CN104312588A - 一种硒掺杂碳量子点的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硒掺杂碳量子点的制备方法，包括：(1)制备氧化碳量子点粉体；(2)将上述氧化碳量子点粉体分散于溶剂中，得到氧化碳量子点溶液；(3)在氧化碳量子点溶液中加入含硒掺杂剂，50～500℃下溶剂热反应0.5～180h，得到硒掺杂碳量子点。本发明得到的硒掺杂碳量子点具有高量子产率、结构简单、易于制备、成本低廉、可批量生产、稳定性高、生物毒性低、相应迅速灵敏度极高等特点。
Description
技术领域
本发明属于生物分析检测领域，特别涉及一种硒掺杂碳量子点的制备方法。
背景技术
荧光检测技术以其灵敏，快速，成本低廉等特点，在污染物检测、生物荧光显影等一系列方面具有重要的应用前景。在众多的荧光材料中，开关型荧光材料因其可重复利用的优点，受到了广泛的关注。其中，作为一种最为重要的荧光材料之一，开关型有机荧光染料在荧光检测技术方面得到了广泛而深入的研究。但是，不容忽视的是，有机荧光染料存在着生物毒性大、制备困难、稳定性较差等一系列缺点。2012年Inorg.Chem.发表的Ratiometric andSelective Fluorescent Sensor for Zn2+as an“Off？On？Off”Switch and Logic Gate，制备了具有冠醚结构的有机荧光染料，其对锌离子具有良好的响应，且较为稳定，然而该有机荧光染料具有较高的生物毒性。2009年J.Phys.Chem.C发表的Multivalued Logic with a TristableFluorescent Switch，制备了一系列开关型有机荧光染料，其性能稳定且生物毒性较低，但是该类染料的制备过程复杂，产率较低，难以规模化生产。因此，发展稳定、超灵敏、生物毒性低、发光效率高的新型开关型荧光材料在荧光检测技术方面具有重要的意义。
另一方面，作为生物体系中最为重要的化学过程，氧化还原过程的检测具有极为重大的意义，利用荧光检测技术对生物体内发生的氧化还原过程进行实时监测对生理过程的研究具有重要的研究价值。其中，羟基自由基、超氧自由基为代表的强氧化性自由基的活体检测对研究细胞凋亡、抗菌机理等一系列课题具有很重要的意义。2013年Biochemistry发表的Stepwise Conversion of a Binding Protein to a Fluorescent Switch:Application toThermoanaerobacter tengcongensis Ribose Binding Protein，设计了一种基于蛋白质的氧化还原开关体系，得到了良好的效果。然而该体系的稳定性较差且结构复杂，在构建开关系统的过程中存在一定的技术困难。
因此，设计制备易于制备、成本低廉、发光效率高、稳定性高、生物毒性低、响应迅速、灵敏度高的开关型荧光材料对氧化还原过程的检测具有重要的意义和广泛的应用前景。同时，作为一种新型的荧光材料，碳量子点以其颗粒尺寸小、生物相性好、制备简单、性能稳定、成本低廉等一系列优异的性能受到了广泛的关注，然而现在仍未有基于碳量子点在氧化还原荧光开关方面应用的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硒掺杂碳量子点的制备方法，该方法得到的硒掺杂碳量子点具有高量子产率、结构简单、易于制备、成本低廉、可批量生产、稳定性高、生物毒性低、相应迅速灵敏度极高等特点。
本发明的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，包括：
(1)制备氧化碳量子点粉体；
(2)将上述氧化碳量子点粉体分散于溶剂中，得到浓度为0.05mg/mL～25mg/mL的氧化碳量子点溶液；
