碳量子点的制备及其在分析检测方面的应用

2018-02-15杨依依张琪蒋春月刘广涵

西部皮革 2018年20期

杨依依，张琪，蒋春月，刘广涵

(河北农业大学，河北沧州 061100)

碳量子点(CQDs)是碳纳米材料的新成员，主要有碳、氮、氧等元素组成，其中碳为主要元素。2004年,XU等人第一次发现了具有尺寸并可以发光的碳量子点。相比于传统的碳，碳量子点不仅具有低毒性、成本低等特点，而且还可以发出稳定的荧光。

1 碳量子点的合成

碳量子点制备原料普遍多样，制备方法众多，主要分为两大类：自上而下法和自下而上法[1]。其中自上而下法通常分解结构较大的碳材料。但是这种合成方法得到的量子产率并不高，主要是因为大的碳结构不能被完全的分解。而自下而上法则是通过碳化处理柠檬酸等小分子来合成碳量子点。

1.1 自上而下的合成方法

1.1.1 电弧放电法。2004年，XU等人[2]在一次制备单壁碳纳米管的纯化过程中偶然发现了带有荧光效果的碳量子点。但是在合成过程中，会生成许多杂质并且会有部分聚沉，因此很难提纯碳量子点，最终得到的量子点产率较低。

1.1.2 电化学合成法。2007年，Zhou等人[3]利用合成的多壁碳纳米管为工作电极，在循环的电压下，通过观察溶液的颜色变化来合成碳量子点，当看到溶液变为深棕色时，即合成了大小为2.8 nm左右的碳量子点。这种合成方法得到的产物尺寸均匀，对碳源利用率很高，但是后期处理过程复杂。

1.1.3 激光刻蚀法。2006年，Sun等人[4]在温度900℃，压力为75kPa的水蒸气环境下，以氩气作为载气，利用激光器来轰击石墨靶，得到碳纳米颗粒混合物，随后，将其在硝酸中回流、在有机物中钝化，再经过透析、离心等方法分离提纯。得到量子产率为4%～10%、粒径为5nm的碳量子点。但是该方法制备步骤复杂、碳量子点粒径大小很难控制。

1.2 自下而上的合成方法

1.2.1 微波合成法。Zhu等人[5]以葡萄糖为碳源，以聚乙二醇为分散剂，将二者混合并溶于水中形成溶液，用500W微波加热合成碳量子点。其中溶液由无色逐渐变为深棕色。虽然这种方法操作简单、用时少、成本低，但是得到的碳量子点粒径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点，其次通过化学方法使模板得以除去，最后得到碳量子点的合成方法。Liu等人[6]使硅球经过表面活性剂的处理，并经过两性聚合物F127嵌段进行修饰作为模板，经过高温煅烧形成混合物。再经过离心、碱蚀、硝化、纯化等过程合成发出荧光碳量子点。这种合成方法成本高、合成步骤较复杂。

1.2.3 燃烧法。燃烧法是通过高温燃烧得到蜡烛灰，再经过硝化、离心、电泳对过程进行分离提纯得到发光碳量子点。这种燃烧法合成碳量子点的优点是原料来源广泛、操作简单，缺点是反应过程中的硝酸难以完全除去、碳量子点粒径难以控制。

1.2.4 水热合成法。水热法[7]是利用有机前驱体在高温条件下分解合成碳量子点的方法。水热法可用前驱体种类众多，例如：抗坏血酸、豆浆、橘汁、橙汁、柚子皮等。Zhang等人[8]利用抗坏血酸在180℃下合成碳量子点。这种方法成本低、步骤简单，是目前最为常用的合成方法。

2 在分析检测方面的应用

碳量子点检测原理是：与这些待测物作用，通过改变其表面缺陷，使其发生荧光猝灭或增强，从而实现对待测物的检测。

2.1 金属离子。Liu等人采用微波法合成碳量子点后，加入Cu2+溶液后会出现荧光猝灭现象，从而实现了对Cu2+的检测。后用于自来水中Cu2+的检测。除此碳量子点还可以检测Fe3+、K+、Al3+、Hg2+、Ag+等。

2.2 阴离子。碳量子点也可以利用其特殊性质来实现阴离子的检测，但是不同于金属离子与碳量子点形成配合物出现荧光猝灭的现象，阴离子是与配合物中金属离子形成更稳定的配合物从而出现荧光增强或恢复的现象。科学家利用这一原理成功检测到I-的存在。除此之外，也有很多科学家成功检测了CN-、NO2-、PO43-、ClO-等。