CN102690648B - 石墨烯荧光纳米材料、其制备及应用 - Google Patents

石墨烯荧光纳米材料、其制备及应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯荧光纳米材料，该材料通过由电化学方法得到纳米石墨烯，而后将纳米石墨烯与水合肼反应而制得。本发明制备的石墨烯荧光纳米材料由于具有较好的生物兼容性，能够标记细胞，特别是干细胞。该石墨烯荧光纳米材料不仅可以在生物领域用作生物标记、显像和示踪剂，并且在医药领域可用作药物载体以及用于疾病的检测、诊断和治疗。

Description

石墨烯荧光纳米材料、其制备及应用
技术领域
本发明涉及一种荧光纳米材料及其制备和应用，具体而言，是涉及一种石墨烯荧光纳米材料、其制备方法、以及在生物领域和医药领域的应用。
背景技术
碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料，随着纳米技术的发展，近20年来，碳纳米材料成为科技创新的前沿领域。由于该材料纳米尺寸上表现出的特殊性能，为细胞、亚细胞、单分子原子的行为和相互作用机理的研究提供了新的途径。然而，由于碳纳米材料的低水溶性和低活性等特点，限制了其在分析化学、材料科学及生物技术等多个研究领域的应用。作为碳材料的一种，石墨烯通常被描述为密集堆积在蜂窝状晶格中的sp2键碳原子的单原子厚度的平面片材。石墨烯中的碳碳键长度约为0.142nm。石墨烯是一些碳同素异形体（包括石墨、碳纳米管和富勒烯）的基本结构单元。对石墨烯的功能化及其在化学修饰电极、化学电源、催化剂和以及气体传感器等方面的应用研究较多。但是，普通石墨烯的低水溶性和很差的生物兼容性限制了其生物和医药方面的应用。
本发明人经过大量研究，发现通过将电化学方法得到的纳米石墨烯与水合肼反应，在石墨烯的边缘碳原子上连接一定数量的酰肼基团而制备出一种石墨烯荧光纳米材料。该材料具有稳定的荧光、高的水溶性、很好的生物相容性，能够成功标记细胞，特别是干细胞。从而不仅可以在生物领域用作生物标记、显像和示踪剂，并且在医药领域可用作药物载体以及用于疾病的检测、诊断和治疗。
发明内容
一方面，本发明提供了一种新的石墨烯荧光纳米材料。本发明的石墨烯荧光纳米材料是在纳米石墨烯的边缘碳原子上连上酰肼基团，从而其可以发出特殊的黄色荧光，降低了纳米颗粒的团聚，增强了发光稳定性，并且提高了生物兼容性和水溶性。
本发明的石墨烯荧光纳米材料尺寸优选为小于20nm，更优选2－18nm。
优选地，本发明的石墨烯荧光纳米材料的示例性通式如下，其中酰肼基团连接在石墨烯的边缘碳原子上，其数量和位置不受下式所限。
另一方面，本发明还提供了所述石墨烯荧光纳米材料的制备方法。
本发明的石墨烯荧光纳米材料的制备方法包括如下步骤：在电解质溶液中电解石墨得到纳米石墨烯，随后加入水合肼，优选在室温或低于室温下，搅拌，得到所述的石墨烯荧光纳米材料。
更具体而言，本发明的石墨烯荧光纳米材料的制备工艺包括如下步骤：
(1)在0.01-1mol/L的NaOH水溶液或pH>7的缓冲溶液（如PBS或硼酸缓冲液）中，以50-200mA的电流强度电解高纯石墨棒1.5-5小时，得到纳米石墨烯；
（2)加入水合肼，优选在室温或者低于室温下，搅拌，得到反应产物;
(3)纯化产物，然后将产物烘干得到石墨烯荧光纳米材料。
再一方面，由于本发明的石墨烯荧光纳米材料具有很好的生物兼容性和水溶性以及优良的荧光稳定性等特性，不仅可以在生物领域用作生物标记、显像和示踪剂，并且在医药领域可用作药物载体以及用于疾病的检测、诊断和治疗。
附图说明
当与以下附图结合考虑时，以下对本发明的实施方案的详细描述将更容易理解，其中：
