下载文档原格式
碳量子点的制备与介绍碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）是一种直径小于10纳米的碳基纳米材料。
它们具有许多优良的性质，如较高的化学稳定性、优异的光学性能和生物相容性，因此在生物医学、能源存储和光电器件等领域具有广泛的应用潜力。
本文将介绍碳量子点的制备方法以及它们的一些主要特性。
首先，我们来看一下碳量子点的制备方法。
目前有几种常用的方法用于合成碳量子点，包括炭化物热解法、水热法和微波辐射法等。
下面分别介绍这些方法。
炭化物热解法是一种将有机化合物热解得到碳量子点的方法。
一般来说，选择含有碳、氮和氧等原子的有机化合物作为前体材料，通过高温热解反应将有机分子分解生成碳量子点。
这种方法可以制备出具有较窄的光谱带宽、较高的量子产率和较好的稳定性的碳量子点。
水热法是一种简单易行的方法用于制备碳量子点。
简单而言，将有机化合物溶解于溶剂中，加入适量的酸碱物质进行反应，在高温高压的条件下，有机分子会发生裂解生成碳量子点。
这种方法制备的碳量子点具有较高的荧光量子产率、较大的布朗运动和较好的稳定性。
微波辐射法是一种利用微波辐射加热的方法制备碳量子点。
通过将有机化合物溶解于溶剂中，放入微波反应器中，利用微波辐射来加热溶液，有机分子会裂解生成碳量子点。
这种方法制备的碳量子点具有较快的反应速率、较窄的发射峰宽度和较高的量子产率。
接下来，我们来看一下碳量子点的一些主要特性。
首先，碳量子点具有较高的化学稳定性，能够在不同的环境条件下保持其光学性能和稳定性。
其次，碳量子点具有优异的光学性能，具有较高的荧光量子产率和较窄的发射峰宽度，可以在可见光范围内发光。
此外，碳量子点还具有较好的生物相容性，可以应用于生物医学领域，如成像和药物传递等。
最后，碳量子点还可以应用于能源存储和光电器件等领域，如太阳能电池和光电催化等。
综上所述，碳量子点是一种新型的纳米材料，具有许多优秀的性质和潜在应用。
随着对其制备方法的不断优化和对其性质的深入研究，相信碳量子点在各个领域中的应用将得到更大的拓展和发展。
一种碳量子点的制备方法及其应用
碳量子点是一种由碳元素构成的纳米材料，具有较小的尺寸和独特的光电性质，在生物医学、能源储存、环境污染治理等领域具有广泛的应用前景。
下面介绍一种常用的碳量子点制备方法及其应用。
制备方法：
1. 水热法：将葡萄糖等碳源经过水热反应处理，生成具有荧光性质的碳量子点。
水热反应过程中，可以通过调节反应体系的温度、时间、pH值等因素控制其形貌和光电性能。
2. 氧化焦炭还原法：将高温炭黑经过氧化处理，生成含氧官能团的前体化合物，再经过还原反应可以制备出具有较好荧光性能的碳量子点。
3. 激光剥蚀法：利用激光光束将石墨烯等碳材料剥离成纳米碳片，再通过超声分散和后处理等步骤进行表面官能团修饰，可以得到具有优良荧光性质的碳量子点。
应用：
1. 生物荧光成像：碳量子点具有较好的生物相容性和荧光亮度，可以作为细胞成像探针用于生物医学研究。
2. 电催化：碳量子点具有较高的表面能和活性位点，可以作为电催化剂用于氧还原反应等能源领域应用。
3. 污染治理：碳量子点具有较高的吸附性能和光催化性能，可以用于污染物的吸附和光降解等领域。
水热法制备碳量子点及微量热泳动技术研究碳点和生物分子亲和作
用
1. 水热法制备碳量子点
水热是利用高压水的温度和压力将液态的碳化合物改变为碳量
子点的一种方法。
碳量子点是晶体结构中的一种微小碳化合物，具有尺寸只有几个原子的特殊特性，具有精密的形状、结构和物理性质。
除了形状和尺寸之外，碳量子点还可以调节光、磁共振成像和放射性行为。
由于水热法可以控制碳量子点的尺寸和形貌，因此有利于提高生物兼容性，进一步实现碳量子点在生物医学领域的应用，如抗肿瘤等。
2. 微量热泳动技术研究碳点和生物分子亲和作用
微量热泳动是一种用于研究碳量子点和生物分子亲和作用的技术。
该技术可以测定碳量子点和生物分子之间的亲和作用，包括亲合性、物理-化学互作等。
这一技术更好地识别了碳量子点的毒性，促进了其生物医学应用。
此外，微量热泳动还可以检测碳量子点和生物分子之间的亲和作用状态，从而有助于更深入地理解碳量子点和生物分子之间的相互作用，为碳量子点的生物医学应用提供依据。
离子液体修饰的碳量子点制备及其应用离子液体修饰的碳量子点制备及其应用随着碳量子点（Carbon Quantum Dots，CQDs）在生物传感、光电器件和荧光探针等领域的广泛应用，对其制备方法的改进和功能化修饰的研究变得尤为重要。
离子液体作为一种优秀的功能材料，优异的溶解性和可调控性使其成为碳量子点制备中的重要修饰剂。
本文将讨论离子液体修饰的碳量子点制备方法及其在生物荧光探针和光催化领域的应用。
一、离子液体修饰的碳量子点制备方法1. 水热法离子液体修饰的碳量子点的制备方法之一是水热法。
首先，在溶剂中溶解离子液体和碳源，如蔗糖或葡萄糖。
接着，在恒定温度下进行水热反应，生成具有荧光特性的离子液体修饰的碳量子点。
2. 空心化学方法空心化学方法也是制备离子液体修饰的碳量子点的常用方法之一。
首先，先制备核心材料，然后将其包覆在离子液体修饰的碳量子点表面，通过燃烧或溶解核心材料来形成空心结构的碳量子点。
