本申请涉及一种纳米复合材料，尤其是一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合的制备方法及应用。
背景技术：
碳量子点(cds)是一种新型的荧光碳纳米材料，它不仅具有传统量子点的优秀发光性能，同时具有良好的化学稳定性、低毒无污染以及生物相容性良好等优点。近年来，生物传感器已成为分析检测领域的一项重要技术。其中，荧光传感器由于其操作简单、成本低和高灵敏性等特点，在分析检测方面有着显著的市场前景。但是目前单掺杂氮的碳量子点制备与应用还有一定的难度，纯度较低，荧光性不高，生物传感器的制备过程复杂，时间长等劣势都影响其发展。
技术实现要素：
本申请要解决的技术问题在于克服现有制备方法的不足，为单掺杂氮的碳量子点制备提供一种更为简单的制备方法。
本申请的技术方案如下：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)碳量子点的制备：
(1.1)称量一定配比的柠檬酸和尿素，溶解在n,n-二甲基甲酰胺的溶液中，形成混合液；
(1.2)将所得到的混合液转移到高压釜中，加热一定时间；
(1.3)冷却至室温，取出溶液，分离，除去沉淀，得到上清液；
(1.4)一定比例的石油醚和乙酸乙酯混合倒入上清液中，得到的沉淀物用柱沉析进一步纯化；
(1.5)用洗脱剂进行柱沉析，收集液体，用旋转蒸发仪除去溶剂，得到带正电的氮掺杂碳量子点粉末；
(2)氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料的制备：
(2.1)在烧瓶中加入蒸馏水，然后依次加入乙醇、十二烷基苯磺酸钠和硫酸，形成混合溶液，加热处理，将高锰酸钾溶液缓慢的滴入混合溶液中，不断搅拌；清洗，得到mno2纳米片；将清洗后的带负电的mno2纳米片分散在去离子水中，保留备用；
(2.2)将步骤(1)中所获得的氮掺杂碳量子点粉末加入到(2.1)所获得的溶液中，搅拌得到氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料。
进一步地，所述步骤(1.1)中的柠檬酸与尿素的质量比为：0.9-1。只有在上述质量比范围内，才可以得到氮掺杂较好的碳量子点，其具有较高的荧光性。
进一步地，所述步骤(1.1)中的n,n-二甲基甲酰胺为9-12ml。只有在上述质量比范围内，才可以得到均匀性好的氮掺杂较好的碳量子点，其具有较高的荧光性。
进一步地，所述步骤(1.2)中的加热温度为155-165℃，加热时间为10-14小时。只有在上述质量比范围内，才可以得到均匀性好的氮掺杂较好的碳量子点，其具有较高的荧光性。
进一步地，所述步骤(1.3)中离心时离心机的转速为10000-12000rpm，离心时间8-12min。
进一步地，所述步骤(1.4)中石油醚和乙酸乙酯体积比为3:1。只有在上述质量比范围内，才可以得到均匀性好的氮掺杂较好的碳量子点，其具有较高的荧光性。
进一步地，所述步骤(1.5)中洗脱剂为甲醇和二氯甲烷。采用甲醇和二氯甲烷洗脱剂可以提纯高纯碳量子点。
进一步地，所述步骤(2.1)中烧瓶中加入20-30ml蒸馏水，然后依次加入3.2ml乙醇、0.5m,1.6ml十二烷基苯磺酸钠和0.1m,0.16ml硫酸，将溶液加热；随后将0.05m，0.32ml高锰酸钾溶液缓慢滴入混合溶液中，不断搅拌至成为棕红色溶液。采用上述比例的原料，可以获得尺寸较为均匀的mno2纳米片。
进一步地，所述步骤(2.1)中加热温度为88℃-95℃。
一种根据上述所述制备方法制备出的氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料在荧光生物传感器中的应用，将其用于检测谷胱甘肽。
有益效果:
本申请利用特定比例的尿素和柠檬酸，其中柠檬酸为碳源，尿素作为氮源，以及特定的加热温度以及原料，采用水热法制备了一种氮掺杂的荧光碳量子点，制备所采用的原料成本低，且绿色环保无污染，以及发光强度高并具有良好的光学性质等特性，然后在与mno2纳米片材料复合，选择本申请的方法的整体方法步骤的协调，进而获得了发光强度高并具有良好的光学性质等特性，检测精度高的复合材料。
