技术领域
[0001] 本
发明涉及
纳米材料领域，尤其涉及一种氮掺杂
石墨烯量子点及其制备方法和用途。
背景技术
[0002] 石墨烯量子点因其独特的
荧光活性在
生物成像、
疾病诊断和生物环境监测等领域具有广泛的应用，通过改变石墨烯量子点的尺寸和表面官能团能够实现对其荧光性能的可控调节，此外，石墨烯量子点的荧光活性也可以通过掺杂其他元素(如氮、硫、
硼等)来实现，其中，氮
原子和
碳原子的大小最为接近，最容易实现掺杂，
现有技术中的一大研究方向即是通过改变原材料的组成以及合成和纯化的方法实现不同掺杂类型和不同掺杂量的氮掺杂石墨烯量子点，以此来调控其荧光性能。
[0003] 目前，制备氮掺杂石墨烯量子点的技术主要有两类，其一是通过“
自下而上”的方式选用含氮的小分子作为原料组装形成氮掺杂石墨烯量子点，其二是通过“
自上而下”的方法，以石墨粉和含氮化合物等为前体通过
氧化剥离合成氧化石墨烯，然后
溶剂热等方法合成氮掺杂石墨烯量子点，例如，CN103497762A中公开了一种基于一步单组份
水热合成氮掺杂碳量子点的方法，通过将
柠檬酸铵溶于水中，待其完全溶解后进行水热反应，反应后的溶液经过旋蒸、洗脱得到亮蓝色的氮掺杂量子点，然而，通过铵盐类的材料在石墨烯量子点中掺杂氮元素的方法，得到的氮掺杂石墨烯量子点含氮量虽然较高，但氮元素多掺杂于石墨烯结构中，氮元素的引入仅改变了石墨烯量子点的荧光特性；CN102167310A中公开了一种水热法制备氮掺杂石墨烯材料的方法，通过将氧化石墨和
表面活性剂加入溶剂中，使用超声法或加热搅拌法将其混合均匀，得到混合物A，之后向混合物A中加入含氮化合物进行水热反应，水热反应
温度为100～190℃，水热反应时间为4～48h，然后用蒸馏水、
乙醇或丙
酮洗涤，再在60～110℃条件下烘干或在60～80℃条件下
真空干燥6h，即得到氮掺杂石墨烯材料；CN104109534A中公开了一种氮掺杂石墨烯量子点及其制备方法，所述氮掺杂石墨烯量子点以石墨片为起始原料，经过氧化、超声剥离、溶剂热氮掺杂和纯化过程得到，所述氮掺杂石墨烯量子点中含有连接在碳原子上的羟基、羧基和烷胺基，平均直径为1.5～5nm，平均厚度为0.5～1nm，且其中C、O、N三种元素的摩尔百分比分别为75～85％、24～12％和1～3％。上述方法中得到的氮掺杂石墨烯量子点中氮含量仍然较少，且均不含有活性的N-H键，难以被进一步化学修饰，使其难以用于荧光探针等领域，而且，上述氮掺杂石墨烯量子点的制备方法均存在成本昂贵、工艺繁琐、产率较低、不够环保等问题，不适合批量生产和应用。
[0004] 在现有技术的
基础上，本领域的技术人员需要对现有的氮掺杂石墨烯量子点的制备技术进行进一步改进，以得到氮含量更高且含有较多具有更高活性的N-H键的石墨烯量子点，从而满足生物医药领域中对于量子点进行化学修饰的需求，使其能够用于作为荧光
纳米探针等荧光检测材料使用。
发明内容
[0005] 针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于对现有的氮掺杂石墨烯量子点的制备技术进行进一步改进，以提供一种氮含量更高且含有较多具有更高活性的N-H键的氮掺杂石墨烯量子点，从而满足生物医药领域中对于量子点进行化学修饰的需求。
[0006] 为达此目的，本发明的目的之一在于提供一种氮掺杂石墨烯量子点，其特征在于，所述氮掺杂石墨烯量子点表面含有C-N键和N-H键。
[0007] 所述氮掺杂石墨烯量子点的平均粒径为2～4nm，且其中C元素的摩尔百分含量为73～87mol％，例如为74mol％、76mol％、78mol％、80mol％、82mol％、84mol％或86mol％等，O元素的摩尔百分含量为8～18mol％，例如为9mol％、10mol％、11mol％、12mol％、13mol％、
14mol％、15mol％、16mol％或17mol％等，N元素的摩尔百分含量为4～9mol％，例如为
5mol％、6mol％、7mol％、或8mol％等。
[0008] 本发明得到的氮掺杂石墨烯量子点具有较高的氮含量，且表面含有非常丰富的N-H键，N-H键的存在有利于将得到的石墨烯量子点与其他有机大分子，如多肽、
蛋白质、
抗体等通过化合键相连，进而拓展现有量子点材料在细胞成像、荧光检测等领域中的应用。
[0009] 优选地，所述氮掺杂石墨烯量子点的元素组成为：C元素的摩尔百分含量为73mol％，O元素的摩尔百分含量为17mol％，N元素的摩尔百分含量为9mol％。
[0010] 本发明的目的之二在于提供一种氮掺杂石墨烯量子点的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
[0011] 步骤(1)，将含碳材料分散在第一
有机溶剂中，向其中加入氧化性盐的水溶液，进行超声处理，得到超声处理后的混合物；
[0012] 步骤(2)，将步骤(1)中得到的超声处理后的混合物进行加热氧化处理，得到氧化后的混合物；
[0013] 步骤(3)，将步骤(2)中得到的氧化后的混合物转移至反应釜内，进行溶剂热反应，反应结束后得到粗产物；
[0014] 步骤(4)，将步骤(3)中得到的粗产物过滤，滤液中加入第二有机溶剂和水进行萃取，萃取得到的水相经过浓缩和