图1为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的透射电镜图；
图2为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的核磁谱图；
图3为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的水溶液的荧光光谱图；
图5为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的细胞毒性测定分析图；
图6为根据本发明一个实施方案的石墨烯荧光纳米材料的活细胞显像图。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现在将参照附图中所示的实施方案对其描述，不意于限制本发明的范围。
实施例1：本发明的石墨烯荧光纳米材料的制备
以高纯石墨棒（中钢集团上海新型石墨材料有限公司，6×300mm）为工作电极，铂片为对电极，7ml0.1mol/L的NaOH水溶液为电解液，控制电流强度为120mA，室温下恒电流电解3小时，得黑色溶液。向溶液中加入1ml80%（重量百分比）的水合肼溶液，加入磁子磁力在室温下搅拌6小时。然后将产物离心分离，将上清液取出，倒入透析袋（北京华美传导科技有限公司，MD-25MW3500）。将透析袋浸入500ml蒸馏水中，36小时内更换5次蒸馏水。得到纯净的石墨烯与水合肼的反应产物的水溶液。40℃烘干得到黑色固体粉末，100ml所述透析得到的水溶液可得约1mg黑色固体粉末。
使用200kV操作的JEOLJEM2100透射电镜(TEM)上进行成像，用100MHz下的BrukerAvanceⅢ核磁共振波谱仪得到核磁波谱图，来表征所得产物，结果如图1和图2所示；使用CaryEclipse荧光分光光度计测量所得产物水溶液的荧光光谱，结果如图4所示。
由附图1所示的该材料的透射电镜图可知：本发明的石墨烯荧光纳米材料小于20nm。
由附图2所示的该材料的核磁谱图可知：本发明的石墨烯荧光纳米材料颗粒在166.5ppm处有峰，证明酰肼基团的存在。
由附图3所示的该材料的结构示意图可知：本发明的石墨烯荧光纳米材料是在石墨烯的边缘连有一定量的酰肼基团。
由附图4所示的该材料水溶液的荧光光谱图可知：本发明的石墨烯荧光纳米材料水溶液在340-410nm的激发波长激发下，最高发射波长均在550nm左右，激发发射波长范围宽，荧光光度强且发光稳定，不同于普通的碳纳米材料。
实施例2：本发明的石墨烯荧光纳米材料的制备
按照实施例1的步骤制备本发明的石墨烯荧光纳米材料，其中水合肼与石墨烯的反应是在0℃进行的。100ml所述透析得到的水溶液可得约1mg黑色固体粉末。所得产品的表征结果与实施例1制备的产品相同，可参考图1－4。
实施例3：本发明的石墨烯荧光纳米材料的制备
按照实施例1的步骤制备本发明的石墨烯荧光纳米材料，其中水合肼与石墨烯的反应是在60℃进行的。100ml所述透析得到的水溶液可得约0.4mg黑色固体粉末。所得产品的表征结果与实施例1制备的产品相同，可参考图1－4。
实施例4：本发明的石墨烯荧光纳米材料在生物及医药方面的应用
1．本发明的石墨烯荧光纳米材料的细胞毒性测试：
(1)以2000–4000个/孔的密度接种细胞于96孔培养板中，培养24h待贴壁。
(2)加入实施例1制备的石墨烯荧光纳米材料样品至0.01、0.1、1、10、50、100ug/mL。与细胞共孵育3天。
(3)以15uL/孔将MTT(四甲基偶氮唑盐)（5mg/mL）加入培养板中，4h后以100uL/孔加入裂解液(10%SDS+0.1%NH4Cl)，避光过夜。
