CN104004516A - 一种荧光氨基碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种荧光氨基碳量子点及其制备方法和应用，制备步骤如下：(1)将氨水溶液与经提纯处理的木聚糖混合，搅拌使木聚糖分散于溶液中；(2)将混合物移至反应釜内，密封置于马弗炉中水热处理；(3)将产物冷却至室温后，进行超声分散处理；(4)处理后的产物进行冷冻离心分离，除去沉淀，收集上清液，得到荧光氨基碳量子点水溶液；(5)将产物水溶液通过旋蒸浓缩，最后真空干燥得到荧光氨基碳量子点。该氨基碳量子点具有强荧光性，高度稳定性，低细胞毒性和良好的生物相容性，在细胞成像、疾病诊断和药物传递等领域具有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种由木聚糖/氨水混合物通过一步方法制备具有强荧光性的氨基碳量子点的方法及其应用，属光学和高分子和生物质化工领域。
背景技术
碳量子点是一种新型的碳材料，在生物成像、药物传递、催化、传感、光电转换等领域有广阔的应用前景。近年来，碳量子点因其荧光性、化学惰性、水溶性以及低毒性，而成为发光材料研究的热点。它有效地克服传统半导体量子点中重金属的使用对环境的危害。但是目前制备碳量子点的方法大都需要苛刻的条件，冗长的过程，且需用胺基终端聚合物(如PEG1500N等)进行钝化，以提高量子产率。制备过程复杂，高能耗，原料昂贵，使用强酸和有机溶剂等缺点成为制约碳量子点推广到实际应用的重要因素。因此，寻求一种简单，廉价，绿色，适用于大规模生产的方法制备碳量子点成为困扰人们的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氨基碳量子点，采用木聚糖作为碳前驱物，氨水作为分散剂和钝化剂，利用水热条件下模拟生物矿化，对木聚糖分子进行碳化，并同时对其进行了有效的表面钝化，有效地克服了一般制备方法费时昂贵的缺陷，获得了具有纳米尺度和强蓝色荧光的氨基碳量子点；而且，通过细胞毒性和细胞成像实验，有效地检验了材料的低细胞毒性和良好的生物相容性。
本发明的另一目的在于提供一种制备氨基碳量子点的方法，该方法简单，廉价，绿色，且适用于大规模生产。
本发明还提供了上述碳量子点的应用，由于该碳量子点的水溶液具有低细胞毒性和强荧光性，可应用于体外细胞成像，并且有望在活生物体成像中得到应用。
本发明的目的通过以下技术方案得以实现：
一种荧光氨基碳量子点的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
(1)将氨水溶液与经提纯处理的木聚糖混合，搅拌使木聚糖分散于溶液中，直至无明显的块状沉淀为止；
(2)将混合物移至带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜内，密封置于马弗炉中水热处理；
(3)将产物冷却至室温后，进行超声分散处理；
(4)处理后的产物进行冷冻离心分离，除去沉淀，收集上清液，得到荧光氨基碳量子点水溶液；
(5)将产物水溶液进行旋蒸，蒸发大部分水分，真空干燥得到荧光氨基碳量子点。
优选地，所述步骤(1)中木聚糖分子量为2-5万。
优选地，所述步骤(1)中氨水溶液的浓度为0.1-25％(v/v)。
优选地，所述步骤(1)中木聚糖的浓度为0.04～0.06g/ml。
优选地，所述步骤(2)中水热处理的条件为：温度180-220℃，时间6-12h。
优选地，所述步骤(3)中超声分散的条件为：功率70-100W，时间0.5-1h，温度为室温。
优选地，所述步骤(4)中冷冻离心的条件为：温度0℃，转速12000-15000rpm，时间15-20min，重复2-3次。
优选地，所述步骤(5)中，所述真空干燥的条件为：温度60℃，时间48h。
上述荧光氨基碳量子主要应用于体外细胞成像。
本发明通过水热条件下氨水对碳量子点的钝化作用，有效提高了碳量子点的荧光性质，获得尺寸更小的氨基碳量子点。该碳量子点与未经钝化处理的“裸”碳量子点相比，表面带有大量的氨基和酰胺基团，荧光性质有明显的变化，量子效率有显著的提升。并且在细胞毒性和细胞成像实验中表现低细胞毒性和良好的生物相容性。该碳量子点在生物成像，疾病诊断和药物传递领域具有广阔的应用前景。
本发明与现有技术相比具有如下优点和有益效果：
