本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及三发射碳点和固体室温磷光材料及其合成方法。
背景技术：
自徐等人[1]在2004年从碳纳米管中发现了碳点以来，由于其低毒性、光学稳定性、生物相容性和丰富的前体来源[2-5]，碳点被广泛应用于生物成像、癌症诊断与治疗、光催化、环境科学等领域[6-9]。多发射碳点(m-cds)因其在生物成像、传感和照明等方面的巨大应用潜力而备受研究者的关注。但是，m-cds的合成及其发光机理仍有待进一步的研究。近年来，许多研究者致力于开发激发范围宽、量子产率高、具有双发射或多发射的碳点[10-11]。然而，与单发射碳点的合成相比，多发射碳点的合成具有很大的挑战性。尽管改变激发波长可以得到多种颜色的发射[12-13]，但在同一激发下出现多个发射峰是相对罕见的。
与传统报道的cdse量子点不同，碳点几乎不受量子限制效应的影响[14]，因此很难合成具有可调谐荧光和长波长发射的碳点。碳点的发光机理主要与其带隙相关，其带隙主要有结构缺陷[15]、表面态[16]、分子态[17]和碳核发光[18]四种。song等人[19]，得到的双发射碳点，认为蓝色发射峰是sp2的石墨结构和sp3的缺陷所致。掺杂杂原子可以引入更多的能带隙[20]，碳点多发射的起源可能与粒径效应或通过溶剂调节的表面态修饰有关[21-22]。chen等人[12]，报道的碳点在dmf中有多个发射中心，dmf作为极性非质子溶剂阻止了氧相关态中非辐射复合的形成。此外，表面态是由表面和内部的电子分布差异造成的[23]，依赖于距离的分子间相互作用也会影响表面电子分布，电子的辐射复合将转化为两个或多个中心[24]。mu等人[25]，已经证明，高浓度下碳点的红移主要是由于分子间作用力的影响，碳点之间的距离缩短，有利于能量转移。碳点的多发射中心的研究还有待进一步探索。
室温磷光材料(rtp)因其长寿命被广泛应用于光电器件[26]、传感器[27]和数据防伪[28]等领域。然而，由于体系间交叉的自旋禁阻以及分子内振动和旋转导致的非辐射失活，rtp材料的制备仍然面临挑战。到目前为止，一些传统的有效制备rtp材料的方法是加入重金属、卤素键、羰基键、硅氧基或c-n/c＝n键等[29-30]。然而，由于纯有机分子的低自旋轨道耦合导致其磷光较弱，许多新方法通过将发光复合物嵌入适当的基体中并结晶[31]来获得高效的rtp材料[32]。碳点作为一种低毒高效的发光材料，在发光上具有独特的优势。但是关于碳点的磷光却鲜有报道。此外，由于碳点的聚集诱导猝灭，碳点很难显示固体荧光或固体磷光。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种多发射碳点。
本发明的技术方案是一种三发射碳点，以α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源制备得到。
具体的，所述碳点在365nm激发波长下，浓度高于0.270～1.35mg/ml的碳点具有423nm附近、500nm附近和580nm附近的三个发射峰，浓度在0.0135～0.270mg/ml时的碳点具有580nm附近和423nm附近两个发射峰。
本发明还提供了采用一锅法合成所述三发射碳点的方法，具体操作如下：以n，n-二甲基甲酰胺(dmf)和超纯水为溶剂，以α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源；将溶剂、氢氧化钠溶液和碳源混合；将混合溶液在170～220℃反应5～9h。
具体的，h2o与dmf的体积比为3︰22～1︰24；pan和rubpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.01～13.36mg；氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～200μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
优选的，h2o与dmf的体积比为2︰23。
优选的，pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.9～10.01mg。
更优选的，pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为10.01mg。
优选的，氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～100μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
最优的，氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入100μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
优选的，反应时间为7～9h。
最优选的，反应时间为7h。
优选的，合成温度为170～200℃。
最优的，合成温度为200℃。
进一步的，反应后溶液冷却、离心，上清液过滤、干燥即得到三发射碳点。
具体的，所述离心操作为以10000rpm的转速离心10min得到上清液，m-cds以4倍的水处理后，以10000rpm离心10min以除去不溶性杂质。
具体的，所述过滤为0.22μm微孔膜过滤；
具体的，所述干燥为真空干燥。
本发明还提供了所述三发射碳点及其合成方法在检测桑色素中的应用。
本发明还提供了采用一锅法合成固体室温磷光材料的方法，具体操作如下：以n，n-二甲基甲酰胺(dmf)和超纯水为溶剂，以α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源；将溶剂、氢氧化钠溶液和碳源混合；将混合溶液在170～220℃反应5～9h。
