CN103756675A

CN103756675A - 一种掺氮碳量子点及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN103756675A
Application number: CN201410023002.2A
Authority: CN
Inventors: 高彦峰; 刘晶; 刘新玲; 张毅奕; 任海迎
Original assignee: XI'AN YABO BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: XI'AN YABO BIOTECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明公开了一种掺氮碳量子点及其制备方法和应用，属于材料科学技术领域，制备方法是将有机酸和有机胺混合后，直接进行水热反应，制得掺氮的碳量子点水分散液，将该掺氮的碳量子点水分散液经萃取、干燥，得到掺氮碳量子点固体。该掺氮碳量子点的尺寸≤10nm，含氮量≤50%，量子点表面含有氨基、羧基和羟基；量子效率为39.8%～50%。本发明方法操作简单，环境友好，对设备要求低，制得的掺氮碳量子点具有优异的发光性能，能够广泛应用于光电材料、生物成像、荧光探针等领域。

Description

一种掺氮碳量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，涉及一种碳量子点及其制备和应用，具体涉及一种掺氮碳量子点及其制备方法和应用。

背景技术

量子点材料是一种准零维的纳米材料，通常是指半径小于激子玻尔半径的半导体纳米晶体，具有显著的量子限域效应。传统的量子点指半导体量子点，由稀土元素II-VI和III-V族元素组成(如CdS、PbS、CdSe、InAs、InP等)。此类量子点毒性大、制备成本高且环境污染严重，限制了其广泛应用。2004年美国拉罗莱纳州大学Walter A.Scrivens教授在制备单壁碳纳米管时意外发现了一种碳纳米颗粒荧光材料，即它在光照或者特定波长光波激发下可以发出明亮的光。2006年Sun等人用激光刻蚀法在实验室成功制备出碳纳米颗粒，并正式命名为“碳量子点”(Carbon quantum dots，简称CQDs)，逐渐成为光致发光领域的研究热点。

碳量子点作为碳材料家族(碳纳米管，金刚石，石墨烯等)中的“最小成员”，具有以下特点：其粒径一般小于10nm、同时具备下转化和上转化发光性能、光稳定性极好、无光漂白和光闪烁、易于表面功能化、生物相容性好等优异特性，有望成为传统半导体量子点的替代物。目前制备碳量子点的方法很多，如激光刻蚀法、电化学电、电弧放电法、微波法等，但这些方法无论是从原料上还是制备流程上都很复杂，操作麻烦，原料及设备昂贵，工艺繁琐，产率低，且量子产率极低（<10%），往往需进一步的后处理才能得到荧光产额高发光性能好的碳量子点，这也极大的限制了碳量子点的大规模制备和广泛应用。因此，如何选用廉价易得的原材料，通过一步反应制备出高量子产率和优异光致发光特性的碳量子点，已成为这个领域的重大挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种掺氮碳量子点及其制备方法和应用，该方法操作简单，环境友好，对设备要求低，制得的掺氮碳量子点具有优异的发光性能，能够广泛应用于光电材料、生物成像、荧光探针等领域。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种掺氮量子点的制备方法，是将有机酸和有机胺混合后，在100～300℃下进行水热反应，制得掺氮的碳量子点水分散液，将该掺氮的碳量子点水分散液经萃取、真空干燥，得到掺氮碳量子点固体；