本申请采用两步法分别制备氮掺杂碳量子点和mno2纳米片材料，可以很好地保证氮掺杂量子点的均匀性和mno2纳米片材料的均匀性，进而避免一步法制备过程中的产生的杂质，避免杂质影响后期mno2纳米材料的形成以及荧光检测的应用，本申请采用mno2纳米片材料，可以借助其优异的表面积。此外，本申请的方法可以制备带正电的氮掺杂cds和带负电mno2纳米材料，且mno2纳米片材料具有较大的比表面积，由于静电相互作用，使得氮掺杂cds较快地充分地吸附在mno2纳米材料的大的片表面，使其发生荧光能量共振转移效应，氮掺杂cds发射的荧光被mno2纳米材料吸收，显示为荧光猝灭，当体系中加入谷胱甘肽时，由于mno2纳米片材料大的比表面积，在酸性条件下mno2纳米材料会被谷胱甘肽较快地充分地还原成为mn2 ，这使得cds与mno2之间荧光共振能量转移作用抑制，荧光恢复，这也是本申请采用mno2纳米片材料与氮掺杂cds复合的原因，利于后期对谷胱甘肽的检测，检测精度高，且检测较快。随着谷胱甘肽的加入量不断加大，荧光强度越来越大，进而可以实现不同浓度下谷胱甘肽复合材料所对应的荧光信号也会随之变化，达到下谷胱甘肽的检测。
附图说明
图1是本申请所述氮掺杂cds-mno2生物传感器制备及应用过程的示意图；
图2a是本申请实施例所制备的氮掺杂cds透射电镜图；
图2b是本申请实施例所制备的mno2纳米片透射电镜图；
图2c是本申请实施例所制备的氮掺杂cds-mno2透射电镜图；
图3a是本申请实施例所制备的氮掺杂cds的紫外吸收光谱；
图3b是本申请实施例所制备的氮掺杂cds在不同激发波长下的荧光光谱；
图4为实施列1制备得到氮掺杂cds的xps元素图谱；
图5为mno2纳米片材料的紫外吸收图和cds的荧光发射图；
图6a为实施例1得到的cds-mno2纳米复合材料的xps元素图谱；
图6b为实施例1得到的cds-mno2纳米复合材料的mn2p图谱；
图7为cds、mno2、cds-mno2的zata电位图；
图8为实施例1的不同浓度mno2纳米片存在下的cds的荧光图谱；
图9a是实施例8中氮掺杂cds-mno2纳米复合材料的荧光传感器对不同浓度的谷胱甘肽的荧光响应曲线；
图9b图9a中波长为545nm下氮掺杂cds-mno2纳米复合材料的荧光传感器对不同浓度的谷胱甘肽(gsh)的荧光响应曲线；
图9c图8的线性拟合图。
具体实施方式
为了更加清晰的解释本发明的设计目的，技术方案，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的详细说明。此处描述的具体实施例仅用来解释本发明，但不限于本发明。
实施例1：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1.1)称量0.58g柠檬酸、0.6g尿素，溶解在10mln,n-二甲基甲酰胺的溶液中，搅拌至溶液澄清；
(1.2)将所得到的混合物转移到25ml聚四氟乙烯高压釜中，在160℃条件下加热12小时；
(1.3)反应釜冷却至室温，取出溶液，放入离心机中以10000rpm离心10分钟除去沉淀；
(1.4)石油醚和乙酸乙酯按比列3:1比列混合倒入上清液中，得到的沉淀物用柱沉析进一步纯化；
(1.5)用甲醇和二氯甲烷作为柱沉析洗脱剂，收集液体用旋转蒸发仪除去溶剂，得到cds粉末，图2a是其透射电镜图。
(2)氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料的制备：
(2.1)在50ml的烧瓶中加入24ml蒸馏水，然后依次加入乙醇(99％，3.2ml)、十二烷基苯磺酸钠(0.5m,1.6ml)和硫酸(0.1m,0.16ml)，将溶液加热到90℃。随后将高锰酸钾溶液(0.05m，0.32ml)缓慢滴入混合溶液中，不断搅拌45min至成为棕红色溶液。用去离子水和乙醇洗净mno2纳米片三次。然后将提纯的mno2分散在去离子水中，保留备用；图2b是其透射电镜图。
(2.2)将步骤(1)中所获得的氮掺杂碳量子点粉末加入到(2.1)所获得的不同浓度的mno2溶液中，搅拌得到氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料。
图2是本申请实施例所制备材料的透射电镜图，从图2a可以看到氮掺杂cds为球形，粒径约为2.8～4.5nm，其平均粒径为3.12nm，尺寸较为均匀。从图2b可以看到mno2纳米片为一个单层的片状结构。从图2c可以看到氮掺杂cds吸附在mno2纳米片的表面。
图3a显示氮掺杂cds在415nm处有紫外吸收峰，吸收度可达到0.5，插图显示了氮掺杂cds分别在白光和紫外光灯下的照片，显示本申请合成的氮掺杂cds具有较好的荧光性。图3b能够看到本申请得到的氮掺杂cds在430nm有最佳激发峰，在530nm波长处有强的发射，强度可达1000。