具体的，h2o与dmf的体积比为3︰22～1︰24；pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.01～13.36mg；氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～200μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
优选的，h2o与dmf的体积比为2︰23。
优选的，pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.9～10.01mg。
更优选的，pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为10.01mg。
优选的，氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～100μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
最优的，氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入100μl2mol/l的氢氧化钠溶液。
优选的，反应时间为7～9h。
最优选的，反应时间为7h。
优选的，合成温度为170～200℃。
最优的，合成温度为200℃。
进一步的，反应后溶液冷却、离心，沉淀洗涤、干燥即得到固体室温磷光材料。
具体的，所述洗涤采用dmf溶液超声处理。
具体的，所述的干燥为真空干燥。
本发明还提供了所述方法合成得到的固体室温磷光材料。
本发明还提供了所述固体室温磷光材料及其合成方法在制备防伪材料中的应用。
在合成具有特定荧光发射的碳点，对碳源的选择非常重要，不同的碳源携带不同的基团，合成的碳点可能具有荧光特性可能没有，也可能发射的荧光并非所需。因此，申请人先对碳源进行了大量的筛选试验。同时对反应溶剂也进行了筛选，以dmf作为反应溶剂，可以在同时拥有三个荧光峰的同时，获得更强的荧光强度。
在选定了合成的原料后，进一步对各原料的用量进行了优化。
在此基础上对合成的反应条件进行了筛选优化，优化的参数包括合成的温度、时间和酸碱度等。温度过高、时间过长，碳化程度太过会使荧光强度降低；温度过低、时间太短，不能同时得到三种发射。并且在酸碱度的优化试验时，无意中发现反应釜中的沉淀物质具有磷光特性。加酸或碱均会使碳点的抗光漂白性变差，但酸的加入会导致程度更深。加入氢氧化钠可以获得具有固体磷光的s-cds。
本发明的有益效果：
本申请以α-吡啶偶氮-β-萘酚、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源，合成了在365nm激发波长下具有三个发射峰的m-cds和具有固体rtp性质的s-cds。实现了原料的高效利用。合成的m-cds的发光性质具有浓度依赖性，表现出从蓝光到红光的三色发射带几乎覆盖了整个可见光谱，使利用m-cds构建白光发光器件成为可能性。建立了低浓度m-cds(lccds,0.068mg/ml)条件下用比例荧光法测定桑色素的方法。随着桑色素浓度的增加，桑色素的颜色由粉紫色变为绿色，可视觉检测桑色素。此外，通过该方法合成了具有固体磷光的s-cds，可作为光学防伪材料，为信息防伪提供安全防护策略。
附图说明
图1、以表1中1-10号为原料制备的碳点的荧光二维(2d)图像(纵坐标emission(nm)：发射；横坐标excitation(nm)：激发)；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图2、以表2中1-5号为原料制备的碳点的荧光2d光谱图；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图3、以表3中1-6号为原料制备的碳点的荧光2d图谱；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图4、以表4中1-4号为原料制备的碳点的荧光2d图谱；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图5、以表5中1-4号为原料制备的碳点的荧光2d图像；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图6、以表6中1、2号为原料制备的碳点的荧光2d图谱；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图7、以表7中1-6号为原料制备的碳点的荧光2d光谱；2d代表荧光二维图像，2d前面的数字代表表中原料序号。
图8、(a)1-3号在365nm的激发下的荧光光谱(flintensity：荧光强度；wavelength：波长)；(b)3号对ph的响应特性(ex：365nm)；(c)3号对于桑色素(morin)的响应特性(ex：365nm)。
图9、(a)hccds，(c)lccds的2d-fl光谱，(b)hccds和(d)lccds在不同激发波长下的荧光光谱，(e)hccds以及lccds在365nm下的发射光谱。
图10、(a)m-cds的紫外可见吸收和(b)不同浓度m-cds的归一化荧光强度，激发波长为365nm；1～13的浓度分别为0.027mg/ml、0.034mg/ml、0.068mg/ml、0.135mg/ml、0.169mg/ml、0.270mg/ml、0.338mg/ml、0.450mg/ml、0.540mg/ml、0.675mg/ml、0.900mg/ml、1.080mg/ml、1.350mg/ml；(c)1、2、3、4、6、9、10、13在日光和365nm紫外光下的照片。
图11、(a)不同浓度(1～13的浓度，与图10中同)激发波长下m-cds的荧光发射光谱，(b)绿色荧光发射峰对m-cds浓度的依赖性(normalizedflintensity：归一化荧光强度，concentration：浓度)。
