CN104357049B - 一种荧光碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高荧光量子产率的碳量子点及其制备方法。制备步骤：以草酸为碳源，尿素为氮源，加入二次水，超声得到澄清溶液；置于微波炉里反应，最终得到浅黄色固体；取出待其自然冷却后，加入一定量的二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，透析去除杂质，即得到碳量子点水溶液，冷冻干燥后得到碳量子点。本发明工艺简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求低，所得碳量子点量子产率较高。所得的碳量子点可用于水体中Fe³⁺和Ag⁺的检测，可在活细胞荧光成像中应用，也可用作防伪标记。

Description

一种荧光碳量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是一种高荧光量子产率的碳量子点及其制备方法和应用。

背景技术

碳量子点(carbondots，C-dots)是由Scrivens等(J.Am.Chem.Soc.，2004，126，12736-12737)在2004年研究单壁碳纳米管时首次发现的一种以碳为骨架结构的新型纳米材料，与传统的半导体量子点和有机染料相比，碳量子点作为一种新型可发光材料，不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且具有合成方便、易于修饰、发光范围可调、双光子吸收截面大、荧光量子效率高、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无法比拟的优势，并且基本上不损伤细胞，更符合细胞标记和生物医学成像需要。这种新型的荧光碳纳米粒子的尺寸大小与半导体量子点相似，平均粒径小于10nm，具有很长的荧光寿命，并且可实现上转换荧光发射，最重要的是，碳量子点较以往的荧光材料更具有生物安全型，在荧光探针生物检测、生物传感、生物分析、金属阳离子和阴离子的生化分析、生物传感器、光电转换以及光催化等领域体现出重要应用价值。

碳量子点的制备方法目前主要有两种，自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)。自上而下的合成方法，即从较大的碳结构剥落制备碳纳米颗粒的物理方法，再通过聚合物表面钝化的方式使其有效放光，主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、电子束辐射等，该类方法往往需要严格的实验条件或特殊的能源，成本高，而且获得碳量子点的荧光量子产率较低；自下而上的合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成荧光碳量子点，包括燃烧法、热液碳化法、支持合成法、微波法、超声波法等，但是由于该类方法选用的原料都是不可再生能源且需要严格的后处理工艺，所以也不利于持续并规模生产碳量子点。因此，寻找廉价易得、资源丰富、天然无毒和环境友好型的原料作为碳源，制备具有水溶性、高荧光量子产率的碳量子点对金属离子检测及生物应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的高荧光量子产率的碳量子点，并建立一种操作简单、设备简易、原料低廉和绿色环保的制备方法；以及将所述的碳量子点用于重金属离子检测、细胞成像以及防伪标记。

本发明提供的一种高荧光量子产率的碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

1)、将草酸和尿素置于耐微波容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；草酸、尿素和二次水的质量比为：0.25-1.0︰0.22-1.0︰5.0-20；

2)、将装有澄清溶液的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应6-15min，得到浅黄色粉末；

3)、将浅黄色粉末从耐微波容器取出，自然冷却，按步骤1)中澄清溶液体积量1-1.5倍加入二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。

所述的微波反应时间为8-13min。

上述方法制备的高荧光量子产率的碳量子点可作为荧光探针在水体中检测Fe³⁺应用，最低检出限可达4.8nmol，检出线性范围0.05-70μmol。

所制备的高荧光量子产率的碳量子点作为荧光探针在水体中检测Ag⁺应用，最低检出限可达到2.4nmol，检出线性范围0.02-130μmol。

所制备的高荧光量子产率的碳量子点也可在活细胞荧光成像中应用。

所制备的高荧光量子产率的碳量子点也可在防伪标记中应用。

本发明的优点：

(1)本发明操作简单，不需要后续强酸或表面钝化剂处理，即可得到高荧光量子产率碳量子点。

(2)原材料草酸和尿素均为普通试剂，来源广泛，价格便宜。

(3)生产设备仅需微波炉，操作方便，能在十几分钟内快速完成，节能省时。

(4)碳量子点的量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54％)为参照物，所得碳量子点得相对量子产率一般在15.3％～28.7％之间。

总之，本发明工艺操作简单，原料来源广泛且价格便宜，制备条件要求低且相对温和，所得碳量子点荧光量子产率较高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产且获得碳量子点的荧光量子产率较低等问题，该碳量子点可应用于重金属离子检测、生物标记、生物影像、光电装置以及防伪标记等领域。

