CN103693633A

CN103693633A - 一种绿色合成荧光手性碳点的方法

Info

Publication number: CN103693633A
Application number: CN201310646342.6A
Authority: CN
Inventors: 沈广霞; 王青; 刘慧旸; 崔大祥
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-04
Also published as: CN103693633B

Abstract

本发明提供了一种绿色合成荧光手性碳点的方法，包括以下步骤：第一步，将碳前驱体和氨基酸超声分散于去离子水中，制成透明的水溶液或乳液；所述碳前驱体和氨基酸的质量比为200:1～5:1；第二步，将第一步中得到的混合溶液置于微波加热装置中进行微波加热反应，得到黄色或棕黄色液体。第三步，将第二步中反应得到的碳量子点溶液用截留分子量为1,000～50000的透析袋透析，去除未反应的碳前驱体和氨基酸，无需进一步纯化，就得到颗粒尺度分布较窄的荧光碳点。本发明采用微波合成法，一步就可以得到荧光量子产率较高的手性荧光碳点，合成方法简单，需要的设备简单，重现性好，适合大批量制备手性荧光碳点。

Description

一种绿色合成荧光手性碳点的方法

技术领域

本发明涉及纳米材料科学和生物医学工程领域，具体地，涉及一种绿色合成荧光手性碳点的方法，即利用氨基酸及其衍生物辅助合成荧光碳点的制备方法。

背景技术

碳的纳米材料从纳米碳管到石墨烯，因其独特的物理、化学和光学性质，一直是人们竞相研究的热点。碳点，作为一种新型纳米碳材料，逐渐受到你们的关注。碳点，广泛意义上的定义为：直径一般在2～10nm，经表面钝化后会发射不同的荧光，发射波长可“调谐”，可以实现一元激发多元发射，可以吸收从可见光一直衍生到近红外光，发射波长跨度很大，斯托克位移较宽，无荧光漂白和闪烁的等优点，具有良好的生物安全性，是传统半导体量子点的理想替代材料。近年来，人们对于常规的隔系列的荧光量子点生物应用中暴露的生物安全性隐患得到共识后，也把对碳点研究推向一个新的高潮。

自2004年Xu研究小组等纯化单壁碳纳米管过程中发现了发荧光的小颗粒，进一步证实了这种小颗粒是碳材料，首次证实了荧光碳点的存在，此工作发表在J Am.Chem.Soc,《美国化学期刊》（2004,126:12736），题目为：Electrophoretic analysis and purificationof fluorescent single-walled carbon nanotube fragments（电泳分析纯化荧光单壁碳纳米管片段）。Sun P研究小组在碳点的制备、性质以及生物诊断等应用方面，开展了大量的研究工作，其发表了在《Nanoscale》（纳米尺度）（2011,3,2023）题为：Toward quantitativelyfluorescent carbon-based“quantum”dots（碳基荧光量子点的时代即将到来），阐述了碳点的性质以及在生物医学应用方面的前景。研究也证实了碳点具有很好的生物安全性能，是重金属量子点理想的替代品。近期，Chen研究报道了题为：Effect of InjectionRoutes on the Biodistribution,Clearance,and Tumor Uptake of Carbon Dots(不同的注射途径对于碳点在生物体内的分布、清除和肿瘤部位富集的影响)，他们把表面改性的碳点以静脉、肌肉和皮下注射三种不同的方式注入活体小白鼠体内，采用近红外荧光光谱和正电子放射断层造影术研究碳点在动物体内的代谢过程，实验证实了碳点在体内的清除速率:静脉注射>肌肉注射>皮下注射，不同注射手段也影响碳点在血液循环和在肿瘤部位集聚的效率，此部分工作发表在2013年《ACS Nano》（美国化学会纳米）（2013,7,5684），进一步证实了碳点的生物安全性能。

材料的结构决定了其性质，对于纳米材料也仅仅如此，表面的官能团对纳米材料性质的影响也很大。碳点的制备的方法不同，其荧光性质和表面结构也不同。碳管制备方法很多，有激光灼烧法、化学合成法、电化学合成法、高温氧化法、超声法、水热合成法和微波合成法，无论是哪种合成方法，碳点表面功能化是影响其荧光性能的重要因素。对其表面有机或无机修饰，碳点的量子产率也相差很大，裸的碳点量子产率一般低于0.1%，经过表面氨基化的聚乙二醇改性后，荧光量子产率提高到1%～10%左右，荧光量子产率低是制约碳点在生物医学中的应用的主要因素。另外，在合成荧光碳点的技术缺陷是分离困难，无论是原位合成还是先合成碳点再进一步钝化，制备的量子点颗粒直径分布比较宽，荧光发光测试基本上均在混合体系的发光效果。John C.Vinci研究小组曾采用高效液相分离的方法，对碳点进行分级提纯，发现经进一步分离提纯后的碳点，它的荧光量子产率要远高于分离前的碳点的量子产率，紫外吸收也有分离前截然不同，分离后的碳点的紫外吸收明显的紫外的吸收峰，他们把此工作整理题目为：HiddenProperties of Carbon Dots Revealed After HPLC Fractionation（高效液相分离法揭示隐藏碳点的性质），发表在J.Phys.Chem.Lett.（物理化学快报，美国化学会）的2013年第4期（239卷）第243页上。这也说明的碳点之所以量子产率低的另一个重要的原因。