图12、(a)-(d)显示了m-cds的tem图像。
图13、m-cds不同浓度下的水合粒径(counts：强度，size：尺寸)。
图14、m-cds的xrd光谱(2theta：2θ角)。
图15、(a)不同ph值下lccds在365nm激发下的发射光谱，插图：ph值在4.41-11.96范围内呈线性；(b)lccds和(c)hccds的光稳定性(time：时间)。
图16、(a)添加指定浓度(0、50、5、8、10、20、30、40、80、100、150、200μmol)morin后m-cds的荧光发射光谱，插图：将不同浓度的morin加入m-cds后放置于365nm的紫外线灯下的照片；(b)在423和552nm(f552/f423)处发射强度的比值作为morin浓度的函数。
图17、(a)研究了加入morin类似物芦丁(rutin)、木犀草素(luteolin)、咖啡酸(caffeicacid)、多巴胺(dopamine)、尿酸(uricacid)、双酚a(bishpenola)、l-抗坏血酸(vc，300μmol/l)、槲皮素(quercetin，100μmol/l)与100μmol/lmorin后荧光光谱中(f'552/f'423)/(f552/f423)的变化；插图：365nm紫外光下选择性试验照片，10支离心管从左至右依次为：空白(blank)、l-抗坏血酸、多巴胺、尿酸、木犀草素、双酚a、芦丁、咖啡酸、morin、槲皮素。(b)在ag 、k 、na 、br-、f-、i-、ac-、so42-、arg、lys、cys、gly、his、trp、多巴胺、淀粉(starch)、焦磷酸钠(spp)、尿酸(1mmol/l)，al3 、ca2 (300μmol/l)和fe3 、cu2 (10μmol/l)的存在下，m-cds对morin(100μmol/l)的响应。
图18、(a)m-cds，morin，m-cds的紫外-可见吸收光谱和m-cds的最大发射光谱。(b)在375nm激发波长下，m-cds在无morin和有morin存在下的荧光衰减曲线(channel：频道)。
图19、在(a)365nm和(b)254nm激发下s-cds的荧光(黑)和rtp(红)发射光谱(fluorescence：荧光，phosphorescence：磷光)。
图20、16s-cds在环境光下的照片，以及在365nm和254nm紫外光灯条件，关灯后不同时间的照片。
图21、s-cds的tem图像；b分别为s-cds在不同倍数下的tem照片，其中b是a放大所得；b中的插图是s-cds的晶格条纹。
图22、s-cds(固体材料室温磷光固体材料)的时间分辨磷光衰减曲线。
图23、(a)s-cds(固体)和(b)s-cds水溶液的荧光光谱。
图24、在日光下(上)、365nm紫外线灯“开”(中)和“关”(下)情况下，在dmf溶液中s-cds的分散照片，从左到右为dmf溶液中水的体积比。
图25、(a)s-cds的xps测量光谱，以及(b)c1s和(c)o1s的光谱。
图26、s-cds的应用，(a)在非发光背景纸上使用s-cds(8085)和绿色荧光笔(8888)书写的s-cds照片和发光字符，(b)254nm紫外光下的s-cds图像(dry：干燥)；(c)基于s-cds(叶子)，pan-s-cds(花梗)，ru-bpy-s-cds(花)所建立的光学防伪。即在254nm灯下以及灯关闭后的磷光。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验材料：
α-吡啶偶氮-β-萘酚(90％)购自上海麦克林生化有限公司，三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(98％)购自上海阿拉丁生化科技有限公司，n，n-二甲基甲酰胺(dmf)购自重庆钛新化工有限公司。桑色素是从上海麦坤化工有限公司购买的。实验用水为超纯水(18.2m_cm)。
表征手段：
使用f-7000fl分光光度计(日本日立)测量fl光谱，并使用uv-2500紫外可见分光光度计(日本岛津)记录紫外-可见吸收光谱。红外光谱由岛津ftir-8400s(日本岛津)傅里叶变换红外光谱仪获得。x射线光电子能谱(xps)由美国somerfly技术公司的thermoscalab250xix射线电子能谱仪记录。荧光寿命和磷光寿命分别用fl-s1000稳态/瞬态荧光光谱仪(英国爱丁堡)和fs5稳态/瞬态荧光光谱仪(英国爱丁堡)测量。采用美国萨默菲公司的talosf200x透射电子显微镜获得tem图像。
实施例1原料选择优化过程
旨在合成多发射碳点，需要碳点的荧光二维(2d)光谱图中能够显示在同一激发波长下具有多个发射中心即可。因此可以通过碳点的2d光谱直接观察碳点是否是自己所需的。
首先选择了富含氨基羧基等官能团的物质，以期能够产生更多的表面缺陷以及各种官能团，而后有报道硝酸硫酸等物质能赋予碳点更为特殊的性质，因此在实验的过程中还引入了硝酸。
实验材料：邻苯二胺(o-pd)，草酸(oxalicacid)，d-葡萄糖(d-gly)，柠檬酸(ca)，赖氨酸(lys)，α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)，硝酸(hno3)，对苯二胺(p-pd)，中性红(neutralred)，三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)，阳离子艳红(cationicbrilliantred)，钙黄绿素(calcein)，1，4-二氧环己烷(1,4-dioxane)，乙醇(c2h5oh)，丙酮(acetone)，n,n-二甲基甲酰胺(dmf)，乙二醇(ethyleneglycol)。
1、初始的选择过程如表1所示，称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。1-10号的2d荧光光谱图(图1)显示，1-10号均没有出现在一个激发下具有多个发射峰的性质，均无多峰出现。