二、离子液体修饰的碳量子点在生物荧光探针中的应用1. 细胞成像离子液体修饰的碳量子点具有良好的水溶性和生物相容性，可用于细胞成像。
研究人员通过将离子液体修饰的碳量子点与细胞内特定蛋白质或分子靶向结合，实现对细胞内活性的实时监测和成像。
2. 荧光传感离子液体修饰的碳量子点在荧光传感方面有着广泛的应用。
通过利用其对特定物质的选择性响应，如离子液体修饰的碳量子点对金属离子或有机分子的荧光猝灭或增强效应，实现对环境污染物或生物标志物的高灵敏度检测。
三、离子液体修饰的碳量子点在光催化领域的应用离子液体修饰的碳量子点在光催化领域的应用也备受关注。
1. 光催化降解由于离子液体修饰的碳量子点具有优异的光催化性能，能够吸收可见光和紫外光，使其在污染物降解和光催化分解等领域具有潜在应用价值。
2. 水分解产氢部分离子液体修饰的碳量子点能够用于光催化制氢反应。
通过将光吸收剂与光催化催化剂相结合，提高阳光转化为氢能的效率。
四、总结与展望离子液体修饰的碳量子点的制备方法逐渐完善，其在生物荧光探针和光催化领域的应用也取得了显著的进展。
第36卷第2期2021年6月Vol.36No.2Jun.2021青岛大学学报(工程技术版)JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(E&T)文章编号：10069798(2021)02008706；DOI：10.13306/.10069798.2021.02.014一步水热法合成碳量子点实现癌细胞的荧光成像研究刘敬杨紫怡2,闫伟华2,刘鸿飞」，杨学成1(1.青岛大学医学院，山东青岛266071； 2.青岛大学附属医院，山东青岛266555)摘要：针对传统荧光染料存在合成成本高、工艺复杂、毒副作用强等问题，本文基于一步水热法，以间苯二酚和磷酸为原料,经真空干燥箱中加热，合成了具有成本低廉、生物相容性良好的纳米级荧光染料碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)。
同时，对CQD的形貌、粒径及光学特性进行表征，并对CQD 的元素、官能团及其在不同pH环境下的荧光强度进行分析，将CQDs应用于癌细胞的荧光成像。
研究结果表明，制备得到的CQDs具有尺寸均一，分散性良好等特点;该量子点的荧光强度可随pH值的 变化而改变，且在一定的pH值区间内，CQDs的荧光强度与pH值存在线性关系，证明该量子点可应用于对癌细胞的检测及荧光成像。
该研究对临床医学中的癌细胞识别及成像领域具有重要意义。
关键词：碳量子点；癌细胞；荧光成像中图分类号：R31&51；R31&08文献标识码：A近年来，荧光成像技术发展日新月异，其在辅助治疗癌细胞领域起到关键作用［1］。
传统的荧光染料大多含有苯环化合物，由于这些荧光染料合成成本高、工艺复杂、毒副作用强等因素，限制了其进一步应用，因此开发新型的荧光染料势在必行。
作为一种新型的碳纳米材料，碳量子点因其水溶性好、光稳定强等性能，受到人们的关注13］。
碳量子点(carbon quantum dots,CQDs)是一类由分散的类球状碳颗粒组成的尺寸极小的纳米颗粒，粒径一般小于10nm。
Material Sciences 材料科学, 2019, 9(6), 549-557Published Online June 2019 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2019.96070One-Step Hydrothermal Synthesis of ChiralCarbon Quantum DotsYao Wang, Yupeng Lu, Yuanzhe Li, Lumeng Wang, Fan ZhangCollege of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan ShanxiReceived: May 21st, 2019; accepted: Jun. 4th, 2019; published: Jun. 11th, 2019AbstractCarbon Quantum Dots (CQDs) have many excellent properties, such as low toxicity, biocompatibil-ity, photoluminescence, etc., which play an important role in many fields such as photocatalytic electrocatalytic chemical sensing in biological imaging and endowing CQDs with chiral proper-tiesto broaden its applications in chiral recognition and separation and asymmetric catalysis and chiral detection. Chiral carbon quantum dots (L-CQDs and D-CQDs) were synthesized by one-step hydrothermal