其中，有机酸中的羧基与有机胺中的氨基或亚氨基的摩尔比为1:1000～1000：1。

所述的水热反应时间为0.1～100h。

所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乳酸、苹果酸、乙醇酸、丁酸或咖啡酸。

所述有机酸的浓度为0.0001～10mol/L。

所述的有机胺是聚乙烯亚胺、二乙醇胺或1,8-二氨基萘。

所述的萃取是采用丙酮或无水乙醇对掺氮的碳量子点水分散液进行萃取。

所述的真空干燥是在100～250℃下，干燥3～10h。

一种掺氮碳量子点，该掺氮碳量子点的尺寸小于等于10nm，含氮量小于等于50%，量子点表面含有氨基、羧基和羟基；量子效率为39.8%～50%。

掺氮碳量子点在制备荧光探针中的应用。

掺氮碳量子点作为荧光探针在生物细胞成像中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明将有机酸类和有机胺类反应底物在同一体系内实现聚合、碳化和表面修饰，有机酸类和有机胺类底物能够同时作为碳源和表面修饰剂，只需经一步水热反应（无需后处理）即可制得具有高量子产率的碳量子点，反应机理为：在水热条件下，有机胺类的含氮基团(氨基或亚氨基，-NH₂或-NH-)与有机酸类的羧基（-COOH）通过生产酰胺键（-N-C=O）缩水聚合成核，进而碳化，从而生成直径小于10nm的掺氮碳纳米颗粒，即掺氮碳量子点。通过改变有机酸和有机氨底物的比例和种类，碳量子点掺氮量及其表面化学基团种类和数量可方便的进行调节。

本发明以常用的有机酸类和有机胺类化合物取代了传统量子点制备所需的昂贵的反应底物，原料来源广泛价格低廉；采用一步水热法取代传统的合成方法，反应操作简便易行，且产率高，适于工业化大规模放大生产。

经过本发明的一步水热反应方法制得的掺氮碳量子点在水中具有良好的溶解度和单分散性，因而能够作为单分散水溶液直接使用，也可以通过冷冻干燥、真空干燥等方法将其制成粉末或块状固体使用，且该掺氮碳量子点具有优异的发光特性（荧光量子产率大于39.8%），因而可广泛的应用于复合材料制备、光电器件、激光材料、生物细胞成像、荧光探针以及生物传感器等。

附图说明

图1为本发明实施例1制得的掺氮碳量子点材料的透射电镜照片；

图2为本发明实施例2制得的掺氮碳量子点材料的透射电镜照片；

图3为本发明实施例3制得的掺氮碳量子点材料的透射电镜照片；

图4为本发明实施例1制得的掺氮碳量子点水溶液在紫外灯下的荧光照片；

图5为本发明实施例1制得的掺氮碳量子点水溶液的荧光光谱图；

图6为本发明实施例1制得的掺氮碳量子点的C1s的XPS光谱图；

图7为本发明实施例1制得的掺氮碳量子点的N1s的XPS光谱图；

图8为不同浓度掺氮碳量子点处理24小时候后脑毛细血管内皮细胞活性柱状图；

图9为掺氮碳量子点标记脑的毛细血管内皮细胞激光共聚焦荧光成像；其中，a为相差照片，b为激光共聚焦照片，c为相差与激光共聚焦叠加图。

具体实施方式

下面结合具体的附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

室温下，配制浓度为2.0mol/L的柠檬酸溶液20mL，加入5mg的线性聚乙烯亚胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩尔比为1:1000，充分混匀，得混合液；将混合液转入水热反应釜中，在100℃下处理100小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用丙酮萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在120℃下真空干燥8h后，得到掺氮碳量子点。

参见图1，为该条件下合成的掺氮碳量子点的透射电镜照片。积分球测试表明，所得碳量子点的绝对量子产率为47%。此外，还测定了相应碳量子点的C1s和N1s的分峰图(参见图6和图7)。结果表明，掺氮碳量子点表面含有氨基-C-NH₂(399.7eV)(见图7中N1s分峰结果)、羧基-COOH(287.8eV)和羟基-C-OH(286.02eV)(见图6中C1s分峰)。此外，量子点表面还有-C-C(285.8eV)，-C=C(284.92eV)，-N-C=O(288.47eV)以及-N=O-(400.38eV)等化学基团或化学键。

参见图4，为该条件下合成的掺氮碳量子点水溶液在紫外灯下的荧光照片，可以看出，该掺氮碳量子点水溶液具有优异的发光性能，具备应用于生物医学研究与检测的性能。

参见图5，为该条件下合成的掺氮碳量子点水溶液的荧光光谱图，从图中可以看出本实施例所制备的碳量子点在激发波长范围为320nm～460nm内都可发射荧光。此外，荧光的波长、峰值及强度均随激发波长变化而变化，这是碳量子点有别于半导体量子点的典型特征。本实施例所制备碳量子点在365nm激发波长下显示最强荧光发射，发射峰位于445nm。