表1原材料初筛
2、更换原料继续实验，具体如表2所示。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。观察所得碳点的2d荧光光谱(图2)，仅1号具有在一个激发下出现多个峰的趋势，对比来看，ru-bpy占主要原因。由于含氮量高的碳点往往表现出红光发射的特性[33-34]，选择ru-bpy作为原料，它不仅具有大的共平面，而且可以引入红光发射。
表2多种原料再次尝试合成碳点
3、后续选择ru-bpy及其他原料为进一步尝试合成，具体见表3。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。根据图3可知，加入ru-bpy即有红峰存在，在其他原料存在时有三峰趋势，仅ru-bpy呈现出红色发射。由5,6号的2d光谱图可知，其600nm处峰过高，导致前面的两个峰不明显。
表3以ru-bpy为原料和其他原料一起合成
4、适当减少ru-bpy的量进一步合成(表4)。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。从图4中可以看出，4种碳点种均有双峰存在，有一定的三峰趋势，但是蓝峰强度很低，且很难与绿色荧光峰区分。
表4减少ru-bpy的量
5、在众多文献中报道，以柠檬酸未原料合成的碳点往往具有较强的蓝色发射，量子产率一度可达80％以上。因此推测蓝色发射与柠檬酸相关。继续增加柠檬酸的量(表5)以调节蓝色发射峰。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。然而，从图5可以看出，柠檬酸的量增加并没有使蓝峰有很好的提升。
表5调节柠檬酸的量
6、有报道称pan可以表现出蓝色相关发射[20]。引入pan继续进行实验，具体见表6。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。因此，从所选的原料来看，合成的碳点是有可能表现出多重发射的。结果(图6)只有1号有三峰，采用calcein的碳点没有绿色荧光中心，因此优先选择ca，ru-bpy以及pan作为合成的原料。
表6引入pan
7、探究每一个原料是否必须存在，具体见表7。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。如图7所示，ca与ru-bpy或者pan与ru-bpy共同存在于dmf溶剂中时均有多峰存在，且pan与ru-bpy共同存在时蓝峰强度明显强于ca与ru-bpy合成的碳点。因此将选择pan与ru-bpy作为反应的碳源。以水作为溶剂的效果不如dmf。
表7合成原料探究
8、继续考察dmf是否是最佳的反应溶剂，具体见表8。称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。
桑色素(morin)是一种重要的黄酮类化合物，广泛存在于植物和植物源性食品中，具有抗氧化、抗突变、抗炎、抗病毒等多种生物活性[33-34]，传统的morin检测方法需要专用仪器[35-36]，操作复杂。因此，建立一种简单、可靠、重复性好的morin检测方法具有重要的应用价值。为了证明所得到碳点的应用潜力，它被用作检测morin的荧光探针。具体的检测过程如下：在2mlep管中加入0.10mlh3bo4-kcl-na2co3缓冲液和0.10ml0.675mg/ml的碳点，然后在混合液中加入浓度范围为0-200μl的桑色素溶液(1mmol/l)，用超纯水定容至1ml，经涡旋充分混合后，在室温下测量发射光谱，孵育20min后，记录fl光谱狭缝宽度分别为10和10nm，激发波长为365nm。
从图8可以看出，3号碳点是以dmf为溶剂所合成的碳点不但具有三个发射峰，其荧光强度明显高于另外两种溶剂，因此选择dmf作为合成的溶剂。3号碳点对ph有一定的荧光响应特性，在碱性条件下(柏瑞坦-罗宾森缓冲液br：9.25)418nm处的荧光强度随着morin含量的增加而发生猝灭，在590nm处的荧光峰保持不变。因此，为使对morin具有良好的检测能力，在优化的过程中将以(f418/f590)/(f’418/f’590)作为优化的指标(f和f’分别为br4.14和9.25条件下的荧光强度)。
表8合成溶剂
综上，通过原料筛选试验，最后得到的原料为：以α-吡啶偶氮-β-萘酚、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源，以dmf为合成溶剂。
实施例2制备条件优化
1、固定pan的量优化ru-bpy的量。在固定pan的量、溶剂、反应时间、反应温度等条件下，制备碳点(具体的合成操作流程与实施例1同)。将制备得到的碳点用量检测morin。具体结果见表9，从(f418/f590)/(f’418/f’590)可以看出，固定pan用量29.05mg的基础上，ru-bpy优选用量为8.01～13.36mg，优选的为8.01～10.01mg，10.01mg为最优选择。
表9固定pan的量优化ru-bpy的量
2、优化pan与ru-bpy浓度。具体的合成操作流程与实施例1同。在表9得到的优化用量的技术上进行倍数的变化。从表10可以看出，2号条件为最优化的pan与ru-bpy的浓度。
表9优化pan与ru-bpy浓度
3、优化合成溶剂。在原料初筛的过程中，由于dmf是一种有机溶剂，其本身既是碳源又是溶剂，因此，dmf也是经过筛选得到的原料之一。但是h2o并不是有机溶剂，因此，在后续优化的过程中才会考虑到水的用量。在固定pan与ru-bpy用量等条件下，调整不同体积比的水与dmf进行碳点制备(具体的合成操作流程与实施例1同)，将制备得到的碳点用量检测morin。从表11可看出，h2o与dmf的体积比为3︰22～1︰24为较优的用量，2︰23为最优合成溶剂用量。