图4是实施例1的氮掺杂cds的xps检测总图谱。利用xps对cds表面的化学成分进行表征，由图4可以观察到cds的光谱显示出285ev,400ev,532ev三个峰，分别对应于c1s、n1s、o1s元素。各元素所占有的原子率分别为78.07％、7.26％、14.66％，表明本申请制备了质量较高的氮掺杂cds。
图5显示了mno2纳米片的紫外吸收光谱在300～600nm波长处表现出一个宽的频带，在370nm处有一个最高峰。mno2纳米片的紫外吸收光谱与cds的荧光曲线重叠良好，mno2纳米片能够吸收cds的能量，两者之间能够产生能量共振转移。
图6a是实施列1中氮掺杂cds-mno2纳米复合材料的xps总图谱，利用xps对氮掺杂cds-mno2表面的化学成分进行表征，由图6a和图6b所示，可以观察到氮掺杂cds-mno2的光谱显示出有锰(mn2p，642.0ev和653.9ev)、碳(c1s，258ev)、氮(n1s，400ev)和氧(o1s，532ev)的存在，其相对应的原子百分比分别是0.69％、72.71％、8.74％、17.86％。因此可以说明本申请的方法制备了高质量的cds-mno2生物传感器。
图7是实施例1中氮掺杂cds、mno2、氮掺杂cds-mno2的zata电位图，从图7中能够看到本申请制备的氮掺杂cds带正电，所制备的mno2纳米片表面带负电，表明本申请中的氮掺杂cds能够吸附在mno2纳米片表面，进而使mno2纳米片的负电降低。
实施例2：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1.1)称量0.54g柠檬酸、0.6g尿素，溶解在9mln,n-二甲基甲酰胺的溶液中，搅拌至溶液澄清；其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
实施例3：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1.1)称量0.6g柠檬酸、0.6g尿素，溶解在12mln,n-二甲基甲酰胺的溶液中，搅拌至溶液澄清；
其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
实施例4：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1.2)加热温度为155℃；其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
实施例5：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1.2)加热温度为165℃；其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
实施例6：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(2.1)加热温度为88℃；其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
实施例7：
一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(2.1)加热温度为95℃；其他步骤同实施例1。得到结构与实施例1相似。
比较例：本申请为了显示本申请的方法的独特性，还做了其他比较例，如不加入尿素，获得非掺杂氮的碳量子点，其荧光强度并不如本申请的氮掺杂碳量子点的好。此外还采用了本申请的柠檬酸与尿素比例之外的实施例，以及其他加热温度等也不能获得本申请实施例1中的荧光性良好的氮掺杂碳量子点。此外，还采用未提纯的量子点，其荧光较杂，其他提纯方法，如采用单纯的甲醇或二氯甲烷等也不能得到本申请的高纯度的量子点；此外还采用其他方法制备了碳量子点与氧化锰的复合，用来探测谷胱甘肽，其反应速度及探测精度并不如本申请方法制备的复合材料高，这也是本申请的方法所体现出的有点。
实施例8：
将实施例1制备的氮掺杂cds加入到不同浓度的mno2纳米片溶液里面反应。再向反应液中加入磷酸缓冲盐溶液pbs(ph＝5)缓冲液，定量到1ml，最后进行荧光检测。
将上述制备的氮掺杂cds-mno2复合纳米材料和不同浓度的谷胱甘肽溶液发生反应，记录荧光强度的变化。
