CN104560036A - 一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用，本发明的制备方法包括以下步骤：将蜂蜜、去离子水和无水乙醇混合均匀；将所得混合液密封，进行蒸汽热合成；然后调节所得溶液的pH，离心；取上清液，加入二氯甲烷，离心；然后分别取离心后的上层水相清液和下层有机相，分别过滤，获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。本发明的方法以蜂蜜作为碳源，反应条件温和，操作简便，成本低，毒性小，仅需常规仪器设备，一般实验室即可进行操作，可推广性好；此外，能一次性获得水溶性量子点和脂溶性量子点，产物单分散性好，荧光性质好，可作为荧光标记物用于生物标记等多个领域。

Description

一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及材料合成技术领域，具体涉及碳量子点的制备，尤其涉及一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用。
背景技术
碳量子点由美国克莱蒙森大学的科学家首次制造，是一种具有荧光的新型碳材料。通常，量子点从铅、镉和硅的混合物中提炼，但这些量子点一般有毒，对环境危害很大。因此，科学家们寻求在一些良性化合物中提取量子点。相对于传统的金属量子点、半导体量子点、稀土荧光探针和有机荧光染料，碳量子点具有毒性小、生物相容性好、发光范围可调、光稳定性好、无光闪烁以及易于功能化等优点，近年来作为发光纳米粒子研究的前沿，发展十分迅速。
现有的碳量子点制备方法很少，主要有高温高压切除法、蜡烛燃烧法和电化学扫描法等。这些方法多采用等离子发射器、水热反应釜或马弗炉等专用设备进行高温高压反应制备碳量子点。例如，CN 103911149 A公开了一种基于离子液体的碳量子点的制备方法，具体步骤是将离子液体和蒸馏水混合均匀，然后将其分别放入微波炉和马弗炉中进行180～250℃、8～16小时的加热反应，得到水溶性碳量子点；CN 104003370 A公开了一种用于检测水中铍的荧光碳量子点探针的制备方法，具体步骤是将尿素和柠檬酸的混合溶液转移到水热反应釜中，在200～240℃反应5～7小时后冷却得到棕色水溶液，再将棕色水溶液经过离心、透析、旋转蒸发浓缩、以及真空干燥后得到产品。可见，现有的碳量子点制备方法反应条件苛刻、成本高昂、操作复杂、要求严格，一般的实验室不能进行制备，推广性较差；此外，现有技术还没有以蜂蜜为碳源的同时制备水溶性和脂溶性碳量子点的方法。因此，一种反应条件温和、操作简便、原料易得、低成本且毒性小的，能以蜂蜜为碳源同时制备水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点的方法是我们研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种反应条件温和、操作简便、原料易得、低成本且毒性小的一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料及其制备方法和应用。
为达到此发明目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将蜂蜜、去离子水和无水乙醇混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液密封后，进行蒸汽热合成；
(3)调节步骤(2)所得溶液的pH，离心；
(4)取步骤(3)离心后所得上清液，加入二氯甲烷，离心；
(5)分别取步骤(4)离心后所得上层水相清液和下层有机相，分别过滤，即获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
优选地，步骤(1)所述蜂蜜、去离子水和无水乙醇的质量比为1:(1～20):(1～10)，例如可以是1:1:1、1:2:1、1:3:1、1:4:1、1:5:1、1:6:1、1:7:1、1:8:1、1:9:1、1:10:1、1:11:1、1:12:1、1:1:2、1:2:2、1:3:2、1:4:2、1:5:2、1:6:2、1:7:2、1:8:2、1:9:2、1:10:2、1:11:2、1:12:2、1:1:3、1:2:3、1:3:3、1:4:3、1:5:3、1:6:3、1:7:3、1:8:3、1:9:3、1:10:3、1:11:3、1:12:3、1:8:4、1:12:6或1:20:10，优选为1:1:1、1:2:1、1:4:2、1:8:4、1:12:6或1:20:10，更优选为1:12:6。
其中，步骤(1)中的混匀可以是各种混匀方式，例如涡旋混匀或震荡混匀；
其中，步骤(2)中蒸汽热合成采用高压蒸汽灭菌锅进行，所述高压蒸汽灭菌锅的温度为121℃，因为常规蒸汽灭菌锅工作压强为2倍大气压，压力与水的沸点有关，此时水的沸点为121℃，因此将温度设定为121℃；
优选地，所述高压蒸汽灭菌锅中的反应时间为1～5h，优选为2h。