表10不同体积比的水与dmf的混合溶剂
4、合成过程中的酸碱优化
称取表中所述原料，置于聚四氟乙烯反应釜中，而后加入对应的溶剂，混匀。将反应釜置于不锈钢密闭容器中，在烘箱中按照表中的时间和温度加热反应。
表11酸碱优化
从表12可以看出，从(f418/f590)/(f’418/f’590)的比值体现，酸和碱的加入使之变低，则意味着灵敏度降低，但有助于提高碳点的光漂白性。抗光漂白性能提升，可以使碳点能够保存时间更久，能够在光的照射下长时间保持发光强度稳定，有利于制备各种发光器件。然而，由于酸的加入使灵敏度降低过多，因此综合考虑下，添加碱。并且在反应釜内衬底部发现了固体物质，离心后可以与上清液完全分离。固体物质经dmf洗涤并完全干燥后发现其具有固体磷光性质，故选择加入碱。
5、优化碱的量(具体的合成操作流程与实施例1同)。从表13中可看出，碱用量为2mol/l、50～200μl时，合成的碳点荧光值较高，更为优选的为2mol/l、50～100μl，最优的为2mol/l、100μl。
表12优化naoh的量
6、优化合成温度(具体的合成操作流程与实施例1同)。从表14可看出，在170～220℃合成的碳点荧光值较高，更为优选的为170～200℃，最优的合成温度为200℃。
表13温度
7、优化合成时间(具体的合成操作流程与实施例1同)。从表15可看出，在5～9h合成的碳点荧光值较高，更为优选的为7～9h，最优的合成时间为7h。
表14时间
8、正交优化，设置四因素三水平的正交优化表格(表16)。四因素及三水平为：温度(195℃、200℃、205℃)、反应时间(6h、7h、8h)、氢氧化钠的量(2mol/l，100μl、150μl、200μl)、ru-bpy的量(10.01mg、11.45mg、13.36mg)。
表15正交优化
最终的合成方法为pan29.05mg，ru-bpy10.01mg，2mol/lnaoh100μl，dmf2300μl，h2o100μl在200℃反应7h。为了使一次合成的量更多，将最终溶剂的体积改为5ml，所有物质的含量均扩大一倍，以保证反应条件的完全相同，因此后续合成的碳点的合成方法为pan58.10mg，ru-bpy20.02mg，2mol/lnaoh200μl，dmf4600μl，h2o200μl在200℃反应7h。
实施例3各种碳点的制备
采用一锅溶剂热法合成了m-cds和s-cds。将4.60mldmf、0.20ml超纯水和0.20ml2mol/l氢氧化钠溶液与58.10mgpan和20.10mgrubpy混合。然后，将混合溶液在200℃下加热7小时。所得碳点溶液冷却至室温后，以10000rpm的转速离心10min得到上清液m-cds以及沉淀s-cds。而后m-cds以4倍的水处理后，以10000rpm离心10min以除去不溶性杂质，获得的红棕色上清液经0.22μm微孔膜过滤去除大颗粒和杂质，然后在真空干燥室中干燥。s-cds用dmf溶液超声洗涤三次后，黄色固体在真空干燥器中完全干燥。
实施例4m-cds的性质表征
m-cds的光学特性如图9所示。在高浓度下hccds(m-cds，0.270mg/ml)的光学性质如图9a和图9b所示，2d-fl光谱有四个发射中心，分别对应紫外、蓝色、绿色和红色发射。蓝色区域的荧光强度最强，其次是紫外线区域，绿色区域较弱，红色区域几乎看不见。在激发为340～390nm的范围内，三个荧光发射中心同时存在，当激发波长大于330nm时，紫外区域的荧光发射消失。为了方便可视化观察，选择了常见的紫外灯激发365nm用于进一步研究应用。与hccds不同的是lccds(m-cds，0.068mg/ml)的2d-fl光谱(图9c和9d)只有两种类型的发射中心，分别位于380和420nm处，最强的荧光中心从蓝色发射变为紫外区的发射，绿色和红色区域消失。红色发射中心消失的原因是由于紫外区的荧光强度过大，导致红色区域的发射不能在图中显示，实际上是存在的，如图9e。图9b和9d分别显示了hccds和lccds在不同激发下的发射光谱，可以看出随着浓度的增加，最大激发峰从305nm红移到345nm处。
为了进一步研究浓度对m-cds光学性能的影响，图10a和10b分别给出了m-cds在不同浓度(1～13的浓度分别为0.027、0.034、0.068、0.135、0.169、0.270、0.338、0.450、0.540、0.675、0.900、1.080、1.350mg/ml)下的吸收光谱和发射光谱。m-cds在日光和365nm紫外光下的图像如图10c所示。如图10a所示，m-cds在345nm和455nm处的吸光度也随着浓度的增加而增大，当溶液浓度大于0.450mg/ml时，455nm处的吸收峰向长波长移动。从m-cds在日光下的照片来看，当浓度大于0.450mg/ml时，溶液颜色变为深棕色，这可能是由于重吸收过程所致[37]。图10b显示了不同浓度下m-cds的荧光光谱，随着m-cds浓度的增加，蓝色发射峰出现红移(δ＝4.00nm)，并在约500nm处出现一个新的发射峰。综上，所述碳点在365nm激发波长下，浓度高于0.270～1.35mg/ml的碳点具有423nm附近、500nm附近和580nm附近的三个发射峰，浓度在0.0135～0.270mg/ml时的碳点具有580nm附近和423nm附近两个发射峰。
m-cds的荧光强度随浓度的增加先增大后减小(图11a)，这可能是由于碳点的自猝灭效应[38]引起的。虽然蓝光发射的荧光强度有所降低，但绿色和红色的相对发光强度逐渐升高。绿光发射随浓度的增加呈现出较长的波长偏移(图11b)，且发射峰与浓度具有良好的线性关系，表明来自同一种辐射的荧光发射[24]。
如图12a所示，lccds是均匀分布的，并且平均粒径为2.8nm，但是当浓度增加到0.135mg/ml的时候(图12b)，粒径大小急剧增加到59.58nm，较之前报道的碳点尺寸更大。同时，从图12c和12d中可以看出，碳点之间还有聚集的趋势存在。