(3)在氧化碳量子点溶液中加入含硒掺杂剂，50～500℃下溶剂热反应0.5～180h，得到硒掺杂碳量子点；其中，含硒掺杂剂与氧化碳量子点的质量比为1:5-30:1。
所述步骤(1)中的氧化碳量子点粉体的制备方法具体如下：
(a)在碳材料中加入硝酸与硫酸的混合溶液并进行搅拌，形成第一混合液体；
(b)在第一混合液体中加入氯酸钠以发生氧化剪切反应，形成第二混合液体；
(c)在第二混合液体中加入蒸馏水进行稀释，形成第三混合液体；
(d)在第三混合液体中加入碱剂调节pH值，形成第四混合液体；
(e)对第四混合液体进行渗析和干燥处理，得到氧化碳量子点粉体。
所述步骤(a)中碳材料为炭黑，粒径为5-500nm。优选的，所述炭黑粉体为粒径20-50nm的乙炔炭黑。
所述步骤(a)中硝酸和硫酸的混合溶液中硝酸的浓度为50～80wt％，硫酸的浓度为50～98wt％，硝酸和硫酸的体积比为1:10～3:1；碳材料与硝酸和硫酸的混合溶液的质量体积比为0.02g/mL～0.5g/mL。所述搅拌的作用是使溶液各部位均一，反应时的气体易于排出。搅拌时候，保持较低的温度可防止反应过于剧烈，优选的，控制温度为1℃～5℃。
所述步骤(b)中氯酸钠与碳材料的质量比为2:1～1:30；反应温度为0℃～70℃，反应时间为10min～720min，以使得碳材料能够充分的被氧化剪切。
进行步骤(d)之前采用滤膜对所述第三混合液体进行过滤，以使得所述第三混合液体中的碳量子点的尺寸一致，粒径分布均匀。
所述滤膜为多孔氧化铝过滤膜，所述多孔氧化铝过滤膜中滤孔孔径为2nm～50nm。
所述步骤(d)中碱剂为NaOH、KOH、Na2CO3或氨水，调节pH值至5～10。调节pH值的目的是为了除去反应液中的酸，利于后面的渗析纯化及生物应用。
所述步骤(2)中的溶剂为水、乙醇、甲醇、乙酸、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、二氯甲烷、四氯甲烷或正己烷。
所述步骤(2)中分散方式为超声分散或磁力搅拌分散；其中，超声分散的功率为50W～1500W，频率为10kHz～100kHz，时间为0.1h～12h；磁力搅拌分散的搅拌速度为120r/min～1500r/min，搅拌时间为0.1h～12h。
所述步骤(3)中的含硒掺杂剂为含有硒的有机、无机化合物，且所述化合物在溶剂热条件下可与氧化碳量子点中的含氧基团发生反应并与碳量子点成键，具体为苯硒酚、二氧化硒、硒酸、亚硒酸、二苯基二硒、NaHSe或KHSe。
所述氧化碳量子点溶液中加入含硒掺杂剂，利用溶剂热反应使所述氧化碳量子表面的含氧基团与含硒掺杂剂反应，以得到硒掺杂碳基量子点。
所述步骤(3)中溶剂热反应在高压反应釜中进行，所述高压反应釜为聚合物内衬的钢质反应釜或全金属反应釜，且采用聚四氟乙烯或对位聚苯内衬，所述聚四氟乙烯或对位聚苯内衬的容积为5-1500mL，填充度为20％～80％。
溶剂热反应和形成第四混合液体后均进行渗析和干燥处理；其中，所述渗析采用截流分子量为100Da～14000Da，渗析时间为1天～15天；所述干燥处理为冷冻干燥，冷冻干燥的冷阱温度为-30℃～-74℃，所述硒掺杂碳量子点在冷冻干燥时的温度为-74℃～50℃，冷冻干燥的气压为0.1Pa～101.325kPa，冷冻干燥时间为6h～240h。经过上述步骤，可以得到蓬松的、分散性极好，并且尺寸一致的氧化碳量子点粉体。
所述步骤(3)得到的硒掺杂碳量子点应用于氧化性的分子、离子、自由基及还原性的分子、离子、自由基的检测。
所述氧化性的分子、离子、自由基包括超氧自由基、羟基自由基、单线态氧、过氧化氢、过硫酸根；所述还原性的分子、离子、自由基包括维生素C、还原型谷胱甘肽、肼、亚硫酸根、连二亚硫酸根。
本发明硒掺杂碳量子点的应用：