其中，步骤(3)中所述的调节pH到5.5～8.5，优选为6～8，调节pH的目的是使溶液的酸碱度适用于后续处理步骤，还有利于将本发明所得的碳量子点用作各种标记材料。
其中，步骤(3)中的离心步骤是为了去除未溶解的残渣；
优选地，步骤(3)中所述离心的转速为5000～10000r/min，例如，离心的转速可以是5000r/min、6000r/min、7000r/min、8000r/min、9000r/min或10000r/min，优选为5000r/min；
优选地，所述离心的时间为4～6min，例如可以是4min、4.5min、5min、5.5min或6min，优选为5min。
其中，步骤(4)中加入二氯甲烷是为了分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；对于二氯甲烷的加入量，所属技术领域的技术人员可根据经验适量添加，本发明并未作出限制，例如，二氯甲烷的加入量可以是5mL、6mL、7mL、8mL、9mL、10mL、11mL、12mL、13mL、14mL或15mL。
优选地，步骤(4)中所述离心的转速为5000～10000r/min，例如，离心的转速可以是5000r/min、6000r/min、7000r/min、8000r/min、9000r/min或10000r/min，优选为5000r/min；
优选地，所述离心的时间为4～6min，例如可以是4min、4.5min、5min、5.5min或6min，优选为5min。
离心是为了去除无荧光的脂溶性物质，同时分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点，因此选取大于或等于5000r/min、小于或等于10000r/min的转速，若转速过小则不能达到分离目的，但若转速过大则会使碳量子点颗粒发生聚集沉降，降低碳量子点的分散性。
优选地，步骤(5)中所述的过滤为过孔径可以是0.1～1.2μm的滤膜，例如可以是0.13μm、0.22μm、0.34μm、0.45μm、0.53μm、0.65μm、0.78μm、0.80μm、0.96μm、1.0μm、1.1μm或1.2μm，优选为过孔径0.22μm、0.45μm、0.65μm或1.2μm的滤膜，更优选为过孔径0.45μm的滤膜。若选择的过滤膜孔径大于1.2μm，会使最终产品存在大粒径的杂质，影响其用于荧光标记产物的发光效率；若所选孔径小于0.22μm，导致产物颗粒难以滤过滤膜，并在过滤过程中导致聚集现象的发生，影响产率。
作为优选的技术方案，本发明所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将蜂蜜、去离子水和无水乙醇按照质量比为1：(1～20)：(1～10)混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液密封后，在高压蒸汽灭菌锅中进行蒸汽热合成，121℃加热1～5h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节步骤(2)所得溶液的pH至6～8，5000r/min离心5min；
(4)取步骤(3)离心后所得上清液，分别加入二氯甲烷10mL，5000r/min离心5min；
(5)分别取步骤(4)离心后所得上层水相清液和下层有机相，分别过0.45μm孔径的滤膜，即获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
第二方面，本发明提供一种如本发明第一方面所述的方法制备的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点在生物标记、重金属分析、抗体标记和细胞染色方面的应用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明的方法以蜂蜜作为碳源，仅需蒸汽灭菌锅等常规仪器设备，反应条件温和，反应时间较短，操作简便，成本低，毒性小，原料易得。一般实验室均可进行，具有良好的可推广性。
(2)本发明的方法能一次性获得有荧光效果的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点，所得产物单分散性好，荧光性质和量子产率高，可作为荧光标记物广泛用于生物标记、重金属分析、抗体标记、细胞染色等领域。
附图说明
图1为实施例1制备的有机相碳量子点透射电子显微镜照片。
图2为实施例1制备的有机相碳量子点荧光光谱。
图3为实施例1制备的水相碳量子点透射电子显微镜照片。
图4为实施例1制备的水相碳量子点荧光光谱图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，而不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)取蜂蜜3g溶解于36mL去离子水中，再加入22.5mL乙醇，涡旋混匀3min；
(2)将混合液转移到200mL三角瓶中，用封口膜封口，置于高压蒸汽灭菌锅中，在121℃条件下加热2小时；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至中性，转速5000r/min离心5min，去除未溶解的残渣；