透析，得到所述氮掺杂石墨烯量子点。
[0015] 优选地，步骤(1)中所述的含碳材料为石墨烯、碳
纳米管或碳
纤维中的任意一种或至少两种的混合物。
[0016] 优选地，步骤(1)中所述的超声处理后的混合物中碳材料的含量为10～60mg/mL，例如为20mg/mL、30mg/mL、40mg/mL或50mg/mL等。
[0017] 优选地，步骤(1)中所述的第一有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，N-甲基吡咯烷酮既可以作为有机溶剂，也可以作为氮源，使用其作为氮源能够得到更高氮含量的氮掺杂石墨烯量子点，且得到的氮掺杂石墨烯量子点表面具有更多如N-H键等的活性位点，更适合进行化学修饰和改性。
[0018] 优选地，步骤(1)中所述的氧化性盐为过
硫酸铵、过
硫酸钾、
硝酸钾或高锰酸钾中的任意一种或至少两种的混合物，进一步优选为过硫酸铵。
[0019] 优选地，步骤(1)中所述的超声处理的温度为20～60℃，例如为25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃或58℃等。
[0020] 优选地，步骤(1)中所述的超声处理的时间为0.5～2h，例如为0.6h、0.7h、0.8h、0.9h、1h、1.1h、1.3h、1.5h、1.7h或1.9h等。
[0021] 优选地，步骤(2)中所述加热氧化处理前还包括向超声处理后的混合物中加入双氧水；
[0022] 优选地，加入的双氧水的浓度小于等于30wt％，加入的双氧水的体积小于被加入的溶液的体积。
[0023] 优选地，步骤(2)中所述的加热氧化处理的温度为80～120℃，例如为85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或118℃等。
[0024] 优选地，步骤(2)中所述的加热氧化处理的时间为6～12h，例如为6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h或11.5h等。
[0025] 优选地，步骤(3)中所述的溶剂热反应的温度为180～220℃，例如为185℃、190℃、195℃、200℃、205℃、210℃、215℃或218℃等。
[0026] 优选地，步骤(3)中所述的溶剂热反应的时间为6～12h，例如为6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h、9h、9.5h、10h、10.5h、11h或11.5h等。
[0027] 优选地，步骤(3)中所述的溶剂热反应前还包括向氧化后的混合物中加入双氧水。
[0028] 优选地，加入的双氧水的浓度小于等于30wt％，加入的双氧水的体积小于被加入的溶液的体积。
[0029] 优选地，步骤(4)中所述的过滤通过微孔滤膜进行。
[0030] 优选地，所述微孔滤膜为聚四氟乙烯过滤膜、聚碳酸酯过滤膜、硝酸
纤维素过滤膜、聚偏氟乙烯过滤膜、
醋酸纤维素过滤膜、再生纤维素过滤膜或聚酰胺过滤膜中的任意一种微孔滤膜。
[0031] 优选地，所述微孔滤膜的孔径为0.22～0.4μm，例如为0.24μm、0.26μm、0.28μm、0.30μm、0.32μm、0.34μm、0.36μm或0.38μm等。
[0032] 优选地，步骤(4)中所述的第二有机溶剂为二氯甲烷、氯仿、乙酸乙酯、正己烷或正丁醇中的任意一种或至少两种的混合物。
[0033] 优选地，步骤(4)中所述的萃取过程中，水和第二有机溶剂的
质量比为2～4:1，例如为2.1:1、2.3:1、2.5:1、2.7:1、2.9:1、3.1:1、3.3:1、3.5:1、3.7:1或3.9:1等。
[0034] 优选地，步骤(4)中所述的萃取的时间为0.5～2h，例如为0.6h、0.8h、1h、1.2h、1.4h、1.6h或1.8h等。
[0035] 优选地，步骤(4)中所述的浓缩通过旋蒸实现。
[0036] 优选地，所述旋蒸的温度为40～60℃，例如为42℃、44℃、46℃、48℃、50℃、52℃、54℃、56℃或58℃等。
[0037] 优选地，步骤(4)中所述透析的时间为5～10天，例如为6天、7天、8天或9天等。
[0038] 优选地，所述制备方法包括如下步骤：
[0039] 步骤(1)，将含碳材料以10～60mg/mL的浓度分散在N-甲基吡咯烷酮中，向其中加入氧化性盐的水溶液，在20～60℃下超声处理0.5～2h，得到超声处理后的混合物；
[0040] 步骤(2)，在步骤(1)中得到的超声处理后的混合物中加入双氧水，之后在80～120℃下加热进行氧化处理6～12h，得到氧化后的混合物；
[0041] 步骤(3)，将步骤(2)中得到的氧化后的混合物转移至反应釜内，继续向其中加入双氧水，在180～220℃下进行溶剂热反应6～12h，反应结束后得到粗产物；
[0042] 步骤(4)，将步骤(3)中得到的粗产物通过孔径为0.22～0.4μm的微孔滤