配制硒掺杂碳量子点水溶液，以及氧化剂、还原剂的水溶液，取硒掺杂碳量子点溶液于比色皿中，逐渐往比色皿中加入氧化剂溶液，用荧光光谱仪检测氧化剂的加入对硒掺杂碳量子点的荧光光谱性质的猝灭过程。随后逐步在上述混合溶液中加入还原剂水溶液，用荧光光谱仪检测还原剂的加入对猝灭后硒掺杂碳量子点的荧光增强过程。
溶剂热法是将反应物按一定比例加入溶剂，然后置于高压釜中在相对较低的温度下反应。在这种方法中，溶剂处在高于其临界点的温度和压力下，可以溶解绝大多数物质。当一种或几种前驱体溶解在溶剂中形成溶液，在液相或超临界条件下，反应物分散在溶液中，并且会变得比较活泼，从而使常规条件下不能发生的反应可以进行，或加速进行。
在溶剂热条件下，溶剂的性质(密度、粘度、分散作用)相互影响，变化很大，且其性质与通常条件下相差很大，相应的，反应物(通常是固体)的溶解、分散以及化学反应活性大大的提高或增强。这就使得反应能够在较低的温度下发生。
该反应相对简单而且易于控制，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体。另外，物相的形成、粒径的大小、形态也能够控制，而且，产物的分散性较好。
本发明中，所述含硒掺杂剂为可以与氧化碳量子点表面的含氧基团发生反应的活泼含硒化合物。所述含硒掺杂剂与氧化碳量子点的反应主要是由于在溶剂热反应提供的高温高压环境下，氧化碳量子点表面丰富的氧化基团或还原基团与含硒掺杂剂之间发生的氧化还原反应，掺杂剂在反应的同时解离出含有杂原子的分子碎片，并与氧化碳量子点成键结合，达到掺杂目的。
有益效果
本发明得到的硒掺杂碳量子点具有高量子产率、结构简单、易于制备、成本低廉、可批量生产、稳定性高、生物毒性低、相应迅速灵敏度极高等特点；同时通过改变含硒掺杂剂的种类可调控硒掺杂碳量子点的响应性能使之可应用于多种氧化性及还原性分子、离子、自由基的超灵敏检测，在细胞中的识别效果良好，可实现生物细胞或组织的实时荧光成像、在有干扰离子存在的情况下实现自由基的超灵敏荧光检测，具有较好的应用开发前景。
附图说明
图1为本发明制备硒掺杂碳量子点的流程示意图；
图2为本发明制备氧化碳量子点粉体的流程示意图；
图3为实施例3制备的硒掺杂碳量子点荧光开关重复性性能测试的结果。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例1
结合图1和图2，首先，步骤S10：提供氧化碳量子点粉体；
具体的，包括：
步骤S11：提供5.00g炭黑粉体(粒径30-50nm)；
步骤S12：将所述炭黑粉体加入到50mL浓硝酸(浓度为67wt％)和120mL浓硫酸(浓度为98wt％)的混合液中，5℃机械搅拌60min，搅拌速率1200r/min，形成第一混合液体；
步骤S13：在所述第一混合液体中缓慢加入60gNaClO3以发生氧化反应，控制氧化反应的反应温度0～5℃，反应12h，形成第二混合液体；
步骤S14：将所述第二混合液体中冷却至室温，加入200mL蒸馏水稀释，形成第三混合液体，并采用10nm多孔氧化铝滤膜过滤；
步骤S15：在过滤后的所述第三混合液体中加入氨水调节混合液的pH＝6-7，形成第四混合液体；
步骤S16：采用截留分子量为1500Da的透析袋对第四混合液体进行渗析处理，渗析时间为5天，期间每12小时更换一次透析袋外蒸馏水；然后将渗析后的第四混合液体进行冷冻干燥，冷冻干燥时间为5天，得到氧化碳量子点粉体。
步骤S20：提供溶剂，并将所述氧化碳量子点粉体分散在所述溶剂中，得到氧化碳量子点溶液；
具体的，取0.050g步骤S16得到的氧化碳量子点粉体超声分散于20.00mL水中，进行超声分散，分散时间为5小时。
步骤S30：在所述氧化碳量子点溶液中加入含硒掺杂剂，利用溶剂热反应使所述氧化碳量子被掺杂，以得到硒掺杂碳量子点。
具体的，将溶液转移至50mL的哈氏合金反应釜的内衬中并加入0.030g苯硒酚作为掺杂剂，于240℃加热24小时。
进行完步骤S30后，还包括进行渗析和干燥的步骤；