(4)次日，使用1420VICTOR3TMV，酶标仪（PerkinElmer）在570nm处测吸光度值，以得到石墨烯荧光纳米材料对细胞毒性的测试结果。如图5所示。
由附图5可知：本发明的石墨烯荧光纳米材料在较高浓度下（50ug/mL）对肿瘤细胞如乳腺癌（MCF-7）和神经胶质瘤细胞（SY5Y）的生长有一定的抑制作用，特别适用于作为抗肿瘤药物的载体材料。
而对干细胞如神经干细胞（N）、胰腺干细胞（P）和心肌干细胞（C）等正常细胞，在高达100ug/mL的浓度下仍未表现出细胞毒性。这解决了目前常用生物显像剂应用时出现细胞毒副作用的问题。
2．显像具体操作步骤如下：
(1)将所试细胞按照1–5×105个/孔的密度接种于事先放有玻片的六孔板中，培养24h，待贴壁。
(2)于各孔中加入适量实施例1制备的石墨烯荧光纳米材料样品，至终浓度为25ug/mL,与细胞共孵育12-24h。
(3)在4℃用PBS(磷酸缓冲溶液)洗去培养基及细胞表面可能粘附的样品，共洗三次。
(4)用4%多聚甲醛固定细胞20min,之后用PBS洗三次。
(5)取出处理好的样本，于载玻片上封片，制得待测样本。使用488nm激发的üFV300荧光共聚焦显微镜进行细胞成像。结果如图6所示。
由附图6所示的该材料的激光共聚焦扫描图可知，本发明的石墨烯荧光纳米材料能够进入细胞（尤其是干细胞），并在胞质内显像，因此，本发明的石墨烯荧光纳米材料一大特点是可用于干细胞的示踪标记。
另外，由于本发明的石墨烯荧光纳米材料荧光光度强且发光稳定，并且该材料的激发发射波长范围宽，因此，可选择与其它细胞显像剂一同使用，共同探讨其胞质及核的不同性能。从而克服了目前细胞显像剂单一、不稳定和具有细胞毒性等缺点。
尽管在附图和之前描述中已经详细解释和描述了本发明，但其本身应当认为是示例性的而非限制性的。仅只是显示和描述了某些实施方案，而落入此处所述的本发明的精神之内的所有改变、等价方式和改进都意于被保护。此处提供的任何实验、实施例或实验结果都意于是本发明的举例，且不应当被认为对本发明的范围是限定的或限制性的。本发明只受所附的权利要求的保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种石墨烯荧光纳米材料，其通过纳米石墨烯与水合肼的反应而成，其中所述反应在室温或低于室温的温度进行，其中所述纳米石墨烯通过电化学方法得到，该电化学方法具体包括以下步骤：在电解质溶液中电解石墨得到纳米石墨烯，随后加入水合肼，搅拌，得到所述的石墨烯荧光纳米材料。
2.如权利要求1所述的石墨烯荧光纳米材料，其中该石墨烯荧光纳米材料的尺寸小于20nm。
3.如权利要求2所述的石墨烯荧光纳米材料，其中该石墨烯荧光纳米材料的尺寸为2－18nm。
4.制备如权利要求1-3任一项所述的石墨烯荧光纳米材料的方法，其通过将纳米石墨烯与水合肼反应而进行，其中所述反应在室温或低于室温的温度进行，其中所述纳米石墨烯通过电化学方法而得到。
5.如权利要求4所述的方法，其具体包括以下步骤：在电解质溶液中电解石墨得到纳米石墨烯，随后加入水合肼，搅拌，得到所述的石墨烯荧光纳米材料。
6.如权利要求5所述的方法，其具体包括以下步骤：在电解质溶液中电解石墨得到纳米石墨烯，随后加入水合肼，在室温或低于室温下，搅拌，得到所述的石墨烯荧光纳米材料。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述电解质溶液为浓度为0.01－1mol/L的NaOH溶液或者pH>7的缓冲溶液。
8.如权利要求1-3任一项所述的石墨烯荧光纳米材料作为生物显像剂和示踪剂以及在医药领域的应用。
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