞）陣列的sem（a）、碳元素c分布圖（b）；圖5是5.5mw、曝光時(shí)間200ms、間隔2um、532nm飛秒激光加工寫“scnu”后gnp－pva膜(a)用hg燈365nm（b）、435nm（c）、546nm（d）激發(fā)光照射采集的照片；圖66mw、曝光時(shí)間25、50、100、150、200ms，間隔2μm，770nm激光加工gnr－pva（用od＝8、λabs＝770nm、納米金含量約0.016%gnr－pva分散液制成）膜得到的碳點(diǎn)陣列熒光光譜；圖7功率5mw、770nm飛秒激光加工gnr－pva膜（納米金含量約0.016%、光學(xué)密度為8的pva－gnr分散液制成），曝光時(shí)間30s所得碳熒光陣列對微量銅離子響應(yīng)情況；激發(fā)波長為365nm的前后照片（a）（左、右）、前后光譜（b）；圖8給出了5mw、880nm、曝光時(shí)間20秒飛秒激光分別加工純pva、光學(xué)密度為8的pva－gnr（λabs＝880nm）分散液（納米金含量約0.016%）制成的膜的熒光光譜圖（激發(fā)波長436nm）；圖9給出了12.5mw、532nm、曝光時(shí)間10秒飛秒激光加工前后純pva膜的熒光光譜圖（激發(fā)波長365nm）；圖10給出了添加不同光學(xué)密度納米金－pva分散液（od為2、6、12、18的gnp－pva分散液中納米金含量分別約為0.0067%、0.02%、0.04%、0.06%）制備的pva－gnp膜經(jīng)8mw、532nm、曝光時(shí)間2秒連續(xù)激光加工后365nm激發(fā)所得的熒光光譜。具體實(shí)施方式納米金，包括但不限于金納米顆粒、金納米棒、星形、三角形、核殼結(jié)構(gòu)型納米金，在特定波長激光的照射下，會產(chǎn)生表面等離子共振，產(chǎn)生一定的熒光。發(fā)明人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，納米金高分子膜中的納米金達(dá)到一定濃度后，通過激光照射使納米金產(chǎn)生表面等離子共振，在納米級區(qū)域產(chǎn)生局部高熱，在熱和納米金共同的作用下，可以很好的生成碳點(diǎn)。為了可以獲得更高的效果，選用的納米金應(yīng)盡可能地具有相同或相近的響應(yīng)波長。在本發(fā)明，形成高分子膜的高分子無特殊要求，可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員常用高分子材料，只要易于和納米金混和并形成相應(yīng)膜材料即可。這些高分子原料優(yōu)選具有支鏈，包括但不限于pva、pmma、ps、pa中的至少一種。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況，如應(yīng)用場合等，選擇不同的高分子原料。激光的功率、照射時(shí)間（即曝光時(shí)間），可以根據(jù)碳點(diǎn)的生成情況進(jìn)行簡單的調(diào)整即可。在激光未通過熱效應(yīng)燒蝕高分子膜的情況下，適當(dāng)提高激光的功率有助于使納米金產(chǎn)生更強(qiáng)的共振，可以更快地產(chǎn)生碳點(diǎn)。同時(shí)，可以根據(jù)需要，在已經(jīng)成型的碳點(diǎn)陣列上進(jìn)行二次加工，根據(jù)需要再次形成新的碳點(diǎn)陣列。下面結(jié)合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。方便比較起見，以下實(shí)驗(yàn)中使用的納米金與pva（聚乙烯醇）構(gòu)成的納米金高分子膜。碳點(diǎn)陣列采用脈沖激光或連續(xù)激光照射，下面以fs（飛秒）激光為例，說明其加工方法與性能。納米金高分子膜的制備使用吸收波長為524nm的納米金顆粒（gnp），或吸收波長為770nm的金納米棒gnr，分別配成光學(xué)密度為24的5%pva溶液，gnp（或gnr）－pva膜按公知的方法在玻璃上制備得到。經(jīng)檢測，制備得到的gnp（或gnr）－pva膜厚約20μm，其消光譜如圖1所示。碳點(diǎn)陣列的制備室溫下采用飛秒激光加工獲得碳點(diǎn)陣列，選取被金膜消光譜范圍覆蓋的fs或連續(xù)激光如532nm、或金膜對應(yīng)縱向lspr峰值波長（如本案例770、880nm）激光、功率1～20mw、曝光時(shí)間0.5～20s加工gnp（或gnr）－pva膜。就本案例（表1，吸收峰值波長為524nm的納米金顆粒（gnp）配成的光學(xué)密度為24的5%pva溶液,納米金含量約0.08%）而言，優(yōu)選2～4mw、曝光時(shí)間10～30s。納米金碳點(diǎn)陣列編號、加工參數(shù)及熒光測試結(jié)果如表1所示：表1納米金碳點(diǎn)陣列編號、加工參數(shù)一覽表編號56789101112131415功率mw2222211110.50.5曝光時(shí)間s100203040503040506060120i（a.u.）840054007000380054003300380054001020023003900λmax（nm）590575600575595560570565580560570編號1617181920212223242526功率mw44444488888曝光時(shí)間s25102030500.10.20.5110i（a.u.）24004300830068007100510035003400370053007000λmax（nm）530590580580605600500500510590600圖2（a～e）給出了不同加工參數(shù)得到的碳熒光陣列不同波長激發(fā)時(shí)的照片；其中，a）為400nm激光作用后的鹵素?zé)粽丈湎碌腶ndorccd照片；b)為高壓hg燈365nm激發(fā)下andorccd照片；c）和d）分別為高壓hg燈365nm和436nm激發(fā)下的照片；圖3（a～d）給出了不同加工參數(shù)得到的碳熒光陣列受高壓汞燈365nm波長激發(fā)時(shí)的光譜，為了便于比較，圖3a、b（origin）還分別給出了未激光輻照時(shí)的微弱熒光表現(xiàn)。