CN103803526B - 一种荧光纳米碳点 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种荧光纳米碳点，其以发光细菌为碳源，采用以下方法制备获得：将发光细菌离心收集，置于水与95%乙醇混合溶液中，混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中反应，冷却后倒出反应溶液，过滤，滤液用透析袋在超纯水中透析，期间每天换水，透析袋中的溶液用滤膜过滤，所得滤液即为荧光纳米碳点。本发明碳点的原料来源广泛，价格低廉，制备方法简单；碳点本身的水溶性较好，在水中不结块，不团聚，适于用于荧光成像。碳点本身也同量子点一样发射波长随激发波长的红移而红移。细菌作为广泛存在于生活中的物种，还是首次被应用于合成中，同时本方法还可以扩展到其他的细菌。本发明的荧光纳米碳点可应用于生物成像、生物标记、催化方面。

Description

一种荧光纳米碳点
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料的制备，具体为利用新型材料制备的荧光纳米碳点及应用。
背景技术
目前荧光纳米材料种类较多，如：半导体荧光量子点(文献1：EmpedoclesS,BawendiM,Acc.Chem.Res.1999,32,389)，高分子荧光纳米微球(文献2：LiuQH,LiuJ,GuoJC,J.Mater.Chem.,2009,19,2018)，二氧化硅荧光材料(文献3：SantraS,ZhangP,WangK,etal,Anal.Chem.2011,73,4988)。但是应用比较多的仍是半导体荧光量子点，其荧光峰可通过改变量子点粒径、组成成分等调控。但是，由于量子点含有重金属使得其具有较大的毒性，同时具有发光不稳定，易闪烁等缺点，限制了在生物成像及生物标记方面的应用。
2004年，Xu等在提纯单壁碳纳米管时无意中发现了一种纳米颗粒(文献4：XuXY,RayR,GuYL,etal,J.Am.Chem.Soc.2004,126,12736)，后来将此命名为碳点。这种纳米材料在一定范围内，其发射波长随着激发波长的红移而红移，同时具有上转换特性。与有机染料及量子点相比，毒性低，生物相容性好，荧光性能稳定，可反复经受多次激发光的照射。这些特点使其能应用于生物领域。
对于合成碳点的方法及原料来说，种类繁多。在制备方法上主要分为自下而上和自下而上法。
自上而下法主要包括：激光消融或者电化学氧化石墨(文献5：ZhaoQL,ZhangZL,HuangBH,etal,Chem.Commun.,2008,5116)，电化学处理单壁碳纳米管(文献6：ZhouJG,BookerC,LiRY,etal,J.Am.Chem.Soc.,2007,129,744)，化学氧化商业活性炭(文献7：QiaoZA,WangYF,GaoY,etal,Chem.Commun.,2010,46,8812)等等。
自下而上法主要包括：微波辅助消解糖类(文献8：ZhuH,WangXL,LiYL,etal,Chem.Commun.,2009,5118)，蜡烛灰(文献9：LiuHP,YeT,MaoCD,Angew.Chem.,Int.Ed.,2007,46,6473)，水热法处理糖类(文献10：YangYH,CuiJH,ZhengMT,etal,Chem.Commun.,2012,48,380)等等。
但是以上方法存在一些缺点，比如激光法高温高压制备纳米材料设备昂贵、条件难以控制，而且电化学方法中采用的电解液对是否产生荧光有很大影响，所制得的荧光纳米材料的荧光量子产率较低。同时从原料来看也存在一些不足，原料较为单一，基本为碳纳米管，石墨，活性炭等，另外像蜡烛不完全燃烧的烟灰难以富集。
碳点被认为是较好的代替有机荧光染料及量子点的荧光试剂，在生物成像，生物标记，催化方面有很大的潜力。所以利用生活中常见的物质，应用简单的方法制备碳点具备重要的价值。
发明内容
本发明提供一种荧光纳米碳点(CarbonDots,CDs)，其采用原料来源广泛、价格低廉、制备简单的方法制备获得，并应用于荧光成像。
为实现以上目的，本发明技术方案如下：
一种荧光纳米碳点，其以发光细菌为碳源，采用以下方法制备获得：将发光细菌离心收集，置于水与95%乙醇混合溶液中，混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中反应，冷却后倒出反应溶液，过滤，滤液用透析袋在超纯水中透析，期间每天换水，透析袋中的溶液用滤膜过滤，所得滤液即为荧光纳米碳点。
本发明的具有如下优点：
(1)原料来源广泛，价格低廉，制备方法简单。
(2)碳点本身的水溶性较好，在水中不结块，不团聚，适于用于荧光成像。
(3)碳点本身的发射波长随激发波长的红移而红移
(4)发光细菌作为广泛存在于海水中的物种，还是首次被应用于合成中，同时本方法还可以扩展到其他的细菌。