具体的，在所述高压反应釜加热完毕冷却后，取出反应液，采用截流分子量为500Da的透析袋对所得的溶液渗析处理，渗析时间为5天，期间每12小时更换一次透析袋外蒸馏水，得到硒掺杂碳量子点水溶液。
将渗析后的溶液进行冷冻干燥，冷冻干燥时间为5天，得到硒掺杂碳量子点粉体。本发明方法制备的硒掺杂碳量子点，经由荧光光谱仪进行荧光性能测试，结果表明该量子点在紫外光照射下可产生强烈的黄色荧光，发射波长为640nm，量子产率为0.56。
本实施例荧光开关的应用
配制5.0×10-3mg/mL的硒掺杂碳量子点水溶液，以及维生素C、过氧化氢1.0×10-9M的水溶液，取1mL上述配制的硒掺杂碳量子点溶液于比色皿中，逐渐往比色皿中加入过氧化氢溶液，用荧光光谱仪检测过氧化氢的加入对硒掺杂碳量子点的荧光光谱性质的影响。光谱分析表明，本发明硒掺杂碳量子点对于锌离子具有极为灵敏的响应能力，硒掺杂碳量子点的低浓度溶液加入锌离子后荧光显著猝灭，颜色不发生改变，对过氧化氢的检出限为2×10-14M，响应时间小于0.1s。随后逐步在上述混合溶液中加入维生素C溶液，用荧光光谱仪检测维生素C的加入对猝灭后硒掺杂碳量子点的荧光光谱性质的影响。光谱分析表明，硒掺杂碳量子点的低浓度溶液加入维生素C后荧光显著增强，颜色不发生改变，对过氧化氢的检出限为5×10-14M，响应时间小于0.1s。
实施例2
将实施例1中的含硒掺杂剂改为0.10g二苯基二硒，其他条件不变，可获得发射波长为580nm的硒掺杂碳量子点，该材料在紫外光照射下可产生强烈的黄绿色荧光，量子产率为0.44。经由与实施例1中相同的荧光检测手段可知，该量子点水溶液的荧光可被羟基自由基氧化猝灭，被维生素C还原恢复，对羟基自由基的检出限为6×10-14M，对维生素C的检出限为1×10-13M。响应时间为0.05s，对所有常见金属离子均稳定。
实施例3
将实施例1中的含硒掺杂剂改为0.10g NaHSe，其他条件不变，可获得发射波长为594nm的硒掺杂碳量子点，该材料在紫外光照射下可产生强烈的黄绿色荧光，量子产率为0.62。经由与实施例1中相同的荧光检测手段可知，该量子点水溶液的荧光可被超氧自由基氧化猝灭，被还原型谷胱甘肽还原恢复，对超氧自由基的检出限为3×10-14M，对还原型谷胱甘肽的检出限为2×10-14M。响应时间为0.1s，对所有常见金属离子均稳定。
如图3所示，为实施例3中的硒掺杂碳量子点荧光开关重复性性能测试的结果。由图可见该开关经由多次氧化还原过程之后，其性能仍保持不变，说明其稳定性极好且信噪比高，在实际应用中具有良好的前景。
综上所述，本发明提出一种简单有效的技术方案，以炭黑为原料，采用多种含硒掺杂剂对氧化碳量子点进行掺杂，产物具有结构简单、易于制备、成本低廉、可批量生产、发光效率高、稳定性高、生物毒性低、响应迅速、灵敏度极高等特点。同时通过改变含硒掺杂剂的种类可调控硒掺杂碳量子点的响应性能使之可应用于多种氧化性及还原性分子、离子、自由基的超灵敏检测，在细胞中的识别效果良好，可实现生物细胞或组织的实时荧光成像、在有干扰离子存在的情况下实现自由基的超灵敏荧光检测，具有较好的应用开发前景，解决了以上的一系列问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种硒掺杂碳量子点的制备方法，包括：
(1)制备氧化碳量子点粉体；
(2)将上述氧化碳量子点粉体分散于溶剂中，得到浓度为0.05mg/mL～25mg/mL的氧化碳量子点溶液；
(3)在氧化碳量子点溶液中加入含硒掺杂剂，50～500℃下溶剂热反应0.5～180h，得到硒掺杂碳量子点；其中，含硒掺杂剂与氧化碳量子点的质量比为1:5-30:1。
2.根据权利要求1所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的氧化碳量子点粉体的制备方法具体如下：