此外，还用粒度仪对不同浓度的m-cds进行了分析(图13)，其也显示出粒径随浓度增大而变大的趋势，这从微观上证明了浓度依赖的发光行为是和粒径相关的。
m-cds的xrd(图14)在12°和45.8°、21.5°处有峰产生，分别接近石墨碳的(100)和(002)面[39]。m-cds的相对量子产率(qy)用绝对pl量子产额谱仪c1347(日本滨松)测量。m-cds在365nm的激发下有三个峰，因此在365nm激发下测量了三种cds的qy，为4.50％。
分别取100μlph范围在4.41-11.96的br缓冲加入到不同的ep管中，而后加入100μl,0.67mg/ml的m-cds，最后以水定容至1ml。涡旋混匀，在365nm的激发下测量其发射光谱。如图15a所示，当ph从4.41增加到11.96时，lccds在423nm处的fl信号增强，而586nm处的fl强度对其不敏感。f423/f586的值在4.41-11.96范围内与ph呈线性关系(15a的插入图)。
lccds和hccds的光稳定性如图15b、c所示，在365nm的xe灯下连续照射30min，蓝色荧光强度的fl强度有一定程度上的下降，由于表面状态易受温度、ph和溶剂等环境因素的影响，这很好地符合蓝色发射[40]。hccds的蓝发射强度在受到持续照射时较lccds具有优异的光稳定性。红光发射峰位于586nm处，且不随激发而变化，几乎不受辐照时间、ph、温度等环境元素的影响。
实施例5采用m-cds的检测桑色素
为了证明m-cds的应用潜力，它被用作检测morin的荧光探针。morin是一种重要的黄酮类化合物，广泛存在于植物和植物源性食品中，具有抗氧化、抗突变、抗炎、抗病毒等多种生物活性[33-34]，传统的morin检测方法需要专用仪器[35-36]，操作复杂。因此，建立一种简单、可靠、重复性好的morin检测方法具有重要的应用价值。
在2mlep管中加入0.10mlh3bo4-kcl-na2co3缓冲液和0.10ml0.675mg/ml的m-cds，然后在混合液中加入0、5、8、10、20、30、40、80、100、150、200μl的桑色素溶液(1mmol/l)，用超纯水定容至1ml，经涡旋充分混合后，在室温下测量发射光谱，记录fl光谱emission和excitation狭缝宽度分别为10nm和10nm，激发波长为365nm。取健康志愿者尿样和人血清标本。尿液样本以3000rpm/min离心10分钟。人血清在室温下静置1h，在4℃下过夜，以3000rpm/min的速度离心10min，上清液在4℃下储存后使用。将适量(20、30、40μmol/l)桑色素标准溶液加入尿液上清液和人血清中进行分析。
如图16所示，加入morin后，m-cds在423nm处的荧光强度降低，而在552nm处出现了新的荧光峰。f552/f423与morin浓度在0.5～200μmol/l范围内(0、5、8、10、20、30、40、80、100、150、200μmol)呈良好的线性关系。线性回归方程为y＝-0.5672 0.5383exp(x/107.8)，相关系数(r2)为0.9952，检测限为0.21μmol/l。
为了研究m-cds的选择性，对芦丁、槲皮素、木犀草素、咖啡酸、多巴胺、尿酸、双酚a和l-抗坏血酸等morin类似物进行了研究。在选择性实验中，morin对荧光信号的响应明显高于其他结构类似物，只有morin在365nm紫外光灯下呈蓝色发射(图17a)。为探讨m-cds检测morin的可行性，进行了干扰试验，图17b显示了在100μmol/lmorin和1mmol/lag 、k 、na 、br-、f-、i-、ac-、so42-、arg、lys、cys、gly、his、trp、多巴胺、淀粉、焦磷酸钠、尿酸，300μmol/lal3 以及ca2 存在下对m-cds的响应，和10μmol/l的fe3 和cu2 。在这些情况下，m-cds的荧光强度可能受到fe3 与cu2 的螯合反应的影响。然而，人尿中fe3 和cu2 的浓度低于morin[2]。因此，其影响可以忽略不计。且当其应用于实际样品的检测时，也具有较好的检测效果(表17)。
表17用该方法测定人尿和血清中桑色素的含量
为了探讨morin对m-cds的荧光猝灭机理，进行了以下实验(图18)。研究了m-cds、morin及混合溶液(m-cds和morin)的紫外-可见吸收光谱。如图18a所示，混合溶液(m-cds和morin)的紫外-可见吸收光谱没有新的峰，与叠加峰基本一致。此外，morin在385nm处的明显吸收峰与m-cds的发射光谱重叠，表明morin对m-cds的荧光猝灭可以归因于荧光共振能量转移或者内滤作用(ife)[41]。为了进一步区分猝灭机理，对m-cds在morin是否存在的情况下进行了荧光寿命测量。如图18b所示，荧光寿命分别为5.15ns(无morin)和5.23ns(存在morin)，其荧光寿命几乎不变。
实施例6s-cds的光学性质及表征
对固体沉淀物进行超声洗涤，得到的s-cds不仅具有固体荧光，而且具有固体磷光特性。根据紫外灯选择了365nm和254nm的激发波长进行进一步的研究。图19显示了激发波长分别为365nm和254nm的s-cds的相应荧光光谱(黑)和磷光光谱(红)。如图20所示，s-cds在日光下为淡黄色粉末，在365nm的激发下呈近白色，磷光为黄色，肉眼可见约2s；而s-cds在254nm激发下，紫外线关闭后呈淡绿色，绿色磷光在肉眼可见范围内出现并持续3s。在254和365nm下测得的磷光寿命(图22)分别为118和338μs。碳点由于其自身的聚集诱导猝灭效应[30]，在固体状态下是很少有荧光存在的，本方法制备的s-cds还显示出了较好的室温磷光性质。