(4)取上清液转移至两个50mL离心管中，每管25mL，各管分别加入二氯甲烷10mL，转速5000r/min离心5min，以分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；
(5)分别取上层水相清液和下层有机相，过孔径0.45μm的滤膜，分别获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
取实施例1所得的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点，分别进行透射电子显微镜拍照和不同波长下的荧光强度测定，结果如图1～4所示。从图1可以看出，利用本发明的方法制备的脂溶性碳量子点的粒径在0.2μm以下，形貌特征大体为圆形，在有机相中的单分散性良好，没有发生聚集。从图2可以看出，利用本发明的方法制备的脂溶性碳量子点的最大激发波长为375nm，最大发射波长为437nm，因此利用本发明的方法制备的脂溶性碳量子点可作为脂溶性荧光标记试剂，用于生物标记、重金属分析、抗体标记和细胞染色。从图3可以看出，利用本发明的方法制备的水溶性碳量子点的粒径在30nm以下，且呈颗粒状，在水相中的单分散性良好，没有发生聚集现象。从图4可以看出，利用本发明的方法制备的水溶性碳量子点的最大激发波长为368nm，最大发射波长为437nm，因此本发明的方法制备的水溶性碳量子点可作为水溶性荧光标记试剂，用于生物标记、重金属分析、抗体标记和细胞染色。
实施例2
(1)取蜂蜜15g溶解于15mL去离子水中，再加入18.75mL乙醇，震荡混匀3min；
(2)将混合液转移到200mL三角瓶中，用封口膜封口，置于高压蒸汽灭菌锅中，在121℃条件下加热1h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至中性，转速8000r/min离心4min，去除未溶解的残渣；
(4)取上清液转移至两个50mL离心管中，每管25mL，各管分别加入二氯甲烷5mL，转速7000r/min离心5min，以分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；
(5)分别取上层水相清液和下层有机相，过孔径1.2μm的滤膜，分别获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
实施例3
(1)取蜂蜜30g溶解于60mL去离子水中，再加入37.5mL乙醇，涡旋混匀3min；
(2)将混合液转移到200mL三角瓶中，用封口膜封口，置于高压蒸汽灭菌锅中，在121℃条件下加热3h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至中性，转速10000r/min离心4min，去除未溶解的残渣；
(4)取上清液转移至两个50mL离心管中，每管25mL，各管分别加入二氯甲烷10mL，转速6000r/min离心6min，以分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；
(5)分别取上层水相清液和下层有机相，过孔径0.65μm的滤膜，分别获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
实施例4
(1)取蜂蜜1.5g溶解于30mL去离子水中，再加入18.75mL乙醇，涡旋混匀3min；
(2)将混合液转移到200mL三角瓶中，用封口膜封口，置于高压蒸汽灭菌锅中，在121℃条件下加热4h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至中性，转速6000r/min离心5min，去除未溶解的残渣；
(4)取上清液转移至两个50mL离心管中，每管25mL，各管分别加入二氯甲烷10mL，转速8000r/min离心4min，以分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；
(5)分别取上层水相清液和下层有机相，过孔径1.2μm的滤膜，分别获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
实施例5
(1)取蜂蜜3.2g溶解于25.6mL去离子水中，再加入16mL乙醇，震荡混匀3min；
(2)将混合液转移到200mL三角瓶中，用封口膜封口，置于高压蒸汽灭菌锅中，在121℃条件下加热5h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节溶液的pH至中性，转速7000r/min离心6min，去除未溶解的残渣；
(4)取上清液转移至两个50mL离心管中，每管25mL，各管分别加入二氯甲烷10mL，转速10000r/min离心4min，以分离水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点；