附图说明

图1为实施例1制备的碳量子点的紫外吸收光谱及荧光发射光谱；

图2为实施例1制备的碳量子点荧光发射曲线随激发波长变化的光谱图

图3是以硫酸奎宁为标准，线性拟合硫酸奎宁和碳量子点的量子产率(左侧为硫酸奎宁，右侧为碳量子点)；

图4为实施例1制备的碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率；

图5为实施例1制备的碳量子点的XRD光谱图；

图6为实施例1制备的碳量子点的XPS光谱图。

图7为实施例1制备的碳量子点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；

图8为Fe³⁺淬灭实施例1制备的碳量子点的荧光光谱图；

图9为Ag⁺淬灭实施例1制备的碳量子点的荧光光谱图；

图10为实施例1制备的碳量子点用于培养绿豆芽(左侧为自然光下的豆芽状态，右侧为365nm紫外灯下的豆芽状态)；

图11为实施例1制备的碳量子点利用MTT法进行的人宫颈癌SiHa细胞毒性测试；

图12为实施例1制备的碳量子点标记的人宫颈癌SiHa细胞激光共聚焦图。

图13为实施例1制备的碳量子点用于防伪标记的照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

步骤1，称量0.5g草酸和0.5g尿素于耐微波容器中，随后加入10mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应8min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入10mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为28.7％。

性质表征和应用见图1-13。

实施例2

步骤1，称量0.5g草酸和0.8g尿素于耐微波容器中，随后加入13mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应10min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入14mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为25.7％。

实施例3

步骤1，称量0.8g草酸和0.5g尿素于耐微波容器中，随后加入14mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应11min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入15mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为22.1％。

实施例4

步骤1，称量1.0g草酸和0.8g尿素于耐微波容器中，随后加入17mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应12min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入18mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为18.23％。

实施例5

步骤1，称量0.8g草酸和1.0g尿素于耐微波容器中，随后加入18mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应13min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入20mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为20.2％。

实施例6

步骤1，称量1.0g草酸和1.0g尿素于耐微波容器中，随后加入20mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应15min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入30mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15.3％。

实施例7

步骤1，称量0.37g草酸和0.5g尿素于耐微波容器中，随后加入8mL二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；

步骤2，将耐微波容器置于微波炉(800瓦)高火状态下反应6min，得到浅黄色固体；

步骤3，取出耐微波容器，自然冷却，向其中加入12mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过透析去除杂质，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；

步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为19.3％。

实施例8

石英比色皿盛有实施例1的荧光碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出明亮的蓝色荧光。

实施例9

实施例1制备的荧光碳量子点水溶液(5mg/mL)置于培养皿中，将70％的乙醇消毒后的绿豆放于培养皿中，室温(25℃)培养三天，观察到绿豆正常发芽，图10左侧为发芽后的绿豆在自然光下的状态，右侧为发芽后的绿豆在365nm紫外灯下的状态，可见实施例1制备的碳量子点对植物没有毒性。

实施例10

实施例1制备的荧光碳量子点水溶液(5mg/mL)用于标记的人宫颈癌SiHa细胞，如图12所示，细胞形态良好，可见碳量子点没有细胞毒性，可用于活细胞标记。图12(a)从左到右依次为：明场细胞图，暗场(激发为405nm)细胞图(蓝色)，明场和暗场叠加图；图12(b)从左到右依次为：暗场(激发为405nm)细胞图(蓝色)，暗场(激发为488nm)细胞图(绿色)，蓝色和绿色叠加图；图12(c)从左到右依次为：暗场(激发为405nm)细胞图(蓝色)，暗场(激发为543nm)细胞图(红色)，蓝色和红色叠加图；图12(d)从左到右依次为：暗场(激发为488nm)细胞图(绿色)，暗场(激发为543nm)细胞图(红色)，绿色和红色叠加图。

实施例11

实施例1制备的荧光碳量子点水溶液(2mg/mL)2mL与5mL聚乙烯醇(5.0wt％)混合后的溶液用刷子均匀涂布到玻璃片上，之后将玻璃片置于70℃烘箱中1小时，取出玻璃片拍照，图13左侧为玻璃片在自然光下的状态，右侧为玻璃片在365nm紫外灯下的状态，由图可见，玻璃片在自然光下没有任何颜色，而在365nm紫外灯下可见明亮的蓝色荧光，故碳量子点可用作防伪标记。

Claims (2)

1.一种碳量子点作为荧光探针在水体中检测Fe³⁺的应用；所述的碳量子点通过包括如下步骤的方法制得：

1)、将草酸和尿素置于耐微波容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；草酸、尿素和二次水的质量比为：0.25-1.0︰0.22-1.0︰5.0-20；

2)、将装有澄清溶液的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应6-15min，得到浅黄色粉末；

3)、将浅黄色粉末从耐微波容器取出，自然冷却，按步骤1)中澄清溶液体积量1-1.5倍加入二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。

2.一种碳量子点作为荧光探针在水体中检测Ag⁺的应用；所述的碳量子点通过包括如下步骤的方法制得：

1)、将草酸和尿素置于耐微波容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；草酸、尿素和二次水的质量比为：0.25-1.0︰0.22-1.0︰5.0-20；

2)、将装有澄清溶液的耐微波容器置于微波炉中，高火状态下反应6-15min，得到浅黄色粉末；

3)、将浅黄色粉末从耐微波容器取出，自然冷却，按步骤1)中澄清溶液体积量1-1.5倍加入二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的碳量子点的水溶液；

4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。