本發明涉及一種熒光碳量子點的制備方法，特別是一種利用簡單的水熱反應制備熒光碳量子點的方法。

背景技術：

量子點具有獨特的量子限域效應、表面效應、小尺寸效應，而成為納米材料研究的熱點，作為準零維納米材料，在光學器件、電學器件、生物成像、生物載藥等領域得到應用。由于傳統的半導體量子點(例如CdSe、PbTe、CdTe等)和有機染料存在制備方法繁瑣、價格昂貴、不環保、易發生光漂白等缺點，限制了其應用，因此開發理想無毒且具有類似性質的替代納米材料及其簡單高效綠色制備方法十分必要。

碳量子點是一種重要的熒光碳納米材料，也稱為碳點、碳納米點、碳納米晶等，是尺寸在10nm以下、完全分散、幾何形狀近乎準球形的一類新型碳納米功能材料。熒光碳量子點顆粒尺寸小，水溶性好，易于功能化，耐光漂白，無毒，并且具有良好的生物相容性，使其在光器件、細胞成像、藥物運輸、生物檢測、光催化、太陽能電池、光電學器件、環境科學等領域具有廣闊的應用前景。

制備碳量子點的方法主要有兩種，自上而下法和自下而上法。自上而下法主要包括電弧放電、激光剝蝕、電化學氧化等，該類方法往往需要嚴苛的實驗條件，成本高，操作復雜，且產量較低。自下而上法主要包括水熱合成法、微波法、超聲波法等，其實驗條件簡單，產量較高，便于放大批量生產?，F有技術中的水熱法因其特有優點較為廣泛地應用，但通常需要使用強酸、強堿或有毒試劑。

中國發明專利申請016101309488公開了一種以石榴籽為碳源一步合成熒光碳量子點的方法，該專利是將新鮮石榴籽、乙二胺和去離子水混合均勻后分別通過微波法和水熱法一步合成熒光碳量子點。該專利方法不使用強酸氧化，也沒有復雜的后處理過程，操作簡單易行，無毒性大的試劑，所使用的碳源廉價易得，合成的碳量子點具有較強的熒光，不僅可以用于生物傳感，還可以用于細胞成像等領域。

尋找廉價易得、天然無毒、環境友好的原料作為碳源，用于制備碳量子點，同時避免在制備過程引入強酸、強堿、有毒試劑，是本領域需要解決一個課題，而且碳量子點的綠色制備對其后期的生物應用也是非常重要的。

技術實現要素：

本發明提供一種可克服現有技術不足的、以水熱法制備并在制備過程中不使用任何的強酸、強堿或有毒試劑的熒光碳量子點的制備方法。

本發明的水熱法制備碳量子點的方法所用的碳源為廢棄咖啡渣。

本發明更為具體的一種制備過程為將質量比為1:50-1:10的咖啡渣與去離子水充分混合后將置入反應釜，反應溫度為150-200℃，保溫5-20h，反應完成后在室溫下冷卻，得到熒光碳量子點和未反應咖啡渣的混合物，經過過濾后，離心取上清液，即得熒光碳量子點的分散液。

將本發明的方法制備得到的碳量子點的分散液經蒸發干燥處理，即可得到碳量子點的干粉。

本發明所述制備熒光碳量子點的方法具有原料廉價、工藝條件簡單、操作綠色環保、成本低、可重復性強、產量大、易于放大批量化生產等優點。制備出的熒光碳量子點顆粒尺寸細小、完全分散無團聚、熒光強。由于其良好的生物相容性和熒光特性，在光器件、細胞成像、藥物運輸、生物檢測、光催化、太陽能電池、光電學器件、環境科學等領域具有應用前景。

附圖說明

圖1為實施例1中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點的透射電子顯微鏡(TEM)明場像圖。

圖2為實施例2中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點的透射電子顯微鏡(TEM)明場像圖。

圖3為實施例2中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點干粉的光電子能(XPS)譜。

圖4為實施例2中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點分散液對Hela細胞的成像照片。左側照片是Hela細胞的明場像照片；右側照片是Hela細胞在403nm激發下的照片。

圖5為實施例3中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點分散液在650nm-900nm激發下的上轉換熒光光譜。