method using tryptophan (L-Trp and D-Trp) as carbon source and chiral source and sodium hydroxide as reaction regulator. The optical properties and surface structures of L-CQDs and D-CQDs were characterized by high resolution lens electron microscopy, elemental analyzer, ultraviolet-visible absorption spectrometer, steady-state fluorescence spectrometer and circu-lar dichroism (CD). The results show that the prepared L-CQDs and D-CQDs with particle size less than 10 nm presented similar characteristics and optical properties, with strong fluores-cence characteristics and the property of stimulating independence, whose the maximum emis-sion wavelength is 476 nm as well as the optimal excitation wavelength is 360 nm. CD signals taking on mirror symmetry feature near 223 and 290 nm indicate that L-CQDs and D-CQDs are enantiomers.KeywordsHydrothermal Method, Chirality, Carbon Quantum Dots, Circular Dichroism一步水热法制备手性碳量子点王耀，鲁羽鹏，李远哲，王璐梦，张帆太原理工大学材料学院，山西太原收稿日期：2019年5月21日；录用日期：2019年6月4日；发布日期：2019年6月11日王耀 等摘要碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQDs)有着很多优良的特性，如：低毒性、生物相容性、光致发光等特性，在生物成像、光催化、电催化、化学传感等许多领域起着重要的作用，赋予CQDs 手性特性。
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201511004823.2(22)申请日 2015.12.28C01B 31/02(2006.01)B82Y 30/00(2011.01)C09K 11/65(2006.01)(71)申请人江南大学地址214122 江苏省无锡市蠡湖大道1800号(72)发明人商少明 顾丹 沈洁(54)发明名称一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法(57)摘要本发明公开了一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法，属于荧光纳米材料的制备领域，具体步骤为：(1)用榨汁机将新鲜生姜榨取生姜汁，10000r/min 离心除去大颗粒，得到新鲜稳定的生姜汁；(2)将得到的生姜汁转移到水热釜中，进行水热反应；(3)将得到的产物进行离心、透析，最终得到荧光碳点溶液。
本发明的反应原料无需添加任何化学试剂，仅以生姜汁为原料，原料广泛易得，制备方法简单，且制得的荧光碳点水溶性好稳定性高。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书2页 附图1页CN 105502339 A 2016.04.20C N 105502339A1.一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用榨汁机将新鲜生姜榨取生姜汁，8000-10000r/min离心除去大颗粒，得到新鲜稳定的生姜汁；(2)将得到的生姜汁转移到水热釜中，于160-200℃的温度下水热反应10-15h；(3)将得到的产物进行离心、透析，最终得到荧光碳点溶液。
2.根据权利要求1中所述的一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法，其特征在于，所述步骤(1)中离心时间为10-15min。
3.根据权利要求1中所述的一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用50-100mL水热反应釜。
4.根据权利要求1中所述的一种以生姜为原料水热合成碳量子点的方法，其特征在于，所述步骤(3)中离心速度为9000-12000r/min，离心时间为10-15min，透析袋规格为1000-3000Da，透析时间为24-48h。