xps用于研究s-cds的元素组成，其显示s-cds中含有大量的na元素(图26)。对s-cds的tem进行了研究，如图21所示，s-cds的形貌呈球状，分散良好，s-cds的粒径分布表明其平均粒径约为2.2nm，tem图像显示出约0.29nm的清晰晶格条纹间距(插图21b)，这归因于石墨烯衍射面对应的(002)石墨面[30,42]。此外，还对s-cds水溶液和固体的荧光进行了研究(图23)。图24显示了水溶液随磷光的猝灭效应。当紫外光灯熄灭时，固体s-cds具有磷光，s-cds及其溶液的荧光光谱如图23所示。
实施例7将s-cds用于信息加密
基于s-cds的磷光特性，可以被开发为在加密方面有前途的应用。如图20所示，加密的信息可在紫外灯下显示。
参考文献
[1]x.xu,r.ray,y.gu,h.j.ploehn,l.gearheart,k.raker,w.a.scrivens,journaloftheamericanchemicalsociety.2004,12640,12736-12737.
[2]h.li,z.kang,y.liu,s.-t.lee,journalofmaterialschemistry.2012,2246,24230-24253.
[3]k.m.chan,w.xu,h.kwon,a.m.kietrys,e.t.kool,journaloftheamericanchemicalsociety.2017,13937,13147-13155.
[4]m.shamsipur,a.barati,s.karami,carbon.2017,124.
[5]y.guo,y.chen,f.cao,l.wang,z.wang,y.leng,rscadvances.2017,776,48386-48393.
[6]y.huang,l.li,d.zhang,l.gan,p.zhao,y.zhang,q.zhang,m.hua,c.jia,magneticresonanceimaging.2020,68,113-120.
[7]y.fang,s.guo,d.li,c.zhu,w.ren,s.dong,e.wang,acsnano.2011,6,400-9.
[8]c.liu,r.wang,b.wang,z.deng,y.jin,y.kang,j.chen,microchimicaacta.2018,18512,539.
[9]j.he,y.he,y.chen,b.lei,j.zhuang,y.xiao,y.liang,m.zheng,h.zhang,y.liu,small.2017,1326,1700075.
[10]m.zhang,c.chi,p.yuan,y.su,m.shao,n.zhou,materialsscience&engineering.c,materialsforbiologicalapplications.2017,76,1146-1153.
[11]m.moniruzzaman,j.kim,sensorsandactuatorsb:chemical.2019,295,12-21.
[12]y.chen,h.lian,y.wei,x.he,y.chen,b.wang,q.zeng,j.lin,nanoscale.2018,1014,6734-6743.
[13]l.pan,s.sun,a.zhang,k.jiang,l.zhang,c.dong,q.huang,a.wu,h.lin,advancedmaterials.2015,2747,7782-7787.
[14]l.cao,m.j.meziani,s.sahu,y.-p.sun,accountsofchemicalresearch.2013,461,171-180.
[15]a.nurlaela,e.yuniarti,m.y.zaini,synthesisandanalysisofcarbondots(cds)fromnaturalsources.2019；pp48-52.
[16]h.zheng,q.wang,y.long,h.zhang,x.huang,r.zhu,chemicalcommunications.2011,4738,10650-10652.
[17]m.shamsipur,a.barati,a.a.taherpour,m.jamshidi,thejournalofphysicalchemistryletters.2018,915,4189-4198.
[18]s.liu,j.tian,l.wang,y.zhang,x.qin,y.luo,a.m.asiri,a.o.al-youbi,x.sun,advancedmaterials.2012,2415,2037-41.
[19]w.song,w.duan,y.liu,z.ye,y.chen,h.chen,s.qi,j.wu,d.liu,l.xiao,c.ren,x.chen,analchem.2017,8924,13626-13633.
[20]p.p.zhu,z.cheng,l.l.du,q.chen,k.j.tan,langmuir.2018,3434,9982-9989.
[21]h.ding,s.-b.yu,j.-s.wei,h.-m.xiong,acsnano.2016,101,484-491.
[22]z.tian,x.zhang,d.li,d.zhou,p.jing,d.shen,s.qu,r.zboril,a.rogach,advancedopticalmaterials.2017.
[23]z.zhang,j.t.yates,chemicalreviews.2012,11210,5520-5551.
[24]x.meng,q.chang,c.xue,j.yang,s.hu,chemicalcommunications.2017,5321,3074-3077.
[25]y.mu,n.wang,z.sun,j.wang,j.li,j.yu,chemicalscience.2016,76,3564-3568.
[26]x.li,y.liu,x.song,h.wang,h.gu,h.zeng,angewandtechemieinternationaledition.2015,546,1759-1764.