(5)分别取上层水相清液和下层有机相，过孔径0.22μm的滤膜，分别获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
对实施例2、实施例3、实施例4和实施例5进行相同的处理，所得结果与实施例1基本一致。
从以上结果可以看出，实施例1～5重复性好，表明利用本发明的方法制作出来的碳量子点稳定性高。本发明的方法能够一次性获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点，产物单分散性好，荧光性质好，可以作为荧光分子标记物广泛用于生物标记、重金属分析、抗体标记等领域。另外，本发明的方法仅需常规的仪器设备，无需等离子体发射器、水热反应釜或马弗炉等装备进行高温、高压反应，反应条件温和、反应时间短、操作简便、成本低且毒性小，一般实验室均可进行，具有良好的可推广性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的工艺方法，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蜂蜜、去离子水和无水乙醇混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液密封后，进行蒸汽热合成；
(3)调节步骤(2)所得溶液的pH，离心；
(4)取步骤(3)离心后所得上清液，加入二氯甲烷，离心；
(5)分别取步骤(4)离心后所得上层水相清液和下层有机相，分别过滤，获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
2.根据权利要求1所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述蜂蜜、去离子水和无水乙醇的质量比为1:(1～20):(1～10)，优选为1:2:1、1:4:2、1:8:4、1:12:6或1:20:10，更优选为1:12:6。
3.根据权利要求1或2所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述蒸汽热合成采用高压蒸汽灭菌锅进行；
优选地，所述高压蒸汽灭菌锅的温度为121℃；
优选地，所述高压蒸汽灭菌锅中的反应时间为1～5h，优选为1h、2h、3h、4h或5h，更优选为2h；
4.根据权利要求1～3之一所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的调节pH到5.5～8.5，优选为6～8；
优选地，所述离心的转速为5000～10000r/min，优选为5000r/min；
优选地，所述离心的时间为4～6min，优选为5min。
5.根据权利要求1～4之一所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述离心的转速为5000～10000r/min，优选为5000r/min；
优选地，所述离心的时间为4～6min，优选为5min；
6.根据权利要求1～5之一所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述的过滤为过孔径为0.1～1.2μm的滤膜，优选为过孔径0.22μm、0.45μm、0.65μm或1.2μm的滤膜，更优选为过孔径0.45μm的滤膜。
7.根据权利要求1～6之一所述的以蜂蜜为碳源的碳量子点荧光标记材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将蜂蜜、去离子水和无水乙醇按照质量比为1：(1～20)：(1～10)混合均匀，得到混合液；
(2)将步骤(1)所得混合液密封后，在高压蒸汽灭菌锅中进行蒸汽热合成，121℃加热1～5h；
(3)用1mol/L的NaOH溶液调节步骤(2)所得溶液的pH至6～8，5000r/min离心5min；
(4)取步骤(3)离心后所得上清液，分别加入二氯甲烷10mL，5000r/min离心5min；
(5)分别取步骤(4)离心后所得上层水相清液和下层有机相，分别过0.45μm孔径的滤膜，获得水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
8.根据权利要求1～7之一所述的方法制备的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点。
9.根据权利要求8所述的水溶性碳量子点和脂溶性碳量子点在生物标记、重金属分析、抗体标记和细胞染色方面的应用。
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Granted publication date: 20170118

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Granted publication date: 20170118

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