Material Sciences 材料科学, 2019, 9(6), 549-557Published Online June 2019 in Hans. /journal/mshttps:///10.12677/ms.2019.96070One-Step Hydrothermal Synthesis of ChiralCarbon Quantum DotsYao Wang, Yupeng Lu, Yuanzhe Li, Lumeng Wang, Fan ZhangCollege of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan ShanxiReceived: May 21st, 2019; accepted: Jun. 4th, 2019; published: Jun. 11th, 2019AbstractCarbon Quantum Dots (CQDs) have many excellent properties, such as low toxicity, biocompatibil-ity, photoluminescence, etc., which play an important role in many fields such as photocatalytic electrocatalytic chemical sensing in biological imaging and endowing CQDs with chiral proper-tiesto broaden its applications in chiral recognition and separation and asymmetric catalysis and chiral detection. Chiral carbon quantum dots (L-CQDs and D-CQDs) were synthesized by one-step hydrothermal method using tryptophan (L-Trp and D-Trp) as carbon source and chiral source and sodium hydroxide as reaction regulator. The optical properties and surface structures of L-CQDs and D-CQDs were characterized by high resolution lens electron microscopy, elemental analyzer, ultraviolet-visible absorption spectrometer, steady-state fluorescence spectrometer and circu-lar dichroism (CD). The results show that the prepared L-CQDs and D-CQDs with particle size less than 10 nm presented similar characteristics and optical properties, with strong fluores-cence characteristics and the property of stimulating independence, whose the maximum emis-sion wavelength is 476 nm as well as the optimal excitation wavelength is 360 nm. CD signals taking on mirror symmetry feature near 223 and 290 nm indicate that L-CQDs and D-CQDs are enantiomers.KeywordsHydrothermal Method, Chirality, Carbon Quantum Dots, Circular Dichroism一步水热法制备手性碳量子点王耀，鲁羽鹏，李远哲，王璐梦，张帆太原理工大学材料学院，山西太原收稿日期：2019年5月21日；录用日期：2019年6月4日；发布日期：2019年6月11日王耀 等摘要碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQDs)有着很多优良的特性，如：低毒性、生物相容性、光致发光等特性，在生物成像、光催化、电催化、化学传感等许多领域起着重要的作用，赋予CQDs 手性特性。
将拓宽其在手性识别与分离、不对称催化及手性检测方面的应用。
本文以色氨酸(L-Trp 和D-Trp)为碳源和手性源、以氢氧化钠为反应调节剂，利用一步水热法制得手性碳量子点(左旋碳量子点和右旋碳量子点：L-CQDs 和D-CQDs)。
分别使用高分辨透镜电子显微镜、元素分析仪、紫外–可见吸收光谱仪、稳态荧光光谱仪和圆二色谱仪(CD)等对所制得的L-CQDs 和D-CQDs 的光学性能和表面结构进行表征。