(1)木聚糖作为碳前驱物，氨水同时作为分散剂和钝化剂，通过一步水热处理制备得到具有纳米尺度的氨基碳量子点，钝化处理能显著改变荧光性质，提高量子产率；
(2)细胞毒性和细胞成像实验证明了该氨基碳量子点具有低细胞毒性和良好的生物相容性，能有效地对目标细胞进行标记；
(3)整个制备工艺简单、廉价、绿色，适用于大规模生产；
(4)制备工艺为半纤维素高值化利用提供了新的途径。
附图说明
图1为实施例1中制备的碳量子点的高倍电镜照片。
图2为实施例1中制备的碳量子点的C1s谱图。
图3为实施例1中制备的碳量子点的N1s谱图。
图4为实施例1中制备的碳量子点的荧光光谱。
图5为实施例1中得到的细胞毒性实验数据。
图6为实施例1中得到的细胞成像照片，左图为暗场照片，右图为明亮场照片。
图7为实施例2中制备的无氨碳量子点的荧光光谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。实施例1～3所用的木聚糖分子量为2-5万，使用前经过提纯。
实施例1
称取1.000g提纯后的木聚糖，加入19ml2％氨水溶液(v/v)，磁力搅拌至完全分散，混合物呈土黄色不透明悬浊液。混合物移入25ml带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于马弗炉中，水热处理(200℃)12h。反应结束后，取出反应釜，在空气中冷却至室温。产物为深棕色液体和灰黑色沉淀，并有浓烈的氨的气味。将产物移至烧杯中，在超声清洗仪中超声分散，功率70W，时间1h，温度室温。然后对产物进行冷冻离心，转速15000rpm，温度0℃，时间15min，重复2次。得到深棕色的上清液和较多量粉末状沉淀，除去沉淀后，得到氨基碳量子点的水溶液。通过旋蒸蒸发大部分水分，真空干燥，温度60℃，时间48h，得到黑色氨基碳量子点固体。
选用硫酸奎宁作为参照物，通过紫外光谱和荧光光谱测定数据计算碳量子点的量子产率，结果如下：
氨基碳量子点：
激发波长λex＝320nm
发射峰波长λem＝400nm
量子产率QY＝10.17％。
对实施例1所得产物进行高倍电镜、XPS能谱、荧光光谱表征，发现加入氨水钝化后的碳量子点直径减少，表面存在大量的氨基和酰胺基团，这些官能团能够增强碳量子点表面限制的空穴-电子对产生的辐射重合，从而改变荧光性质，显著提高量子产率。测试结果参见图1、2、3、4。
细胞毒性实验：选取ATDC5细胞系(～5000cells/well)检测细胞毒性，在96孔板中，37℃，5％CO2环境下培养24h。配制不同浓度的碳量子点溶液，加入细胞培养基中，最终浓度为5～100μg/ml，分别培养6-48h后，用pH＝7.4PBS缓冲液冲洗，加入10μl CCK-8溶液，继续培养4h，在酶标仪中测量450nm处的吸光度，每个样品三个平行。结果如图5所示，细胞在高浓度中经过长时间的培养，细胞存活率仍在80％以上，说明氨基碳量子点无明显细胞毒性。
细胞成像实验：选取小鼠干细胞(1～1.5х104cells/well)进行细胞成像，在激光共聚焦专用培养皿中，37℃，5％CO2环境下培养24h后，换入450μl新鲜培养基和50μl氨基碳量子点水溶液，继续培养2h后，用pH＝7.4PBS缓冲液洗涤三次，在激光共聚焦显微镜下观察，放大倍数10倍。结果如图6所示，暗场照片中，细胞所在位置观察到明亮的蓝色荧光，说明氨基碳量子点能够轻易地渗透入细胞内部，并能在细胞内部表现出明显的荧光性。
实施例2
称取1.000g提纯后的木聚糖，加入19ml2％氢氧化钠水溶液(w/v)，磁力搅拌至完全分散，混合物呈橙黄色透明溶液。混合物移入25ml带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于马弗炉中，水热处理(200℃)12h。反应结束后，取出反应釜，在空气中冷却至室温。产物为深棕色液体和少量灰黑色沉淀。将产物移至烧杯中，在超声清洗仪中超声分散，功率70W，时间1h，温度室温。然后对产物进行冷冻离心，转速15000rpm，温度0℃，时间15min，重复2次。得到深棕色的上清液和少量粉末状沉淀，除去沉淀后，得到无氨碳量子点的水溶液。通过旋蒸蒸发大部分水分，真空干燥，温度60℃，时间48h，得到黑色无氨碳量子点固体。
对实施例2所得产物进行荧光光谱表征，测试结果参见图7。
无氨碳量子点：
激发波长λex＝320nm
发射峰波长λem＝415nm
量子产率QY＝2.22％。
实施例3
