一种红色发光碳量子点及其制备方法和应用技术领域
本发明属于固体发光材料领域，尤其是涉及一种红色发光碳量子点材料及其制备
方法和应用。
背景技术
重金属离子如汞、镉、铅和铜的检测近年来得到广泛的关注。其中，Cu2+离子是一种
存在于所有生物体内的致关重要的微量元素。生物体过量吸收Cu2+或者缺乏Cu2+都将会引
起系列重大疾病并导致机能障碍。此外，Cu2+离子也是饮用水的污染源之一。因此，研发一类
制备简易、可重复使用、稳定性好且对Cu2+离子具有高选择性和高灵敏度的检测材料是非常
有必要的。
近年来，基于荧光分析技术来检测溶液或生物体内的重金属离子已经被证明是一
类行之有效的方法。常见的荧光检测材料如有机分子、量子点、贵金属颗粒和稀土荧光体
等。但是，这些材料往往需要进行表面处理，同时有机分子的光稳定性相对较差，量子点中
经常含有有毒的金属离子，以及贵金属颗粒和荧光体价格太高等问题限制其大规模地使
用。与之相反，荧光碳量子点具有高性价比、高发光量子效率、水溶性、优异的光稳定性和生
物相容性等优点，因此也是一种可用于检测Cu2+的新型荧光材料。但是，近年来大部分报导
的用于检测Cu2+离子的碳点的发射波长均位于蓝-黄光区域[Adv.Mater.2012,24,2037-
2041]，但这些发射光极易被生物体所吸收，极大地阻碍了其应用。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种红色发光碳量子点材料的制备并实现其对Cu2+离子的高
选择性和高灵敏度检测。
本发明的碳量子点在可见光区域具有强的吸收，发出明亮的红光，量子效率高达
40％左右。红光发射源自碳量子点表面的吡咯氮相关的缺陷态至基态的跃迁。
本发明的技术方案如下：
(1)配制二甲基亚砜和二甲基甲酰胺混合溶液，两者体积比为1：1；
(2)柠檬酸和尿素按重量比(1：3～1：1)加入上述溶液中，充分搅拌后移入到水热
釜中，随后在200～240℃保温1～6小时进行溶剂热反应；
(3)将步骤(2)所得纳米颗粒用乙酸乙酯和石油醚的混合液洗涤、离心，于60℃真
空烘干后得到最终产物。
透射电子显微镜观察表明所合成的碳量子点为球形颗粒，其尺度为2～3纳米左
右。拉曼光谱与X射线光电子谱表明碳量子点表面存在大量的吡咯氮相关的缺陷态。在550
纳米黄光激发下，碳量子点可发出明亮的红光，其发射带中心波长位于640纳米，发光量子
效率可达40％左右。
所获得的碳量子点可实现高选择性的Cu2+离子检测，其最高灵敏度可达40nM，远高
于饮用水中最低Cu2+含量20uM的检测限。通过加入强螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可将Cu2+
从碳量子点剥离，实现碳量子点的再循环利用。
本发明具有制备技术简单、成本低、产率高、生产易于放大等优点。所得产物分散
性好、形状均一、粒径分布窄，具有高效红光发射特性，可望在高灵敏度生物体内重金属检
测领域得到广泛应用。
附图说明
图1是实例1中碳量子点的透射电子显微镜明场像；
图2是实例1中碳量子点的拉曼谱(激发波长：633纳米)；
图3是实例1中碳量子点的X射射光电子谱全谱图；
图4是实例1中碳量子点的高分辨N1s态X射射光电子谱；
图5是实例1中碳量子点溶液在加入Cu2+离子前后的发射谱；
图6是实例1中碳量子点对不同金属离子选择性检测后的剩余发射强度图；
图7是实例1中碳量子点对Cu2+检测后剩余发射强度与Cu2+含量的关系图；
图8是实例1中加入干扰离子后碳量子点对Cu2+检测后剩余发射强度图；