结果表明：制备出的粒径小于10 nm 的L-CQDs 和D-CQDs 呈现相似的特点与光学性能，其具有强的荧光特性，476 nm 是最大发射波长，360 nm 是最佳激起波长，且表现为激发独立的性质。
CD 信号在223 nm 附近和290 nm 附近呈现镜面对称特征说明L-CQDs 和D-CQDs 为对映异构体。
关键词水热法，手性，碳量子点，圆二色谱Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/1. 引言手性是物体与镜像不能相互重叠的最有趣的自然现象之一[1]，其广泛存在于自然界中且在化学、生物学、药理学、医学等方面具有显著的作用。
当手性化合物作用于生物体时，不同的对映体在人体的药理活性、代谢进程及毒性存在较大的差异[2]。
目前，在手性光学研究方面已经取得了较好的研究成果，受到了众多研究者的关注，手性的应用研究也成为当今国际上较为热门的研究问题之一。
碳量子点(Carbon Quantum Dots, CQDs)是粒径尺寸在10 nm 以下的一类新型碳纳米材料，是Walter AScrivens 课题组在2004年初次使用电弧放电法发现的荧光碳纳米材料，[3]是一种类球形的碳颗粒。
CQDs 相比较于半导体量子点(Quantum Dots, QDs)具有环境友好、成本低、低毒性和生物相容性良好、光学稳定性良好、水溶性好、化学稳定性高、易官能团化等优势，激起了国内外研究者的热情，成为了纳米碳材料的新星[4] [5] [6]。
近年来手性量子点(左旋量子点和右旋量子点：L-QDs 和D-QDs)的研究揭示了量子点(QDs)独特的手性光学效应，L-/D-QDs 荧光探针的开发也为化学和生物学提供非常有用的工具[7]。
然而考虑到CQDs 在手性识别及分离、手性检测和不对称催化方面有着潜在的应用，而手性是影响其性能的一个重要因素，因此赋予CQDs 手性特征，合成一种兼具荧光特性和手性特征的CQDs ，已经成为国内外研究的热点之一，但其仍处于萌芽阶段。
手性是人类赖以生存的自然界的本质属性之一，也是生物学以及其他领域手性分子识别过程最主要的因素之一。
到目前为止，富勒烯和碳纳米管的手性修饰已得到广泛的研究，并在有机催化、对映选择性识别以及手性传感方面具有很大的潜力。
然而在考虑到CQDs 的潜在应用时，手性是影响性能的一个重要方面，目前还没有解决。
因此，在CQDs 中增加手性特性制备L-CQDs 或D-CQDs 使其在对映选择性识别和催化等方面更好的应用，这在基础研究和科技方面都非常重要。
王耀等合成L-CQDs或D-CQDs的方法多种多样，但许多方法需要昂贵的设备、过程复杂、条件苛刻，本文以L-Trp或D-Trp为碳源和手性源，NaOH为反应调节剂通过一步水热法合成L-CQDs或D-CQDs，该方法操作简单方便，绿色高效，且本文采用手性原料一步水热法合成L-CQDs或D-CQDs，无需再进行修饰，过程简单，具有可操作性。
2. 实验部分2.1. 实验材料本文以L-Trp或D-Trp为碳源和手性源，NaOH为反应调节剂通过一步水热法合成L-CQDs或D-CQDs，具体实验材料如表1所示：Table 1. Main reagents in the experiment表1.实验主要试剂试剂生产厂家产品纯度蒸馏水(H2O) 实验室自制99.99％无水乙醇(CH3CH2OH) 天津市东丽区天大化学试剂厂分析纯L-色氨酸(L-Trp) 天津市光复精细化工研究所分析纯D-色氨酸(D-Trp) 上海麦克林生化科技有限公司分析纯氢氧化钠(NaOH) 天津市大陆化工试剂厂分析纯硫酸奎宁((C20H24N2O2)2·H2SO4·2H2O) 国药集团化学试剂有限公司分析纯2.2. 实验步骤水热法是指密闭的压力容器内，以水为容器，在高温高压的条件下进行的化学反应，其操作简单方便，且能有效地阻止有毒物质的挥发及对空气敏感的前驱体发生副反应，改善了制备环境，降低了污染。
本文以L-Trp或D-Trp为碳源和手性源，NaOH为反应调节剂，一定温度下在水热反应釜中反应一定的时间，得到粗产物，再经过滤透析得到L-CQDs或D-CQDs溶液，再经过冷冻干燥得到L-CQDs或D-CQDs 粉末，其合成流程如图1所示。
图1. L-CQDs或D-CQDs的反应路线图王耀等具体实验步骤如下：1) 在100 mL容积的聚四氟乙烯内衬中依次加0.5 g L-Trp或D-Trp，0.09 g的NaOH，再用玻璃棒进行搅拌，直至其完全溶解；2) 将含有液体的聚四氟乙烯内衬装入不锈钢反应釜中，并将其密封，拧紧釜盖，放入预热好的120℃的烘箱中，水热反应16 h将反应釜自然冷却到室温，得到L-CQDs或D-CQDs粗产物；3) 制备的L-CQDs或D-CQDs粗产物先用0.22 μm的滤膜过滤，取其滤液后，将滤液装入截留分子量为1000 Da的透析袋透析，在25℃、搅拌速度为60 r/min的磁力搅拌条件下进行透析，每隔12 h换一次水，总共透析4天；4) 收集透析袋内液，得到纯化的L-CQDs或D-CQDs溶液；5) 将纯化的L-CQDs或D-CQDs溶液经过冷冻干燥得到L-CQDs或D-CQDs固体粉末；6) 将上述得到的L-CQDs或D-CQDs稀释后，并通过UV-vis吸收和CD光谱测试。