表1及圖2結(jié)果表明，納米金膜經(jīng)飛秒激光加工后形成的碳點(diǎn)陣列發(fā)光強(qiáng)度、峰值不僅與輻照功率有關(guān)，還受曝光時(shí)間直接影響?？傮w來說，納米碳點(diǎn)的熒光峰值波長大于500nm，最高延至605nm，說明熒光主要源自直徑較大的碳點(diǎn)；適當(dāng)延長曝光時(shí)間，熒光大多增強(qiáng)，此時(shí)碳點(diǎn)含量增加；輻照激光功率高、低分別利于小、大尺寸碳點(diǎn)形成，熒光峰值波長分別呈現(xiàn)短、長趨勢；激光加工功率高時(shí)因燒蝕容易產(chǎn)生碳點(diǎn)空洞陣列，孔洞直徑與深度則與曝光時(shí)間相關(guān)。由此說明，選擇合適激光功率、曝光時(shí)間能獲得淺層孔洞碳點(diǎn)陣列，用于微量離子或分子的熒光探測。圖4給出了表1編號26加工后碳熒光（洞）陣列的sem（a）、碳元素c分布圖（b）；由于使用8mw較高功率激光加工，10秒輻照時(shí)間，加工的光斑區(qū)域形成了較大尺寸的燒蝕孔洞，碳沿洞周圍分布相對均勻，比較而言，洞附近碳含量高，這是因?yàn)榧す廨椪障绿键c(diǎn)優(yōu)先在洞附近形成，從而導(dǎo)致燒蝕孔洞附近碳濃度分布增高。圖5是5.5mw、曝光時(shí)間200ms、間隔2um、532nm飛秒激光加工寫“scnu”后gnp－pva膜(a)用hg燈365nm（b）、435nm（c）、546nm（d）激發(fā)光照射采集的照片；說明這種碳點(diǎn)陣列對激發(fā)呈現(xiàn)寬波長范圍響應(yīng)特點(diǎn)，這對檢測不同波長響應(yīng)離子或分子時(shí)選擇性探測十分有利。圖66mw、曝光時(shí)間25、50、100、150、200ms，間隔2μm，770nm激光加工gnr－pva（用od＝8、λabs＝770nm、納米金含量約0.016%gnr－pva分散液制成）膜得到的碳點(diǎn)陣列熒光光譜。此時(shí)，所得碳點(diǎn)陣列熒光強(qiáng)度較小，峰值波長在550nm附近，說明整體曝光時(shí)間短時(shí)，碳點(diǎn)形成濃度低，導(dǎo)致發(fā)光較弱。圖7功率5mw、770nm飛秒激光加工gnr－pva膜（光學(xué)密度為8的pva－gnr分散液，納米金含量約0.016%），曝光時(shí)間30s所得碳熒光陣列對微量銅離子響應(yīng)情況。激發(fā)波長為365nm的前后照片（a）（左、右）、前后光譜（b）。結(jié)果顯示，微量銅離子能導(dǎo)致碳點(diǎn)熒光陣列明顯猝滅（變暗）。圖8給出了5mw、880nm、曝光時(shí)間20秒飛秒激光分別加工純pva、光學(xué)密度為8的pva－gnr（λabs＝880nm）分散液（納米金含量約0.016%）制成的膜的熒光光譜圖（激發(fā)波長436nm）。結(jié)果表明，純pva膜經(jīng)同樣條件下激光加工其熒光幾乎可忽略，添加納米金的pva膜經(jīng)激光加工后因形成豐富碳點(diǎn)導(dǎo)致熒光強(qiáng)度（峰面積）增加了數(shù)十倍，熒光峰值紅移至大尺寸碳點(diǎn)熒光波長590nm，說明激光輻照時(shí)有納米金的存在可顯著催化加速碳點(diǎn)形成。圖9給出了12.5mw、532nm、曝光時(shí)間10秒飛秒激光加工前后純pva膜的熒光光譜圖（激發(fā)波長365nm）。結(jié)果表明，純pva膜激光加工前后其熒光幾乎可忽略，無明顯改變。說明無納米金存在時(shí)激光加工無法獲得熒光碳點(diǎn)。圖10給出了添加不同光學(xué)密度納米金－pva分散液（od為2、6、12、18的gnp－pva分散液中納米金含量分別約為0.0067%、0.02%、0.04%、0.06%）制備的pva－gnp膜經(jīng)8mw、532nm、曝光時(shí)間2秒連續(xù)激光加工后365nm激發(fā)所得的熒光光譜，結(jié)果表明，添加納米金少（光學(xué)密度2、6）時(shí)，幾乎無納米碳點(diǎn)形成而觀察不到550～600nm范圍較強(qiáng)發(fā)光。當(dāng)添加納米金的光學(xué)密度達(dá)到12及以上時(shí)，激光加工后發(fā)光碳點(diǎn)則大量形成。碳點(diǎn)熒光實(shí)驗(yàn)：取上述方法制備得到的碳點(diǎn)陣列，在顯微鏡下滴加含有10-7um微量銅離子的水溶液，5min后觀察熒光變化。圖7（上，下）給出了銅離子添加前后的熒光變化情況，可看出兩種情況下熒光有顯著差異，故可用于檢測微量銅離子。綜上可得，碳點(diǎn)可以由納米金高分子膜經(jīng)激光加工獲得，這種熒光陣列可用普通汞燈激發(fā)，可望發(fā)展成為一種對包括cu2+在內(nèi)的離子、分子等的熒光探針，應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。當(dāng)前第1頁12