碳量子點(diǎn)的制備及其在分析檢測(cè)方面的應(yīng)用

楊依依，張琪，蔣春月，劉廣涵

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 滄州 061100)

碳量子點(diǎn)(CQDs)是碳納米材料的新成員，主要有碳、氮、氧等元素組成，其中碳為主要元素。2004年,XU等人第一次發(fā)現(xiàn)了具有尺寸并可以發(fā)光的碳量子點(diǎn)。相比于傳統(tǒng)的碳，碳量子點(diǎn)不僅具有低毒性、成本低等特點(diǎn)，而且還可以發(fā)出穩(wěn)定的熒光。

1 碳量子點(diǎn)的合成

碳量子點(diǎn)制備原料普遍多樣，制備方法眾多，主要分為兩大類：自上而下法和自下而上法[1]。其中自上而下法通常分解結(jié)構(gòu)較大的碳材料。但是這種合成方法得到的量子產(chǎn)率并不高，主要是因?yàn)榇蟮奶冀Y(jié)構(gòu)不能被完全的分解。而自下而上法則是通過(guò)碳化處理檸檬酸等小分子來(lái)合成碳量子點(diǎn)。

1.1 自上而下的合成方法

1.1.1 電弧放電法。2004年，XU等人[2]在一次制備單壁碳納米管的純化過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)了帶有熒光效果的碳量子點(diǎn)。但是在合成過(guò)程中，會(huì)生成許多雜質(zhì)并且會(huì)有部分聚沉，因此很難提純碳量子點(diǎn)，最終得到的量子點(diǎn)產(chǎn)率較低。

1.1.2 電化學(xué)合成法。2007年，Zhou等人[3]利用合成的多壁碳納米管為工作電極，在循環(huán)的電壓下，通過(guò)觀察溶液的顏色變化來(lái)合成碳量子點(diǎn)，當(dāng)看到溶液變?yōu)樯钭厣珪r(shí)，即合成了大小為2.8 nm左右的碳量子點(diǎn)。這種合成方法得到的產(chǎn)物尺寸均勻，對(duì)碳源利用率很高，但是后期處理過(guò)程復(fù)雜。

1.1.3 激光刻蝕法。2006年，Sun等人[4]在溫度900℃，壓力為75kPa的水蒸氣環(huán)境下，以氬氣作為載氣，利用激光器來(lái)轟擊石墨靶，得到碳納米顆粒混合物，隨后，將其在硝酸中回流、在有機(jī)物中鈍化，再經(jīng)過(guò)透析、離心等方法分離提純。得到量子產(chǎn)率為4%～10%、粒徑為5nm的碳量子點(diǎn)。但是該方法制備步驟復(fù)雜、碳量子點(diǎn)粒徑大小很難控制。

1.2 自下而上的合成方法

1.2.1 微波合成法。Zhu等人[5]以葡萄糖為碳源，以聚乙二醇為分散劑，將二者混合并溶于水中形成溶液，用500W微波加熱合成碳量子點(diǎn)。其中溶液由無(wú)色逐漸變?yōu)樯钭厣ｋm然這種方法操作簡(jiǎn)單、用時(shí)少、成本低，但是得到的碳量子點(diǎn)粒徑大小及分布都很不均。

1.2.2 模板法。模板法首先是在模板上合成碳量子點(diǎn)，其次通過(guò)化學(xué)方法使模板得以除去，最后得到碳量子點(diǎn)的合成方法。Liu等人[6]使硅球經(jīng)過(guò)表面活性劑的處理，并經(jīng)過(guò)兩性聚合物F127嵌段進(jìn)行修飾作為模板，經(jīng)過(guò)高溫煅燒形成混合物。再經(jīng)過(guò)離心、堿蝕、硝化、純化等過(guò)程合成發(fā)出熒光碳量子點(diǎn)。這種合成方法成本高、合成步驟較復(fù)雜。

1.2.3 燃燒法。燃燒法是通過(guò)高溫燃燒得到蠟燭灰，再經(jīng)過(guò)硝化、離心、電泳對(duì)過(guò)程進(jìn)行分離提純得到發(fā)光碳量子點(diǎn)。這種燃燒法合成碳量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是原料來(lái)源廣泛、操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程中的硝酸難以完全除去、碳量子點(diǎn)粒徑難以控制。

1.2.4 水熱合成法。水熱法[7]是利用有機(jī)前驅(qū)體在高溫條件下分解合成碳量子點(diǎn)的方法。水熱法可用前驅(qū)體種類眾多，例如：抗壞血酸、豆?jié){、橘汁、橙汁、柚子皮等。Zhang等人[8]利用抗壞血酸在180℃下合成碳量子點(diǎn)。這種方法成本低、步驟簡(jiǎn)單，是目前最為常用的合成方法。

2 在分析檢測(cè)方面的應(yīng)用

碳量子點(diǎn)檢測(cè)原理是：與這些待測(cè)物作用，通過(guò)改變其表面缺陷，使其發(fā)生熒光猝滅或增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物的檢測(cè)。

2.1 金屬離子。Liu等人采用微波法合成碳量子點(diǎn)后，加入Cu2+溶液后會(huì)出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)Cu2+的檢測(cè)。后用于自來(lái)水中Cu2+的檢測(cè)。除此碳量子點(diǎn)還可以檢測(cè)Fe3+、K+、Al3+、Hg2+、Ag+等。

2.2 陰離子。碳量子點(diǎn)也可以利用其特殊性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)陰離子的檢測(cè)，但是不同于金屬離子與碳量子點(diǎn)形成配合物出現(xiàn)熒光猝滅的現(xiàn)象，陰離子是與配合物中金屬離子形成更穩(wěn)定的配合物從而出現(xiàn)熒光增強(qiáng)或恢復(fù)的現(xiàn)象。科學(xué)家利用這一原理成功檢測(cè)到I-的存在。除此之外，也有很多科學(xué)家成功檢測(cè)了CN-、NO2-、PO43-、ClO-等。

3 結(jié)語(yǔ)

自碳量子點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，陸續(xù)有科學(xué)家研發(fā)出新的合成方法。但是大部分方法都存在制作步驟復(fù)雜、量子點(diǎn)粒徑難控制等缺點(diǎn)，因此都不能大規(guī)模合成碳量子點(diǎn)。目前開發(fā)綠色環(huán)保、成本低、制作步驟簡(jiǎn)單、可大規(guī)模生產(chǎn)的合成方法是我們的主要任務(wù)。