圖6為實施例4中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點顆粒粉體的X射線衍射(XRD)譜。

圖7為實施例4中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點顆粒粉體的紅外光(FTIR)譜。

圖8為實施例3中經水熱反應、過濾、離心后碳量子點分散液在340nm-480nm激發下的下轉換熒光光譜。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明進行進一步闡述。

實施例1

將回收的咖啡渣干燥，稱取1g咖啡渣加入50ml去離子水，超聲混合2h，后將混合物置入50ml的聚四氟乙烯反應釜，在170℃反應5h。將反應釜在室 溫下冷卻，冷卻后用濾紙過濾，后在15000rpm條件下離心5min，取上層澄清液，即得完全分散的碳量子點分散液，分散液呈金黃色。經蒸發后濃度上深，顏色呈深棕色。

如圖1 TEM照片所示，所制碳量子點完全分散，無團聚，形狀呈類球形，顆粒尺寸26.5-73.3nm，平均顆粒尺寸44.0nm。

實施例2

將回收的咖啡渣干燥，稱取3g咖啡渣加入50ml去離子水，超聲混合2h，后將混合物置入50ml的聚四氟乙烯反應釜，在190℃反應5h。將反應釜在室溫下冷卻，冷卻后用濾紙過濾，后在15000rpm條件下離心5min，取上層澄清液，即得完全分散的碳量子點分散液，分散液呈金黃色。經蒸發后濃度上深，顏色呈深棕色。

如圖2 TEM照片所示，所制碳量子點完全分散，無團聚，形狀呈類球形，顆粒尺寸1.1-4.4nm，平均顆粒尺寸2.8nm。取一定量碳量子點的分散液，在80℃蒸發干燥。如圖3是碳量子點顆粒粉體的XPS譜，譜中存在C、H、O、N峰，間接說明碳量子點表面存在豐富的羥基、羧基等含氧官能團。所制備的碳量子點可用于Hela細胞成像，如圖4所示，左圖為Hela細胞的明場像照片，可以清晰地看到完整的楔形細胞輪廓。圖4右圖為細胞在403nm激發下的照片，可以看到細胞依然具有與明場像一致的輪廓，并且細胞呈現藍色，說明制備的碳量子點被細胞吞噬，碳量子點成功的標記了細胞。

實施例3

將回收的咖啡渣干燥，稱取3g咖啡渣加入50ml去離子水，超聲混合2h，后將混合物置入50ml的聚四氟乙烯反應釜，在190℃反應10h。將反應釜在室溫下冷卻，冷卻后用濾紙過濾，后在15000rpm條件下離心5min，取上層澄 清液，即得完全分散的碳量子點分散液，分散液呈金黃色。經蒸發后濃度上深，顏色呈深棕色。

所制碳量子點完全分散，無團聚，形狀呈類球形，顆粒尺寸2.2-4.6nm，平均顆粒尺寸3.4nm。如圖5所示，所制備碳量子點分散液在650-900nm激發下，在可見光波段有明顯發射峰。發射峰位隨激發波波長增大，而發生紅移，表現為依賴于激發的下轉換熒光性質。

實施例4

將回收的咖啡渣干燥，稱取5g咖啡渣加入50ml去離子水，超聲混合2h，后將混合物置入50ml的聚四氟乙烯反應釜，在200℃反應10h。將反應釜在室溫下冷卻，冷卻后用濾紙過濾，后在15000rpm條件下離心5min，取上層澄清液，即得完全分散的碳量子點分散液，分散液呈金黃色。經蒸發后濃度上深，顏色呈深棕色。

所制碳量子點完全分散，無團聚，形狀呈類球形，顆粒尺寸1.6-5.4nm，平均顆粒尺寸3.2nm。將碳量子點分散液滴在硅片上，待干燥后測得碳量子點顆粒粉體的XRD譜，如圖6所示，在24°附近有一非晶包，說明所制備碳量子點為非晶態顆粒。取一定量碳量子點的分散液，在80℃蒸發干燥。如圖7是碳量子點顆粒粉體的FTIR譜，如譜所示，碳量子點含有豐富的含氧官能團。如圖所示，所制備碳量子點分散液在340-480nm激發下，在可見光波段有明顯發射峰。發射峰位隨激發波長增大，而發生紅移，表現為依賴于激發的下轉換熒光性質。