众所周知，氨基酸是极易获得的生物小分子，在动植物组织中可以分离得到26～30种不同的氨基酸，其中只有20种氨基酸是合成蛋白质的原料。这20种氨基酸，除甘氨酸外，其它氨基酸的α-碳原子均为不对称碳原子，均有立体异构、有旋光性。从蛋白质酶促水解得到的α-氨基酸，都属于L-型，但在生物体中(如细菌)也含有D-型氨基酸。利用蛋白质或氨基酸的旋光性不同，是分离提纯蛋白质的重要手段之一。今年来，利用氨基酸的旋光性不同（即手性不同）合成了不同旋光性的纳米材料，如手性纳米金颗粒或金团簇，在纳米材料的分离提纯、选择性催化和手性光电子器件等方面有着广泛的应用前景。

但是现有技术的缺点：合成步骤繁琐，量子产率低；尺寸分布宽，纯化困难；为提高量子产率或生物应用，需进一步功能化处理。

发明内容

针对目前合成的荧光碳点其量子产率点，制备方案过于复杂、分离提纯难等缺陷，本发明提出了一绿色无污染，一步合成手性荧光碳纳米点的新方法，本方法中，选择了20种常见氨基酸,包括不同旋光性氨基酸作为活化和功能修饰分子，采用微波合成法，一步就可以得到荧光量子产率较高的手性荧光碳点。选择不同性质的氨基酸可以有效地调节碳点表面的电荷、官能团和组成。合成方法简单，需要的设备简单，重现性好，适合大批量制备手性荧光碳点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述一种绿色合成荧光手性碳点的方法，包括以下步骤：

第一步，将碳前驱体和氨基酸超声分散于去离子水中，制成透明的水溶液或乳液。

所述的碳前驱体是指柠檬酸、柠檬酸盐和葡糖糖、果糖或低分子量的直链淀粉等多糖小分子中一种。

所述的氨基酸是指生物体所需的20种氨基酸及其衍生物。

所述的超声处理是指：利用工作频率为40～200kHz、超声功率100～800W、超声时间为1～20min的超声作用。

所述碳前驱体和氨基酸的质量比为200:1～5:1。

第二步，将第一步中得到的混合溶液置于微波加热装置中进行微波加热反应，得到黄色或棕黄色液体即为生物活性酶修饰的碳量子点。

所述的微波加热装置是指：普通家用中型机械微波炉（WP700）。

所述的微波加热反应，其功率为200W～1000W。

所述的微波加热反应，其时间为1min～20min。

第三步，将第二步中反应得到的碳量子点溶液用截留分子量为1,000～50000的透析袋透析，去除未反应的碳前驱体和氨基酸，无需进一步纯化，就可以得到颗粒尺度分布较窄的荧光碳点。

所述透析的时间为12h～72h。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明针对目前制备具有较高荧光量子产率碳点的过程繁琐复杂、产率低等缺陷，提供了一种合成高量子产率，颗粒直径可控，分离提纯简单的绿色合成技术。本发明选择生物体所需的氨基酸为辅助试剂，以低分子量的有机酸、盐或多糖为碳的前驱体，采用微波合成法，制备出了荧光量子产率高达1-25%的碳量子点。

本发明可操作性强，设备简单，成本低；分离提纯简单，重复性好，在一般实验室均能完成，易于规模化和推广；碳量子点表面性质可控，荧光量子产率高，不同的旋光性氨基酸的生物效应不同，对于研究纳米材料与生物效应方面，提供材料和技术上的保证，无论基础研究或临床应用，均具有重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为色氨酸为辅助剂，葡萄糖为前驱体合成的碳点（C-dots）的扫描电镜图SE，其中a为低分辨图片和b高分辨图片。

