[發明專利]氮硫雙摻雜碳量子點-甲殼素水凝膠及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202210902706.1
• 申請日: 2022-07-29
• 公開（公告）號: CN115926786A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 李媚;孫守祥;覃琴;廖業欣
• 申請（專利權）人: 廣西民族大學
• 主分類號: C09K11/65
• 分類號: C09K11/65;C09K11/02;G01N21/64
• 代理公司: 南寧啟創知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 45122
• 代理人: 余小寧

本發明公開一種氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素水凝膠及其制備方法和應用，屬于功能材料技術領域。該氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素水凝膠的制備方法如下：(1)氮硫雙摻雜碳量子點溶液的制備；(2)氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素混合溶液的制備；(3)氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素水凝膠的制備。本發明將硫酸銨與甘蔗渣混合以水熱法合成氮硫雙摻雜碳量子點，再將其與甲殼素水凝膠結合，利用水凝膠的三維網狀結構，可以降低碳量子點的自聚集情況，保持碳量子點的分散性，形成了氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素水凝膠。該氮硫雙摻雜碳量子點?甲殼素水凝膠碳量子點穩定性高、量子產率高以及對離子檢測具有很好的靈敏性和準確性，具有很好的應用價值。

技術領域

本發明屬于功能材料技術領域，具體涉及一種氮硫雙摻雜碳量子點-甲殼素水凝膠及其制備方法和應用。

背景技術

碳量子點(Carbon?Quantum?Dots,CQDs)一般是小于10nm的熒光納米顆粒，是一種碳基體納米熒光材料。碳量子點是由碳元素構成的其形狀呈現球形或類球形納米材料，其核心部分由sp²雜化和sp³雜化的碳原子以及C＝O、C-O等鍵構成，較大的共軛結構也是碳量子點呈現熒光性能的可能原因。此外，碳量子點表面富含其他活性官能團，包括-COOH、-OH等，這些官能團容易發生化學反應而被修飾，極大的提高了碳量子點的可利用性和實用性。碳量子點因具有良好的生物相容性、較強的穩定性、較高化學惰性和易于進行表面功能化等優點，被廣泛的應用于離子檢測、成像分析、傳感器、光電催化等領域。

甘蔗渣是制糖業中甘蔗加工后形成的主要副產物，產量高，在實際應用中僅限于燃料、造紙和飼料添加劑等，應用價值較低。因此對于甘蔗渣的充分利用，對資源利用和環境保護的具有重要的意義。甘蔗渣一般所含干物質是具有較高的纖維素，其中粗纖維約占42％、半纖維素約占25％、木質素約占20％，而纖維素和木質素均可以作為碳源制備碳量子點，因此可以將甘蔗渣作為一種良好的碳源用于碳量子點的制備中。

與小分子合成的碳量子點相比，生物質碳量子點存在如量子產率偏低、不能長時間放置等缺點，制約了其在生物體內成像及熒光傳感等領域的進一步應用。通過引入氮元素可以成功得到具有熒光性能明顯提升的碳量子點，但依然存在量子產率偏低、熒光發射強度弱等問題。為進一步提高生物質碳量子點的性能和應用，通過硫酸銨進行氮硫雙摻雜合成N/S-CQDs，不僅可以進一步改善其結構，還能進一步提高量子產率、熒光穩定性以及對離子檢測的靈敏性和準確性。

但在N-CQDs和N/S-CQDs的實際應用過程中，當兩者的溶液在高濃度條件下會出現嚴重的自聚集而發生熒光猝滅現象。研究表明，納米級尺寸的碳量子點容易團聚且難以回收，使其自身的熒光性能降低，影響靈敏度、準確性、可重現性和可回收性。因此如何避免碳量子點過度自聚集是確保碳量子點的穩定性和高效應用的重要問題。

甲殼素是殼聚糖乙酰化后形成，其單體是乙酰化的氨基葡萄糖，分子內部富含-OH和-CONH-等親水基團。由于本身富含大量親水基團，甲殼素被廣泛應用于水凝膠的制備。-OH和-CONH-等都是優秀的氫鍵供體和受體，因而合成的甲殼素水凝膠因富含上述基團，能夠形成分子間/分子內氫鍵作用。另一方面，碳量子點表面富含-COOH等基團，容易使其表面表現出負電性，易與甲殼素中的氨基進行結合，因此碳量子點與水凝膠表面的基團，通過形成氫鍵或靜電相互作用與水凝膠進行結合，分散在水凝膠骨架上。

基于以上所述，本發明通過氮硫元素雙摻雜的N/S-CQDs來與甲殼素水凝膠結合，利用水凝膠的三維網絡結構分散碳量子點，以防止碳量子點發生聚集，保持碳量子點的分散性，避免因聚集而改變碳量子點的相關性質，從而制備出碳量子點穩定性高、量子產率高以及對離子檢測具有很好的靈敏性和準確性的氮硫雙摻雜碳量子點-甲殼素水凝膠。

發明內容

針對以上問題，本發明提供一種碳量子點穩定性高、量子產率高以及對離子檢測具有很好的靈敏性和準確性的氮硫雙摻雜碳量子點-甲殼素水凝膠。

本發明通過以下技術方案實現：