(a)在碳材料中加入硝酸与硫酸的混合溶液并进行搅拌，形成第一混合液体；
(b)在第一混合液体中加入氯酸钠以发生氧化剪切反应，形成第二混合液体；
(c)在第二混合液体中加入蒸馏水进行稀释，形成第三混合液体；
(d)在第三混合液体中加入碱剂调节pH值，形成第四混合液体；
(e)对第四混合液体进行渗析和干燥处理，得到氧化碳量子点粉体。
3.根据权利要求2所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)中碳材料为炭黑，粒径为5-500nm；硝酸和硫酸的混合溶液中硝酸的浓度为50～80wt％，硫酸的浓度为50～98wt％，硝酸和硫酸的体积比为1:10～3:1；碳材料与硝酸和硫酸的混合溶液的质量体积比为0.02g/mL～0.5g/mL。
4.根据权利要求2所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中氯酸钠与碳材料的质量比为2:1～1:30；反应温度为0℃～70℃，反应时间为10min～720min。
5.根据权利要求2所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：进行步骤(d)之前采用滤膜对所述第三混合液体进行过滤。
6.根据权利要求5所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述滤膜为多孔氧化铝过滤膜，所述多孔氧化铝过滤膜中滤孔孔径为2nm～50nm。
7.根据权利要求2所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(d)中碱剂为NaOH、KOH、Na2CO3或氨水，调节pH值至5～10。
8.根据权利要求1所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的溶剂为水、乙醇、甲醇、乙酸、丙酮、氯仿、乙酸乙酯、二氯甲烷、四氯甲烷或正己烷；分散方式为超声分散或磁力搅拌分散；其中，超声分散的功率为50W～1500W，频率为10kHz～100kHz，时间为0.1h～12h；磁力搅拌分散的搅拌速度为120r/min～1500r/min，搅拌时间为0.1h～12h。
9.根据权利要求1所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的含硒掺杂剂为苯硒酚、二氧化硒、硒酸、亚硒酸、二苯基二硒、NaHSe或KHSe。
10.根据权利要求1或2所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：溶剂热反应和形成第四混合液体后均进行渗析和干燥处理；其中，所述渗析采用截流分子量为100Da～14000Da，渗析时间为1天～15天；所述干燥处理为冷冻干燥，冷冻干燥的冷阱温度为-30℃～-74℃，所述硒掺杂碳量子点在冷冻干燥时的温度为-74℃～50℃，冷冻干燥的气压为0.1Pa～101.325kPa，冷冻干燥时间为6h～240h。
11.根据权利要求1所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)得到的硒掺杂碳量子点应用于氧化性的分子、离子、自由基及还原性的分子、离子、自由基的检测。
12.根据权利要求11所述的一种硒掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述氧化性的分子、离子、自由基包括超氧自由基、羟基自由基、单线态氧、过氧化氢、过硫酸根；所述还原性的分子、离子、自由基包括维生素C、还原型谷胱甘肽、肼、亚硫酸根、连二亚硫酸根。
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