膜过滤，滤液中加入有机溶剂和水进行萃取0.5～2h，保持萃取过程中水和第二有机溶剂的质量比为2～4:1，萃取得到的水相使用旋蒸仪在40～60℃下进行旋蒸浓缩，浓缩后的溶液进行透析，透析在截止分子量为500Da的透析袋中进行，透析时间为5～10天，之后得到所述氮掺杂石墨烯量子点。
[0043] 本发明的目的之三在于提供一种所述的氮掺杂石墨烯量子点的用途，即所述氮掺杂量子点具有优异的荧光性能和可化学修饰性能，可以用于荧光成像或荧光检测等领域。
[0044] 本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0046] 本发明通过改进现有氮掺杂石墨烯量子点的制备技术，能够获得一种氮含量达到9mol％且表面含有较多具有更高活性的N-H键的石墨烯量子点，使其能够满足生物医药领域中对于量子点进行化学修饰的需求，进而作为荧光纳米探针等荧光检测材料使用。
附图说明
[0047] 图1为本发明具体实施方式中
实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1的AFM照片。
[0048] 图2为本发明具体实施方式中实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1中N1s能级经过分峰处理后的XPS谱图。
[0049] 图3为本发明具体实施方式中对照例1得到的氮掺杂石墨烯量子点10中N1s能级经过分峰处理后的XPS谱图。
[0050] 图4为本发明具体实施方式中实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1和对照例1得到的氮掺杂石墨烯量子点10的红外
光谱图。
具体实施方式
[0051] 下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0052] 实施例1
[0053] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点1：
[0054] 步骤(1)，将0.5g石墨烯粉分散在20mL N-甲基吡咯烷酮中，形成浓度为25mg/mL的分散液，向其中加入0.5g过硫酸铵，使用功率为150W的
超声波清洗器在60℃下超声处理分散液2h，得到超声处理后的混合物；
[0055] 步骤(2)，在步骤(1)中得到的超声处理后的混合物中加入10mL浓度为30wt％的双氧水，之后将其在120℃下使用磁
力搅拌器以500转/min的转速搅拌进行氧化处理6h，得到氧化后的混合物；
[0056] 步骤(3)，将步骤(2)中得到的氧化后的混合物转移至反应釜内，继续向其中加入10mL浓度为30wt％的双氧水，在220℃下进行溶剂热反应6h，反应结束后得到粗产物；
[0057] 步骤(4)，将步骤(3)中得到的粗产物通过孔径为0.22μm的聚四氟乙烯微孔滤膜过滤，滤液中加入50mL二氯甲烷和150mL水，震荡混匀后进行萃取1～2h，保持萃取过程中水和第二有机溶剂的质量比为2～4:1，萃取得到的水相使用旋蒸仪在50℃抽真空的条件下进行旋蒸浓缩至体积为2～3mL，浓缩后的溶液进行透析，透析在截止分子量为500Da的透析袋中进行，透析时间为7天，之后得到所述氮掺杂石墨烯量子点1。
[0058] 实施例2
[0059] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点2：
[0060] 与实施例1的区别之处仅在于，将步骤(1)中的石墨烯粉替换为
碳纤维，且碳纤维的加入量为1.2g。
[0061] 实施例2得到氮掺杂石墨烯量子点2。
[0062] 实施例3
[0063] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点3：
[0064] 与实施例1的区别之处仅在于，将步骤(1)中的石墨烯粉替换为
碳纳米管，且碳纳米管的加入量为0.2g。
[0065] 实施例3得到氮掺杂石墨烯量子点3。
[0066] 实施例4
[0067] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点4：
[0068] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(1)中所述超声处理的温度为20℃，时间为0.5h。
[0069] 实施例4得到氮掺杂石墨烯量子点4。
[0070] 实施例5
[0071] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点5：
[0072] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(2)中所述氧化处理的温度为80℃，时间为12h。
[0073] 实施例5得到氮掺杂石墨烯量子点5。
[0074] 实施例6
[0075] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点6：
[0076] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(3)中所述溶剂热反应的温度为180℃，时间为12h。
[0077] 实施例6得到氮掺杂石墨烯量子点6。