[27]r.b.restani,p.i.morgado,m.p.ribeiro,i.j.correia,a.aguiar-ricardo,v.d.b.bonifácio,angewandtechemieinternationaledition.2012,5121,5162-5165.
[28]x.dou,q.zhou,x.chen,y.tan,x.he,p.lu,k.sui,b.z.tang,y.zhang,w.z.yuan,biomacromolecules.2018,196,2014-2022.
[29]x.ma,j.wang,h.tian,accountsofchemicalresearch.2019,52.
[30]p.long,y.feng,c.cao,y.li,j.han,s.li,c.peng,z.li,w.feng,advancedfunctionalmaterials.2018,2837,1800791.
[31]c.wang,y.chen,t.hu,y.chang,g.ran,m.wang,q.song,nanoscale.2019,1124,11967-11974.
[32]z.-y.zhang,y.chen,y.liu,angewandtechemieinternationaledition.2019,5818,6028-6032；[33]j.y.li,y.liu,q.w.shu,j.m.liang,f.zhang,x.p.chen,x.y.deng,m.t.swihart,k.j.tan,langmuir.2017,334,1043-1050.
[34]j.wang,x.zhou,s.liu,g.li,l.shi,j.dong,w.li,x.deng,x.niu,journalofappliedmicrobiology.2015,1183,753-63.
[35]a.kb,a.varghese,s.yn,l.george,foodchemistry.2019,270,78-85.
[36]m.l.yola,v.k.gupta,t.eren,a.e.
[37]c.
[38]j.hu,c.-y.zhang,analyticalchemistry.2013,854,2000-2004.
[39]h.wang,j.shen,y.li,z.wei,g.cao,z.gai,k.hong,p.banerjee,s.zhou,biomaterialsscience.2014,26,915-923.
[40]j.zhang,s.tang,c.qiao,l.wang,h.wang,x.liu,b.li,y.li,w.yu,x.wang,b.yang,advancedfunctionalmaterials.2012,22.
[41]t.-q.song,k.yuan,w.-z.qiao,y.shi,j.dong,h.-l.gao,x.-p.yang,j.-z.cui,b.zhao,analyticalchemistry.2019,914,2595-2599.
[42]y.liu,y.ding,h.gou,x.huang,g.zhang,q.zhang,y.liu,z.meng,k.xi,x.jia,nanoscale.2018,1014,6660-6670.
1.一种三发射碳点，其特征在于：以α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源制备得到；
优选的，所述碳点在365nm激发波长下，浓度高于0.270～1.35mg/ml的碳点具有423nm附近、500nm附近和580nm附近的三个发射峰，浓度在0.0135～0.270mg/ml时的碳点具有580nm附近和423nm附近两个发射峰。
2.采用一锅法合成三发射碳点的方法，其特征在于：具体操作如下：以n，n-二甲基甲酰胺(dmf)和超纯水为溶剂，以α-吡啶偶氮-β-萘酚(pan)、三(2,2′-联吡啶)钌(ii)氯化钌(ru-bpy)为碳源；将溶剂、氢氧化钠溶液和碳源混合；将混合溶液在170～220℃反应5～9h。
3.如权利要求2所述采用一锅法合成三发射碳点的方法，其特征在于：h2o与dmf的体积比为3︰22～1︰24；pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.01～13.36mg；氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～200μl2mol/l的氢氧化钠溶液；
优选的，h2o与dmf的体积比为2︰23。
4.如权利要求2或3所述采用一锅法合成三发射碳点的方法，其特征在于：pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为8.9～10.01mg；
优选的，pan和ru-bpy的用量为：每2500μl溶剂中，pan用量为29.05mg，ru-bpy用量为10.01mg。
5.如权利要求2～4任一项所述采用一锅法合成三发射碳点的方法，其特征在于：氢氧化钠用量为：每2500μl溶剂中，加入50～100μl2mol/l的氢氧化钠溶液；
优选的，每2500μl溶剂中，加入100μl2mol/l的氢氧化钠溶液；
优选的，反应时间为7～9h；
最优选的，反应时间为7h；
优选的，合成温度为170～200℃；
最优选的，合成温度为200℃。
6.如权利要求2～5任一项所述采用一锅法合成三发射碳点的方法，其特征在于：还包括如下步骤：反应后溶液冷却、离心，上清液过滤、干燥即得到三发射碳点；
优选的，所述离心操作为以10000rpm的转速离心10min得到上清液，m-cds以4倍的水处理后，以10000rpm离心10min以除去不溶性杂质。
优选的，所述过滤为0.22μm微孔膜过滤；
优选的，所述干燥为真空干燥。
7.权利要求1所述三发射碳点，和/或权利要求2～6任一项所述的方法在检测桑色素或构建白光发光器件中的应用。
8.采用一锅法合成固体室温磷光材料的方法，其特征在于：包括权利要求2～6任一项所述的方法中的步骤，还包括如下操作：反应后溶液冷却、离心，沉淀洗涤、干燥即得到固体室温磷光材料；
优选的，所述洗涤采用dmf溶液超声处理；
优选的，所述的干燥为真空干燥。
9.权利要求8所述方法合成得到的固体室温磷光材料。
10.权利要求8所述固体室温磷光材料，和/或权利要求7所述方法在制备防伪材料中的应用。
技术总结