图2色氨酸为辅助剂，葡糖糖为前驱体合成的碳点（C-dots）荧光光谱a和紫外吸收光谱b。

图3以葡萄糖为前驱体，不同氨基酸为辅助剂，合成的碳点（C-dots）荧光光学照片。

图中各缩写分别为：Thr-苏氨酸；Gly-甘氨酸；Asn-天冬酰胺；Asp-天冬氨酸；Trp-色氨酸；Pro-脯氨酸；Ser-丝氨酸；Hyr-络氨酸；Cdots-裸碳点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1，以柠檬酸为前驱体，左旋色氨酸（L-Trp）为辅助试剂，制备荧光的碳点。

步骤一：在室温下，称取1g柠檬酸，10mg左旋色氨酸，取5mL H₂O加入25mL玻璃反应瓶中，在工作频率为40kHz，超声功率200W的超声处理1min，得到透明的水溶液。

步骤二：将步骤一得到的混合溶液置于微波炉中在800W功率下进行微波加热4min，反应后得到棕黄色液体。

步骤三：将步骤二中所得产物使用截留分子量为1000的透析袋透析36h，透析过程中要不间断的更换超纯水，除去未反应的柠檬酸和色氨酸即可得到表面氨基酸化的荧光的碳量子点，其荧光量子产率为19.27%。

实施例2，以葡糖糖为前驱体，右旋色氨酸（D-Trp）为生物合成模板，制备荧光碳点。

步骤一：在室温下，称取1g葡萄糖，5mg右旋色氨酸，取5mL H₂O加入25mL玻璃反应瓶中，在工作频率为40kHz，超声功率200W的超声处理1min，得到均匀的水溶液。

步骤三：将步骤二中所得产物使用截留分子量为1000的透析袋透析36h，透析过程中要不间断的更换超纯水，除去未反应的葡萄糖和色氨酸，得到表面色氨酸修饰的荧光碳点，其荧光量子产率为9.57%。

实施例3，以葡萄糖为前驱体，L-半胱氨酸和D-半胱氨酸为辅助合成试剂，制备手性荧光碳点。

步骤一：在室温下，分别称取1g葡萄糖，5mg L‐半胱氨酸和R‐半胱氨酸，分别放入预先成有5mL H₂O的25mL玻璃反应瓶中，同样选择在工作频率为40kHz，超声功率200W的超声处理1min，得到均匀的水溶液。

步骤二：将步骤一得到的混合溶液分别置于微波炉中在800W功率下进行微波加热4min，反应后得到棕黄色液体。

步骤三：将步骤二中所得产物分别放入截留分子量为1000的透析袋中各自透析36h，透析过程中要不间断的更换超纯水，除去未反应的葡萄糖和半胱氨酸，得到不同手性的荧光碳点，其荧光量子产率分别为2.83%和8.01%。

如图1所示，为色氨酸为辅助剂，葡萄糖为前驱体合成的碳点（C-dots）的扫描电镜图SE，其中a为低分辨图片和b高分辨图片。

如图2所示，为色氨酸为辅助剂，葡糖糖为前驱体合成的碳点（C-dots）荧光光谱a和紫外吸收光谱b。

如图3所示，为以葡萄糖为前驱体，不同氨基酸为辅助剂，合成的碳点（C-dots）荧光光学照片。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，将碳前驱体和氨基酸超声分散于去离子水中，制成透明的水溶液或乳液；所述碳前驱体和氨基酸的质量比为200:1～5:1；

第二步，将第一步中得到的混合溶液置于微波加热装置中进行微波加热反应，得到黄色或棕黄色液体；

第三步，将第二步中反应得到的碳量子点溶液用截留分子量为1,000～50000的透析袋透析，去除未反应的碳前驱体和氨基酸，无需进一步纯化，就得到颗粒尺度分布较窄的荧光碳点。

2.根据权利要求1所述的绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于所述的碳前驱体是指柠檬酸、柠檬酸盐、葡糖糖、果糖或低分子量(1～10⁵)的直链淀粉中一种。

3.根据权利要求2所述的绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于所述氨基酸是指生物体所需的20种氨基酸以及氨基酸的衍生物。

4.根据权利要求1-3任一项所述的绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于所述的超声处理是指：利用工作频率为40～200kHz、超声功率100～800W、超声时间为1～20min的超声作用。

5.根据权利要求1-3任一项所述的绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于所述的微波加热反应，其功率为200W～1000W。

6.根据权利要求5所述的绿色合成荧光手性碳点的方法，其特征在于所述的微波加热反应，其时间为1min～20min。

7.根据权利要求1-3任一项所述的利用氨基酸辅助合成碳量子点的制备方法，其特征是，所述透析的时间是指：2min～20min。