图9是实例1中加入EDTA后碳量子点的发射谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析。
实例1：将10mL二甲基亚砜和10mL二甲基甲酰胺溶液混合，加入1g柠檬酸和3g尿
素，充分搅拌后移入到25mL水热釜中，随后在200℃保温6小时进行溶剂热反应。将所得纳米
颗粒用乙酸乙酯和石油醚的混合液洗涤、离心，于60℃真空烘干后得到最终产物。
透射电子显微镜观察表明所合成的碳量子点为球形颗粒，其尺度为2～3纳米左右
(图1)。拉曼光谱(图2)与X射线光电子谱(图3，4)表明碳量子点表面存在大量的吡咯氮相关
的缺陷态。在550纳米黄光激发下，碳量子点可发出明亮的红光，其发射带中心波长位于640
纳米，发光量子效率为42％。加入Cu2+离子到碳量子点水溶液后，碳量子点的发光强度明显
降低(图5)，而加入其它离子，并不会显著降低量子点的发光，表明所获得的量子点对Cu2+离
子具有特定选择性(图6)。随着加入的Cu2+含量增加，碳量子点的发射强度呈现单调下降趋
势(图7)，通过计算可得最高灵敏度达40nM，远高于饮用水中最低Cu2+含量20uM的检测限。此
外，加入相关干扰离子也并不会影响Cu2+离子的高灵敏检测(图8)。通过加入强螯合剂乙二
胺四乙酸(EDTA)可将Cu2+从碳量子点剥离，实现碳量子点的再循环利用(图9)。
实例2：将10mL二甲基亚砜和10mL二甲基甲酰胺溶液混合，加入1g柠檬酸和2g尿
素，充分搅拌后移入到25mL水热釜中，随后在220℃保温3小时进行溶剂热反应。将所得纳米
颗粒用乙酸乙酯和石油醚的混合液洗涤、离心，于60℃真空烘干后得到最终产物。
透射电子显微镜观察表明所合成的碳量子点为2～3纳米左右的球形颗粒。碳量子
点可发出明亮的红光，发光量子效率为39％。所获得的碳量子点可实现高选择性的Cu2+离子
检测，其最高灵敏度可达45nM。通过加入强螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可将Cu2+从碳量子点
剥离，实现碳量子点的再循环利用。
实例3：将10mL二甲基亚砜和10mL二甲基甲酰胺溶液混合，加入1g柠檬酸和1g尿
素，充分搅拌后移入到25mL水热釜中，随后在240℃保温1小时进行溶剂热反应。将所得纳米
颗粒用乙酸乙酯和石油醚的混合液洗涤、离心，于60℃真空烘干后得到最终产物。
透射电子显微镜观察表明所合成的碳量子点为2～3纳米左右的球形颗粒。碳量子
点可发出明亮的红光，发光量子效率为35％。所获得的碳量子点可实现高选择性的Cu2+离子
检测，其最高灵敏度可达47nM。通过加入强螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可将Cu2+从碳量子点
剥离，实现碳量子点的再循环利用。
实例4：将40mL二甲基亚砜和40mL二甲基甲酰胺溶液混合，加入1g柠檬酸和3g尿
素，充分搅拌后移入到100mL水热釜中，随后在200℃保温6小时进行溶剂热反应。将所得纳
米颗粒用乙酸乙酯和石油醚的混合液洗涤、离心，于60℃真空烘干后得到最终产物。
透射电子显微镜观察表明所合成的碳量子点为2～3纳米左右的球形颗粒。碳量子
点可发出明亮的红光，发光量子效率为40％。所获得的碳量子点可实现高选择性的Cu2+离子
检测，其最高灵敏度可达41nM。通过加入强螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)可将Cu2+从碳量子点
剥离，实现碳量子点的再循环利用。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合
本发明要求，均属于本发明的保护范围。