实施例2

室温下，配制浓度为5.0mol/L的酒石酸溶液24mL，加入20mg线性聚乙烯亚胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩尔比为1:500，充分混匀，得混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在200℃处理10小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用酒精萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在150℃下真空干燥6h后，得到掺氮碳量子点。

图2为该条件下合成的掺氮碳量子点的透射电镜照片，积分球测试表明，所得碳量子点的绝对量子产率为42.7%。

实施例3

室温下，配制浓度为0.2mmol/L的乳酸溶液30mL，加入250mg线性聚乙烯亚胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩尔比为1000:1，充分混匀，得到混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在300℃处理0.1小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用酒精萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在100℃下真空干燥10h后，得到掺氮碳量子点。

图3为该条件下合成的碳量子点的透射电镜照片。积分球测试表明，所得掺氮碳量子点绝对量子产率为39.8%。

实施例4

室温下，配制浓度为0.115mmol/L的苹果酸溶液25mL，加入125mg聚乙烯亚胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩尔比为500:1，充分混匀，得混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在100℃处理50小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用丙酮萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在180℃下真空干燥5h后，得到掺氮碳量子点。积分球测试表明，此条件制备的碳量子点绝对量子产率为40.6%。

实施例5

室温下，配制浓度为2.3mmol/L的乙醇酸溶液25mL，加入250mg聚乙烯亚胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩尔比为100:1，充分混匀，得混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在180℃下处理80小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用酒精萃取后、离心除去上层溶剂废液后，真空干燥后得到掺氮碳量子点。积分球测试表明，所得掺氮碳量子点绝对量子产率为43.9%。

实施例6

室温下，配制浓度为10mol/L的丁酸溶液40mL，加入100mg二乙醇胺，使仲胺:羧基的摩尔比为1:400，充分混匀，得混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在200℃下处理10小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用丙酮萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在200℃下真空干燥4h后，得到掺氮碳量子点。积分球测试表明，所得掺氮碳量子点绝对量子产率为40.2%。

实施例7

微搅拌加热条件下配制浓度为3mmol/L的咖啡酸溶液21mL，加入500mg的1,8-二氨基萘，使伯胺:羧基的摩尔比为100:1，充分混匀，得混合液；将此混合液转入水热反应釜中，在280℃下处理40小时，得到掺氮碳量子点的分散液；将掺氮碳量子点的分散液用酒精萃取后、离心除去上层溶剂废液后，在250℃下真空干燥3h后，得到掺氮碳量子点。积分球测试表明，所得掺氮碳量子点绝对量子产率为46.9%。

本发明制得的掺氮碳量子点的尺寸小于等于10nm，含氮量小于等于50%，量子点表面含有氨基、羧基和羟基；量子效率为39.8%～50%。

对制得的掺氮碳量子点作为荧光探针在生物医学研究中的应用：

1、为探索本发明所描述的掺氮碳量子点作为荧光探针在生物医学研究中的应用，我们测定了所制碳量子点的细胞毒性：

具体试验方法为：脑毛细血管内皮细胞(BCECs)在37℃，5%CO₂气氛下以RPMI-1640培养基培养，培养基中含15%胎牛血清和1%青霉素/链霉素。细胞在96孔板(105-106细胞/孔)中培养24小时后，以含有不同浓度碳量子点的RPMI-1640培养基继续培养24小时（碳量子点浓度分别为18.75，37.5，75，150，300，600ug/mL），然后用MTT法测定细胞活性。

参见图8，结果表明，与未经掺氮碳量子点处理的细胞相比，各种浓度掺氮碳量子点处理后的细胞其活性无显著变化，表明所用掺氮碳量子点没有或仅有极轻微细胞毒性。

2、本发明所制碳量子点作为荧光探针在细胞生物学中的应用：

实验流程为：将实施例1所制备的掺氮碳量子点（1mg/mL）与BCECs细胞孵育24小时，以PBS溶液冲洗3次，然后以激光共聚焦显微镜观察。所用显微镜型号为Olympus FV1000，激发波长为360nm，收集410～470nm荧光发射。

