CN106978168A - 一种碳点及其阵列的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳点及其阵列的制备方法。使用激光照射纳米金高分子膜，使纳米金通过表面等离子共振升温并破坏周边的高分子结构，形成碳点。本发明的方法，操作简单，制备成功率可达100%，制得的碳点在220～550nm范围光激发下发出强烈的荧光；可以制备得到各种排列的碳点阵列碳点可，且可以通过调节激光照射时间、功率，控制碳点的大小，从而控制碳点的荧光强度；制得的碳点阵列可以形成隐形荧光阵列，可实现加密信息传输。同时，也可以利用待检测离子或分子对该荧光的猝灭特性，实现这些离子或分子的微量检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的制备方法，特别涉及一种碳纳米点及其阵列的制备方法。
背景技术
碳点（碳纳米点）是一种近似球型且直径≤10 nm 的零维半导体纳米晶体，由极少分子或是以碳原子为主组成的纳米团簇，吸收峰很宽，覆盖紫外～可见光区。更为重要的是，碳点的生物相容性好，表面基团功能化容易，对众多阴阳离子、分子存在敏感的荧光响应(表现为碳点荧光猝灭或增强）而用于这些离子、分子的超低限检测，因此，自2004年由Xu等（Xu X Y，Ray R，Gu Y L，Ploehn H J，Gearheart L，Paker K，Scrivens W A , J. Am． Chem．Soc．，2004，126: 12736．）报道以来，引起世界众多科学家强烈关注。
碳纳米点从发现至今已发展出许多合成方法大致可以分为两类：自上而下法和自下而上法。自上而下法是指通过化学或物理方法将碳纳米点从大尺寸的碳结构材料上剥离下来的方法，包括激光销蚀法、电化学法、弧光放电法、水热切割法等。自下而上法则是通过化学合成的手段，将小分子碳前驱体聚集变大从而合成纳米点的方法，包括热分解法、微波辅助法、超声波辅助法、水热合成法、模板法、反胶束法等。
现有方法制备得到的碳点，普遍为分散形式的碳点，或不规则分散于固体中形式存在，难以制备成为规则分布的碳点阵列。
自80年代中期提出基因芯片(gene chip)构造原型以来，基因芯片的研究与应用取得了重要进展，多种用于不同领域的基因芯片进人商业市场。其中，杂交测序方法成为基因芯片主要的测序原理，即通过大量（通常每平方厘米点阵密度高于400）固定到固相支持物上的已知序列的核酸包括寡核苷酸或短寡肽等与标记的样品分子进行杂交，通过检测每个探针分子的杂交信号强度进而获取样品分子的数量和序列信息，包括基因表达谱测定、突变检测、多态性分析、基因组文库作图及杂交测序等。
基因芯片中的这些点阵是通过微加工技术 ，包括原位合成（in situ synthesis）与合成点样两种。将数以万计、乃至百万计的特定序列的DNA片段（基因探针），有规律地排列固定于2 cm2 的硅片、玻片等支持物上，构成的一个二维DNA探针阵列。原位合成法中的光引导聚合技术（ Light-directed synthesis ）点阵密度达到 1010/cm2 ；点阵密度可以达到 400/cm2 ，后者则可达到 2500/cm2 与计算机的电子芯片十分相似，所以被称为基因芯片。即便如此，离2μm间隔、1μm荧光点宽度（即每3μm 为荧光阵列周期）或 > 5000/cm2的荧光阵列目标，也远未达到。
另一方面，现有基因芯片的DNA检测方法中大量采用荧光识别，由于单分子DNA荧光极弱，采用共聚焦激光显微成像设备观察记录是唯一选择，这种设备价格高昂（超过200万RMB），使用成本高，不利于大量推广。寻找相对简单、设备配置不高但荧光强度大的荧光芯片成为科学家研究的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米点及其阵列的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种碳点的制备方法，包括使用激光照射纳米金高分子膜，使纳米金通过表面等离子共振升温并破坏周边的高分子结构，形成碳点。
作为上述制备方法的进一步改进，纳米金高分子膜中，纳米金的光学密度不低于8，或纳米金的质量百分含量不低于0.016%。
作为上述制备方法的进一步改进，纳米金为金纳米颗粒、金纳米棒、星形、三角形、核壳结构型纳米金。
作为上述制备方法的进一步改进，纳米金高分子膜中的高分子为具有支链的高分子。
作为上述制备方法的进一步改进，纳米金高分子膜中的高分子为选自PVA、PMMA、PS、PA中的至少一种。