图8为实施例1得到的荧光光谱图，氮掺杂cds的荧光强度随着mno2纳米片浓度的增加而逐渐减小，可以知道mno2纳米片是一种高效的纳米猝灭剂，具体地，本申请实施例中，mno2纳米片浓度依次包括0μg/ml、50μg/ml、100μg/ml、150μg/ml、200μg/ml、250μg/ml、300μg/ml、400μg/ml、450μg/ml、500μg/ml、550μg/ml、600μg/ml和650μg/ml，氮掺杂cds的荧光强度随着mno2纳米片浓度的增加而逐渐减小。
图9a是实施例8中氮掺杂cds-mno2纳米复合材料的荧光传感器对不同浓度的谷胱甘肽(gsh)的荧光响应曲线，测试时总体积不变为1ml，荧光曲线中谷胱甘肽的浓度从20um/ml～2mm/ml，谷胱甘肽的浓度具体地包括20um/ml、40um/ml、60um/ml、80um/ml、100um/ml、300um/ml、500um/ml、700um/ml、1m/ml和2m/ml，以及图9a中给出了cds mno2表示未添加谷胱甘肽(gsh)的响应曲线；图9b是图9a中波长为545nm下氮掺杂cds-mno2纳米复合材料的荧光传感器对不同浓度的谷胱甘肽(gsh)的荧光响应曲线，图9b显示荧光值随着谷胱甘肽浓度升高而增大；图9c为图9b的拟合曲线图，从图9c显示本申请实施例展现的检测有良好的线性范围，线性结果y＝0.2378x 537.95，可以知道线性检测范围是0.15～1mm，检测线是1.7um，可以很好地用于谷胱甘肽的检测。
1.一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)碳量子点的制备：
(1.1)称量一定配比的柠檬酸和尿素，溶解在n,n-二甲基甲酰胺的溶液中，形成混合液；
(1.2)将所得到的混合液转移到高压釜中，加热一定时间；
(1.3)冷却至室温，取出溶液，分离，除去沉淀，得到上清液；
(1.4)一定比例的石油醚和乙酸乙酯混合倒入上清液中，得到的沉淀物用柱沉析进一步纯化；
(1.5)用洗脱剂进行柱沉析，收集液体，除去溶剂，得到带正电的氮掺杂碳量子点粉末；
(2)氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料的制备：
(2.1)在烧瓶中加入蒸馏水，然后依次加入乙醇、十二烷基苯磺酸钠和硫酸，形成混合溶液，加热处理，将高锰酸钾溶液缓慢的滴入混合溶液中，不断搅拌；清洗，得到mno2纳米片；将清洗后的带负电的mno2纳米片分散在去离子水中，保留备用；
(2.2)将步骤(1)中所获得的氮掺杂碳量子点粉末加入到(2.1)所获得的溶液中，搅拌得到氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中的柠檬酸与尿素的质量比为：0.9-1。
3.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.1)中的n,n-二甲基甲酰胺为9-12ml。
4.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中的加热温度为155-165℃，加热时间为10-14小时。
5.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中离心时离心机的转速为10000-12000rpm，离心时间8-12min。
6.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.4)中石油醚和乙酸乙酯体积比为3:1。
7.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.5)中洗脱剂为甲醇和二氯甲烷。
8.根据权利要求1所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中烧瓶中加入20-30ml蒸馏水，然后依次加入3.2ml乙醇、0.5m,1.6ml十二烷基苯磺酸钠和0.1m,0.16ml硫酸，将溶液加热；随后将0.05m，0.32ml高锰酸钾溶液缓慢滴入混合溶液中，不断搅拌至成为棕红色溶液。
9.根据权利要求8所述的一种氮掺杂碳量子点与二氧化锰复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2.1)中加热温度为88℃-95℃。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述制备方法制备出的氮掺杂碳量子点-mno2纳米复合材料在荧光生物传感器中的应用，其特征在于，将其用于检测谷胱甘肽。
技术总结