同时应用酵母菌也能制备出碳点。
附图说明
图1碳点的透射电子显微镜照片(插图为碳点的高分辨电子显微镜图)
图2碳点粒径分布柱状图
图3为碳点的紫外吸收光谱图
图4(a)碳点的荧光光谱图，(b)激发波长为300-460nm的发射波长(激发波长间距为20nm)
图5碳点的X-射线光电子能谱图
图6碳点在细胞中的荧光成像((a)：人肺腺癌(A549)细胞明场照片，(b)：碳点标记细胞荧光成像(激发光为紫外光)，(c)：明场和荧光像叠加照片)
表1三批碳点的荧光量子产率及平均量子产率
具体实施方式
以下对本发明做进一步说明：
一、碳点的制备：将培养瓶中的明亮发光杆菌(PhotobacteriumPhosphoreum)T3小种培养至最大密度后离心收集，置于水与95%的乙醇体积比为1:1的混合溶液中，倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中，140℃下反应12h，冷却后倒出反应后的溶液，过滤后的滤液用透析袋(Mw3500)在超纯水中透析72h，期间每天换三次水。透析袋中的溶液用0.22μm的滤膜过滤，所得滤液在4℃存放。
二、碳点的表征
(1)碳点形态和尺寸
图1为碳点的透射电子显微镜图，从图中可知制备出的碳点分散性较好，为球形，插图为高分辨透射电子显微镜图，可以清楚地看到碳点的晶格。
图2为碳点粒径分布的柱状图，从中可知碳点的平均粒径为3.04±0.61nm，而且粒径分布较窄(3-5nm)。
图3为碳点的紫外吸收光谱图，碳点在280nm左右有一个很明显的吸收峰，图4(a)为碳点的荧光光谱图，(b)为激发波长为300-460nm的发射波长(激发波长间距为20nm)，同其他碳点一样，在激发光为300-460nm的范围内，发射波长随激发光的红移而红移，而且随着激发光波长的红移，荧光强度先增加后降低，在335nm激发下荧光强度最大且发射波长为415nm。
采用本发明的方法制备的三批碳点的荧光量子产率和平均量子产率见于表1，平均量产率为7.2%。表1：
图5(a)为碳点的X-射线光电子能谱图，(b)为C1s的分峰图，碳点主要富含有氧和碳两种元素，将C1s进行进一步分峰，在285.0ev的峰为sp2碳，同时碳点表面含有C-O和C=O(286.3ev和287.4ev)。
图6为碳点在细胞中的荧光成像((a)：人肺腺癌(A549)细胞明场照片，(b)：碳点标记细胞荧光成像(激发光为紫外光)，(c)：明场和荧光像叠加照片)，人肺腺癌(A549)细胞，经25%的胰酶消化后形成单细胞悬液，以1×105的密度种入24孔板中，加入F-12培养基过夜，先后每孔加入360μL的培养基和40μL的碳点至24孔板中，在5%CO2中37℃孵育5h，置于荧光显微镜下观察。明场选择合适视野，以紫外激发波激发(标尺为25μm)。

Claims (8)

1.一种荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于，其以发光细菌为碳源，采用以下方法制备获得：将发光细菌离心收集，置于水与95%乙醇混合溶液中，混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的反应釜中反应，冷却后倒出反应溶液，过滤，滤液用透析袋在超纯水中透析，期间每天换水，透析袋中的溶液用滤膜过滤，所得滤液即为荧光纳米碳点。
2.根据权利要求1所述的荧光纳米碳点的制备方法，，其特征在于，所述碳点的平均粒径分布为3-5nm；碳点在280nm有一个很明显的吸收峰；碳点在激发光为300-460nm的范围内，发射波长随激发光的红移而红移，而且随着激发光波长的红移，荧光强度先增加后降低，在335nm激发下荧光强度最大且发射波长为415nm。
3.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于，所述水与乙醇的体积比为1:1。
4.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于，所述混合溶液在反应釜中的反应温度140℃，反应时间为12h。
5.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于，所述透析袋采用Mw3500。
6.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于，所述透析时间为72h。
7.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于过滤滤膜孔径为0.22μm。
8.根据权利要求1或2所述的荧光纳米碳点的制备方法，其特征在于期间每天换三次水。
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