[0078] 实施例7
[0079] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点7：
[0080] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(2)和步骤(3)中不加入双氧水。
[0081] 实施例7得到氮掺杂石墨烯量子点7。
[0082] 实施例8
[0083] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点8：
[0084] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(4)中所述的微孔滤膜为再生纤维素滤膜，孔径为0.4μm。
[0085] 实施例8得到氮掺杂石墨烯量子点8。
[0086] 实施例9
[0087] 通过如下步骤制备氮掺杂石墨烯量子点9：
[0088] 与实施例1的区别之处仅在于，步骤(1)中的过硫酸铵替换为相同重量的高锰酸钾。
[0089] 实施例9得到氮掺杂石墨烯量子点9。
[0090] 对照例1
[0091] 以中国
专利CN104109534A中公开的实施例1作为氮掺杂石墨烯量子点10。
[0092] 通过如下测试方法对上述各实施例和对照例中得到的氮掺杂石墨烯量子点1～10的性能进行表征测试。
[0093] (1)形貌测试
[0094] 使用Bruker公司生产的Multimode 8型原子力
显微镜(AFM)测试得到的氮掺杂石墨烯量子点1～10的微观尺度形貌。
[0095] (2)结构和元素组成测试
[0096] 使用PerkinElmer公司生产的Spectrum One型红外光谱仪(IR)测试得到的氮掺杂石墨烯量子点1～10的红外光谱，分析其结构组成。
[0097] 使用ThermoFisher Scientific公司生产的ESCALAB250Xi型
X射线光
电子能谱仪(XPS)测试得到的氮掺杂石墨烯量子点1～10的
光电子能谱，分析其元素组成和各元素的价态。
[0098] (3)荧光性能测试
[0099] 使用PerkinElmer公司生产的LS-55型荧光分光光度计(UV-Vis)测试得到的氮掺杂石墨烯量子点1～10的荧光吸收光谱和发射光谱，分析其荧光发射峰的
位置。
[0100] 通过上述测试和表征得到如下结论：
[0101] 本发明各实施例得到的氮掺杂石墨烯量子点1～9的平均粒径均在2～4nm的范围内，荧光发射峰的位置在430～450nm内，其表面均含有C-N键和N-H键，其中C元素的摩尔百分含量在73～87mol％的范围内，O元素的摩尔百分含量在8～18mol％的范围内，N元素的摩尔百分含量在4～9mol％的范围内。
[0102] 其中实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1的元素组成为：C元素的摩尔百分含量为73mol％，O元素的摩尔百分含量为17mol％，N元素的摩尔百分含量为9mol％，实施例9得到的氮掺杂石墨烯量子点9的元素组成为：C元素的摩尔百分含量为87mol％，O元素的摩尔百分含量为8mol％，N元素的摩尔百分含量为4mol％。
[0103] 本发明对照例1得到的氮掺杂石墨烯量子点10的平均粒径均在2.5nm左右，荧光发射峰的位置在520nm左右，其表面仅含有C-N键，其C元素的摩尔百分含量为85mol％，O元素的摩尔百分含量为13mol％，N元素的摩尔百分含量仅为2mol％。
[0104] 以本发明实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1为例，图1为本发明实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1的AFM照片，其中可以明显看出使用本发明所述的制备方法得到的氮掺杂石墨烯量子点粒径均匀，且在水溶液中分散均匀，无团聚现象出现，具有较高的
稳定性。
[0105] 图2和图3分别为本发明实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1和对照例1得到的氮掺杂石墨烯量子点10中N1s能级经过分峰处理后的XPS谱图，可以明显本发明得到的氮掺杂石墨烯量子点表面含有C-N键和N-H键，而现有技术得到的氮掺杂石墨烯量子点表面仅含有C-N键，无法通过形成化合键来进一步修饰。
[0106] 图4为本发明实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1和对照例1得到的氮掺杂石墨烯量子点10的红外光谱图，其中亦可明显看出本发明实施例1得到的氮掺杂石墨烯量子点1中含有N-H键的伸缩振动峰。
[0107] 综上所述，本发明通过改进现有氮掺杂石墨烯量子点的制备技术，能够获得一种氮含量达到9mol％且表面含有较多具有更高活性的N-H键的石墨烯量子点，使其满足生物医药领域中对于量子点进行化学修饰的需求，进而作为荧光纳米探针等荧光检测材料使用。
[0108] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