作为上述制备方法的进一步改进，激光的功率1～20mW。
作为上述制备方法的进一步改进，激光按顺序在纳米金高分子膜上照射，形成碳点阵列。
激光的照射时间为0.01～100 s。
一种基于碳点的荧光芯片，其制备方法包括如下步骤：
1)按上述的方法制备得到含有碳点高分子膜；
2)对碳点进行表面修饰，得到荧光芯片。
作为上述荧光芯片的进一步改进，对得到的荧光芯片进行二次激光照射，再次形成碳点，根据需要对碳点进行修饰。
本发明的有益效果是：
本发明的方法，操作简单，制备成功率可达100%，制得的碳点在220～550nm范围光激发下发出强烈的荧光。
本发明的方法，可以制备得到各种排列的碳点阵列碳点可，且可以通过调节激光照射时间、功率，控制碳点的大小，从而控制碳点的荧光强度。
本发明方法制备得到的碳点阵列，可以形成隐形荧光阵列，故可实现加密信息传输。同时，也可以利用待检测离子或分子对该荧光的猝灭特性，实现这些离子或分子的微量检测。
附图说明
图1是GNP－PVA分散液为OD＝24（纳米金含量约0.08%）时制备的4个GNP－PVA膜样品（上）、GNR－PVA分散液为OD＝12（纳米金含量约0.024%）时制备的1个GNR－PVA膜样品（下）的消光谱；
图2（A～E）给出了不同加工参数得到的碳荧光阵列不同波长激发时的照片；其中，A）为400 nm激光作用后的卤素灯照射下的Andor CCD照片；B) 为高压Hg灯365 nm激发下AndorCCD照片；C）和D）分别为高压Hg灯365 nm和436nm激发下的照片；
图3（A～D）给出了不同加工参数得到的碳荧光阵列受高压汞灯365 nm波长激发时的光谱，为了便于比较，图3A、B（origin）还分别给出了未激光辐照时的微弱荧光表现；
图4 给出了表1编号26加工后碳荧光（洞）阵列的SEM（a）、碳元素C分布图（b）；
图5 是5.5mW、曝光时间200ms、间隔2um、532nm飞秒激光加工写“scnu”后GNP－PVA膜(a)用Hg灯365nm（b）、435nm（c）、546nm（d）激发光照射采集的照片；
图6 6mW、曝光时间25、50、100、150、200ms，间隔2μm，770nm激光加工GNR－PVA（用OD＝8、λabs＝770 nm 、纳米金含量约0.016%GNR－PVA分散液制成）膜得到的碳点阵列荧光光谱；
图7功率5mW、770nm飞秒激光加工GNR－PVA膜（纳米金含量约0.016%、光学密度为8的PVA－GNR分散液制成），曝光时间30s所得碳荧光阵列对微量铜离子响应情况； 激发波长为365nm 的前后照片（A）（左、右）、前后光谱（B）；
图8给出了5mW、880 nm、曝光时间20秒飞秒激光分别加工纯PVA、光学密度为8的PVA－GNR（λabs＝880 nm）分散液（纳米金含量约0.016%）制成的膜的荧光光谱图（激发波长436nm）；
图9给出了12.5mW、532nm、曝光时间10秒飞秒激光加工前后纯PVA膜的荧光光谱图（激发波长365 nm）；
图10 给出了添加不同光学密度纳米金－PVA分散液（OD为2、6、12、18的GNP－PVA分散液中纳米金含量分别约为0.0067%、0.02%、0.04%、0.06%）制备的PVA－GNP膜经8 mW、532nm、曝光时间2秒连续激光加工后365nm激发所得的荧光光谱。
具体实施方式
纳米金，包括但不限于金纳米颗粒、金纳米棒、星形、三角形、核壳结构型纳米金，在特定波长激光的照射下，会产生表面等离子共振，产生一定的荧光。发明人进一步研究发现，纳米金高分子膜中的纳米金达到一定浓度后，通过激光照射使纳米金产生表面等离子共振，在纳米级区域产生局部高热，在热和纳米金共同的作用下，可以很好的生成碳点。为了可以获得更高的效果，选用的纳米金应尽可能地具有相同或相近的响应波长。
在本发明，形成高分子膜的高分子无特殊要求，可以是本领域技术人员常用高分子材料，只要易于和纳米金混和并形成相应膜材料即可。这些高分子原料优选具有支链，包括但不限于PVA、PMMA、PS、PA中的至少一种。本领域技术人员可以根据实际情况，如应用场合等，选择不同的高分子原料。
激光的功率、照射时间（即曝光时间），可以根据碳点的生成情况进行简单的调整即可。在激光未通过热效应烧蚀高分子膜的情况下，适当提高激光的功率有助于使纳米金产生更强的共振，可以更快地产生碳点。同时，可以根据需要，在已经成型的碳点阵列上进行二次加工，根据需要再次形成新的碳点阵列。
下面结合实验，进一步说明本发明的技术方案。
方便比较起见，以下实验中使用的纳米金与PVA（聚乙烯醇）构成的纳米金高分子膜。