称取1.000g提纯后的木聚糖，加入19ml25％氨水溶液(v/v)，磁力搅拌至完全分散，混合物呈土黄色不透明悬浊液。混合物移入25ml带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于马弗炉中，水热处理(200℃)6h。反应结束后，取出反应釜，在空气中冷却至室温。产物为深棕色液体和灰黑色沉淀，并有浓烈的氨的气味。将产物移至烧杯中，在超声清洗仪中超声分散，功率70W，时间1h，温度室温。然后对产物进行冷冻离心，转速15000rpm，温度0℃，时间15min，重复3次。得到深棕色的上清液和较多量粉末状沉淀，除去沉淀后，得到氨基碳量子点的水溶液。
实施例4
称取1.000g提纯后的木聚糖，加入19ml0.1％氨水溶液(v/v)，磁力搅拌至完全分散，混合物呈淡黄色不透明悬浊液。混合物移入25ml带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜中，密封置于马弗炉中，水热处理(180℃)12h。反应结束后，取出反应釜，在空气中冷却至室温。产物为深棕色液体和少量灰黑色沉淀，并有较淡的氨的气味。将产物移至烧杯中，在超声清洗仪中超声分散，功率70W，时间30min，温度室温。然后对产物进行冷冻离心，转速12000rpm，温度0℃，时间15min，重复2次。得到深棕色的上清液和较多量粉末状沉淀，除去沉淀后，得到氨基碳量子点的水溶液。
通过水热碳化一步制得的氨基碳量子点相比于无氨的碳量子点，在相同浓度和相同波长的激发光激发下，氨基碳量子点的发射峰蓝移15nm，半峰宽度明显减少，并且量子产率提高了近5倍，表明加入氨水钝化后，碳量子点的荧光性质得到显著的增强。在常温下放置几个月后，水溶液中无明显沉淀，多次测量后，荧光性质也无明显变化，说明碳量子点具有高度的稳定性。细胞成像要求标记物有强荧光性和低细胞毒性，实验结果显示氨基碳量子点具有独特的强荧光性和低细胞毒性，可在细胞成像、疾病诊断和药物传递中得到应用，成为一种稳定、低副作用的细胞标记物。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种荧光氨基碳量子点的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：
(1)将氨水溶液与经提纯处理的木聚糖混合，搅拌使木聚糖分散于溶液中，直至无明显的块状沉淀为止；
(2)将混合物移至带有不锈钢外衬的聚四氟乙烯反应釜内，密封置于马弗炉中水热处理；
(3)将产物冷却至室温后，进行超声分散处理；
(4)处理后的产物进行冷冻离心分离，除去沉淀，收集上清液，得到荧光氨基碳量子点水溶液；
(5)将产物水溶液进行旋蒸浓缩，最后真空干燥得到荧光氨基碳量子点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中木聚糖分子量为2-5万。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中氨水溶液的浓度为0.1-25％v/v。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中木聚糖的浓度为0.04～0.06g/ml。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中水热处理的条件为：温度180-220℃，时间6-12h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中超声分散的条件为：功率70-100W，时间0.5-1h。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中冷冻离心的条件为：温度0℃，转速12000-15000rpm，时间15-20min，重复2-3次。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述真空干燥的条件为：温度60℃，时间48h。
9.一种荧光氨基碳量子，其特征在于，它是由权利要求1～8中任意一项所述方法制备得到的。
10.权利要求9所述荧光氨基碳量子的应用，其特征在于，该荧光氨基碳量子应用于体外细胞成像。
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