参见图9，结果表明，实施例1中制备的掺氮碳量子点可被细胞内吞到细胞中，并呈现明亮的蓝色荧光。此外，内吞的掺氮碳量子点仅分布于细胞质中，细胞核内无荧光发射。结果证明，所用碳量子点可作为荧光探针用于生物医学研究领域，在生物细胞成像领域具有很大的作用，有可能作为载体向细胞质内输运药物分子或其他生物大分子。

综上所述，与现存的其他掺氮碳量子点制备方法相比，本发明所述方法原料来源广泛且价格低廉，对环境友好，操作简便，无需后处理，使大规模制备和广泛应用成为可能。此外，该法所制掺氮碳量子点表面氨基、羧基和羟基等功能基团的存在使得对碳量子点表面的进一步修饰可方便地进行，如生物分子的共价耦联等，从而拓展该法制备的碳量子点更多的用途，如作为荧光探针用于生物医学相关研究和检测等。

需要说明的是，本发明实施例中采用的有机酸包括：柠檬酸、酒石酸、乳酸、苹果酸、乙醇酸、丁酸和咖啡酸。根据上述反应机理，其他类似的有机酸具有同样的实施效果，如磺酸、丙二酸、一卤乙酸、甲酸、醇酸、烯酸、一元羧酸、多元羧酸、饱和脂肪酸、芳香族有机酸。所述多元羧酸包括草酸、枸橼酸、抗坏血酸等；所述饱和脂肪酸包括乙酸(醋酸)、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸(C12)、肉豆蔻酸(C14)、棕榈酸(软脂酸)(C16)、珠光脂酸(C17)、硬脂酸(C18)、花生酸(C20)、山嵛酸(C22)、木蜡酸(木焦油酸)(C24)、蜡酸(C26)、蜂花酸(C30)或虫漆蜡酸(C32)中的一种；所述芳香族有机酸包括苯甲酸、水杨酸或咖啡酸。

本发明实施例中所用有机胺包括聚乙烯亚胺、二乙醇胺和1,8-二氨基萘三种。根据上述反应机理，类似的有机胺类物质具有同样的实施效果，包括脂肪胺、醇胺、酰胺、脂环胺、芳香胺、萘系胺、聚乙烯亚胺或羟胺中的一种，如乙二胺、三辛胺、十八胺、一异丙醇胺、萘二胺、乙撑双硬脂酰胺。

Claims

1.一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，将有机酸和有机胺混合后，在100～300℃下进行水热反应，制得掺氮的碳量子点水分散液，将该掺氮的碳量子点水分散液经萃取、真空干燥，得到掺氮碳量子点固体；

2.根据权利要求1所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的水热反应时间为0.1～100h。

3.根据权利要求1所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的有机酸为柠檬酸、酒石酸、乳酸、苹果酸、乙醇酸、丁酸或咖啡酸。

4.根据权利要求1或3所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述有机酸的浓度为0.0001～10mol/L。

5.根据权利要求1所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的有机胺是聚乙烯亚胺、二乙醇胺或1,8-二氨基萘。

6.根据权利要求1所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的萃取是采用丙酮或无水乙醇对掺氮的碳量子点水分散液进行萃取。

7.根据权利要求1所述的一种掺氮碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的真空干燥是在100～250℃下，干燥3～10h。

8.一种采用权利要求1～7中任意一项所述的制备方法制得的掺氮碳量子点，其特征在于，该掺氮碳量子点的尺寸小于等于10nm，含氮量小于等于50%，量子点表面含有氨基、羧基和羟基；量子效率为39.8%～50%。

9.一种如权利要求8所述的掺氮碳量子点在制备荧光探针中的应用。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，掺氮碳量子点作为荧光探针在生物细胞成像中的应用。