碳点阵列采用脉冲激光或连续激光照射，下面以fs（飞秒）激光为例，说明其加工方法与性能。
纳米金高分子膜的制备
使用吸收波长为524nm的纳米金颗粒（GNP），或吸收波长为770nm的金纳米棒GNR，分别配成光学密度为24的5%PVA溶液，GNP（或GNR）－PVA膜按公知的方法在玻璃上制备得到。
经检测，制备得到的GNP（或GNR）－PVA膜厚约20μm，其消光谱如图1所示。
碳点阵列的制备
室温下采用飞秒激光加工获得碳点阵列，选取被金膜消光谱范围覆盖的fs或连续激光如532nm、或金膜对应纵向LSPR峰值波长（如本案例770、880 nm）激光、功率1～20mW、曝光时间0.5～20s加工GNP（或GNR）－PVA膜。就本案例（表1，吸收峰值波长为524nm的纳米金颗粒（GNP）配成的光学密度为24的5%PVA溶液, 纳米金含量约0.08%）而言，优选2～4 mW、曝光时间10～30s。纳米金碳点阵列编号、加工参数及荧光测试结果如表1所示：
表1 纳米金碳点阵列编号、加工参数一览表
| 编号 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| 功率mW | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0.5 | 0.5 |
| 曝光时间s | 100 | 20 | 30 | 40 | 50 | 30 | 40 | 50 | 60 | 60 | 120 |
| I（a.u.） | 8400 | 5400 | 7000 | 3800 | 5400 | 3300 | 3800 | 5400 | 10200 | 2300 | 3900 |
| λ max（nm） | 590 | 575 | 600 | 575 | 595 | 560 | 570 | 565 | 580 | 560 | 570 |
| 编号 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 |
| 功率mW | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 8 | 8 | 8 | 8 | 8 |
| 曝光时间s | 2 | 5 | 10 | 20 | 30 | 50 | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 10 |
| I（a.u.） | 2400 | 4300 | 8300 | 6800 | 7100 | 5100 | 3500 | 3400 | 3700 | 5300 | 7000 |
| λ max（nm） | 530 | 590 | 580 | 580 | 605 | 600 | 500 | 500 | 510 | 590 | 600 |
图2（A～E）给出了不同加工参数得到的碳荧光阵列不同波长激发时的照片；其中，A）为400 nm激光作用后的卤素灯照射下的Andor CCD照片；B) 为高压Hg灯365 nm激发下Andor CCD照片；C）和D）分别为高压Hg灯365 nm和436nm激发下的照片；图3（A～D）给出了不同加工参数得到的碳荧光阵列受高压汞灯365 nm波长激发时的光谱，为了便于比较，图3A、B（origin）还分别给出了未激光辐照时的微弱荧光表现。
表1及图2结果表明，纳米金膜经飞秒激光加工后形成的碳点阵列发光强度、峰值不仅与辐照功率有关，还受曝光时间直接影响。总体来说，纳米碳点的荧光峰值波长大于500nm，最高延至605nm，说明荧光主要源自直径较大的碳点；适当延长曝光时间，荧光大多增强，此时碳点含量增加；辐照激光功率高、低分别利于小、大尺寸碳点形成，荧光峰值波长分别呈现短、长趋势；激光加工功率高时因烧蚀容易产生碳点空洞阵列，孔洞直径与深度则与曝光时间相关。由此说明，选择合适激光功率、曝光时间能获得浅层孔洞碳点阵列，用于微量离子或分子的荧光探测。
图4 给出了表1编号26加工后碳荧光（洞）阵列的SEM（a）、碳元素C分布图（b）；由于使用8mW较高功率激光加工，10秒辐照时间，加工的光斑区域形成了较大尺寸的烧蚀孔洞，碳沿洞周围分布相对均匀，比较而言，洞附近碳含量高，这是因为激光辐照下碳点优先在洞附近形成，从而导致烧蚀孔洞附近碳浓度分布增高。
图5 是5.5mW、曝光时间200ms、间隔2um、532nm飞秒激光加工写“scnu”后GNP－PVA膜(a)用Hg灯365nm（b）、435nm（c）、546nm（d）激发光照射采集的照片；说明这种碳点阵列对激发呈现宽波长范围响应特点，这对检测不同波长响应离子或分子时选择性探测十分有利。
图6 6mW、曝光时间25、50、100、150、200ms，间隔2μm，770nm激光加工GNR－PVA（用OD＝8、λabs＝770 nm 、纳米金含量约0.016%GNR－PVA分散液制成）膜得到的碳点阵列荧光光谱。此时，所得碳点阵列荧光强度较小，峰值波长在550nm附近，说明整体曝光时间短时，碳点形成浓度低，导致发光较弱。
图7 功率5mW、770nm飞秒激光加工GNR－PVA膜（光学密度为8的PVA－GNR分散液，纳米金含量约0.016%），曝光时间30s所得碳荧光阵列对微量铜离子响应情况。 激发波长为365nm 的前后照片（A）（左、右）、前后光谱（B）。结果显示，微量铜离子能导致碳点荧光阵列明显猝灭（变暗）。
图8给出了5mW、880nm、曝光时间20秒飞秒激光分别加工纯PVA、光学密度为8的PVA－GNR（λabs＝880nm）分散液（纳米金含量约0.016%）制成的膜的荧光光谱图（激发波长436nm）。结果表明，纯PVA膜经同样条件下激光加工其荧光几乎可忽略，添加纳米金的PVA膜经激光加工后因形成丰富碳点导致荧光强度（峰面积）增加了数十倍，荧光峰值红移至大尺寸碳点荧光波长590nm，说明激光辐照时有纳米金的存在可显著催化加速碳点形成。
图9给出了12.5mW、532nm、曝光时间10秒飞秒激光加工前后纯PVA膜的荧光光谱图（激发波长365 nm）。结果表明，纯PVA膜激光加工前后其荧光几乎可忽略，无明显改变。说明无纳米金存在时激光加工无法获得荧光碳点。
图10 给出了添加不同光学密度纳米金－PVA分散液（OD为2、6、12、18的GNP－PVA分散液中纳米金含量分别约为0.0067%、0.02%、0.04%、0.06%）制备的PVA－GNP膜经8mW、532nm、曝光时间2秒连续激光加工后365nm激发所得的荧光光谱，结果表明，添加纳米金少（光学密度2、6）时，几乎无纳米碳点形成而观察不到550～600nm范围较强发光。当添加纳米金的光学密度达到12及以上时，激光加工后发光碳点则大量形成。
碳点荧光实验：
取上述方法制备得到的碳点阵列，在显微镜下滴加含有10-7 uM微量铜离子的水溶液，5min后观察荧光变化。图7（上，下）给出了铜离子添加前后的荧光变化情况，可看出两种情况下荧光有显著差异，故可用于检测微量铜离子。
综上可得，碳点可以由纳米金高分子膜经激光加工获得，这种荧光阵列可用普通汞灯激发，可望发展成为一种对包括Cu2+在内的离子、分子等的荧光探针，应用于众多领域。
Claims (10)
1.一种碳点的制备方法，包括使用激光照射纳米金高分子膜，使纳米金通过表面等离子共振升温并破坏周边的高分子结构，形成碳点。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：纳米金高分子膜中，纳米金的光学密度不低于8，或纳米金的质量百分含量不低于0.016%。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：纳米金为金纳米颗粒、金纳米棒、星形、三角形、核壳结构型纳米金。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：纳米金高分子膜中的高分子为具有支链的高分子。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：激光的功率1～20mW。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：激光按顺序在纳米金高分子膜上照射，形成碳点阵列。
7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：激光的照射时间为0.01～100 s。
8.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：纳米金高分子膜中的高分子为选自PVA、PMMA、PS、PA中的至少一种。
9.一种基于碳点的荧光芯片，其制备方法包括如下步骤：
1）按权利要求1～8任意一项所述的方法制备得到含有碳点高分子膜；
2）对碳点进行表面修饰，得到荧光芯片。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：对得到的荧光芯片进行二次激光照射，再次形成碳点，根据需要对碳点进行修饰。
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