CN104611715B - 一种基于芯片上碳印刷电极制备碳量子点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，涉及一种基于芯片上碳印刷电极制备碳量子点的方法，先在芯片上制得碳印刷电极的两电极体系作为电化学方法中的正极和负极；再将电解液放置在芯片上的电解池内，打开电源，在芯片上的正极和负极两端施加直流恒电压反应得到碳量子点溶液；将制备的碳量子点溶液采用离心机进行离心除去固体杂质，取上层清液即为制得的碳量子点；制备碳量子点的方法简单，原理科学，成本低，效率高，制备的碳量子点质量好，性能稳定，应用广泛。

Description

一种基于芯片上碳印刷电极制备碳量子点的方法

技术领域：

本发明属于碳纳米材料制备技术领域，涉及一种电化学法制备碳量子点的工艺，特别是一种便携式的基于芯片上碳印刷电极制备碳量子点的方法，并将制备的碳量子点应用到生物成像和增强电化学发光等领域。

背景技术：

碳量子点是一种新型碳材料，具有类似于传统半导体量子点的优异的发光性能与小尺寸特性(一般小于10nm)，还具有原料丰富、毒性小、生物相容性等诸多优势，在细胞成像、药物载体、传感器制备、光学、催化等领域具有极大的应用价值。目前关于制备碳量子点方法的报道很多，主要包括激光剥离石墨法、电弧放电法、化学氧化法和高温热解法等，这些方法往往需要较大型的设备或原料昂贵或者工序复杂、高能耗等，一般难以用于实时快速制备，大大限制了碳量子点的实际应用。因此，探索一种快速、简单、廉价、便携的制备碳量子点的方法非常有必要。已经公开的微波、电化学方法等相对于其它方法具有装置和制作过程简单等优势，但目前用于生产碳量子点的电化学方法一般采用常规的圆柱石墨电极或片状铂电极，电解池采用普通烧杯或大型电解池等，电解池中放入较大量的电解液，这些装置不利于携带，并且耗时较长(如240min,ACS Nano 2009,3,2367-2375)，一次产生较大量的碳量子点，如果不及时使用，放置容易造成浪费。因为电化学方法具有装置易微型化等特点，所以它与新兴的“芯片实验室”技术具有非常好的兼容性，“芯片实验室”技术借助微机电加工技术与生物技术，可将采样、前处理、反应、分离、检测等分析过程集成在一块小的微芯片上，具有试剂用量少、分析速度快、自动化程度高、不同操作单元组合灵活和规模集成等特点，易于实现便携化装置的研制，同时新兴的芯片制作材料如纸芯片等大大降低了芯片的制作成本，使制得芯片具有可抛弃性等特点，另外丝网印刷碳电极技术为芯片上电化学方法技术提供了设计灵活、成本低和可批量制作的优质电极。因此，基于芯片上碳印刷电极技术可以为碳量子点的制备提供一种便携、经济、快速、简单的方法，但迄今为止未见报道。

目前，可用于电化学方法生成碳量子点的电解缓冲已有一些报道，如离子液体水溶液、乙醇掺杂NaOH溶液等，其中离子液体水溶液作为电解缓冲生产碳量子点时效率较高，易于重复，同时能得到离子液体功能化的碳量子点，但是迄今未见有离子液体功能化的碳量子点应用于细胞成像的报道；另外已公开了一些碳量子点对许多电化学发光体系具有催化或者放大效应的报道，但是未见将碳量子点应用于纸芯片上固态电化学发光传感器的研制，因此碳量子点还有很多新应用领域需要开拓。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种基于芯片上碳印刷电极制备碳量子点的方法，制备出的量子点具有稳定、高效、毒性小、受光漂白影响较小的优点，可将制备的碳量子点应用到生物成像和增强电化学发光等领域。

为了实现上述目的，本发明制备碳量子点的工艺具体包括以下步骤：

(1)、通过现有的丝网印刷技术在芯片上制得碳印刷电极的两电极体系，作为电化学方法中的正极和负极；

(2)、将15-50μL电解液放置在芯片上的电解池内，打开电源，在芯片的正极和负极两端施加3.0-12.0V的直流恒电压反应10-30min得到碳量子点溶液，反应结束后，电流稳定不变，电解液由透明变成深棕色，并且不再变化；

(3)、将步骤(2)制备的碳量子点溶液采用离心机在12000-16000rpm条件下离心10-30min除去固体杂质，取上层清液即为制得的碳量子点。

本发明所述芯片包括纸芯片、玻璃、聚二甲基硅氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明采用的电解液为采用常规电化学方法中使用的生成碳量子点的电解液，包括离子液体水溶液。

本发明通过对所得的碳量子点采用不同手段进行表征，能进行细胞成像和制备芯片上固态电化学发光传感器，所采用的手段包括荧光、紫外、红外、X射线光电子能谱仪(XPS)和透射电镜(TEM)中的一种或两种以上。

本申请制备的碳量子点粒径均匀且小于10nm，平均尺寸为3.17±0.75nm，其表面富含羧基等基团，具有很好的水溶性；采用不同成分不同配比的电解缓冲液，所得碳量子点的量子产量为9-30％；所得碳量子点放置2个月以上，相同浓度的碳量子点样品的荧光强度变化很小，制备的碳量子点的性质稳定；对于一定浓度的碳量子点溶液，分别加入10μM Ag⁺,Al³⁺,Cd²⁺,Cu²⁺,Co²⁺,Fe²⁺,Fe³⁺,Hg²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Ni²⁺,Pb²⁺,Zn²⁺等不同的金属离子，得到不同金属离子的加入都不会对碳量子点的荧光强度产生影响。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是将碳印刷电极电极、电解池都集成到一小块芯片上，使用的装置简单且尺寸较小，便于携带；二是制备效率高，完成一次反应的时间较短，仅需10-30min；三是能耗低，芯片的制作原料和碳印刷电极低廉，并且装置尺寸小，一次反应电解质溶液用量少(15-50μL)，可以根据实际需要量进行单次或多次制备，保证充足用量的同时不会浪费；四是将所得离子液体功能化的碳量子点首次应用于Hella细胞成像，成像效果显著，细胞毒性实验证明细胞活性能够保持80％以上，同时荧光随时间变化较小，证明该碳量子点可以作为一种低毒、稳定且受光漂白影响较小的生物成像试剂；五是首次将本发明的离子液体功能化的碳量子点应用于纸芯片上固态电化学发光传感器的建立，所建立的传感器稳定、重现，且由于碳量子点的使用能够有效提高电化学发光效率15倍左右；本发明的制备碳量子点的方法简单，原理科学，成本低，效率高，制备的碳量子点质量好，性能稳定，应用广泛。

附图说明：

图1为本发明制备碳量子点的装置结构原理示意图，其中包括芯片1、电解池2、电解液3、正极4、负极5和电源6。

图2为本发明制备的碳量子点的TEM图(A)、高分辨透射电镜(HRTEM)图(B)和粒子尺寸分布图(C)。

图3为本发明实施例2经碳量子点溶液孵育的HeLa细胞的激光扫描共聚焦显微镜成像图(A)和细胞毒性测试结果图(B)，其中(A)左图为荧光图，右图为明场图。

图4为本发明实施例3涉及的循环伏安曲线图(A)和电化学发光强度-时间曲线图(B)，其中(a)为Nafion/三联吡啶钌，(b)为Nafion/离子液体/三联吡啶钌，(c)为Nafion/碳量子点/三联吡啶钌电极。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例制备碳量子点的工艺具体包括以下步骤：

(1)、通过现有的丝网印刷技术在纸芯片上制得碳印刷电极的两电极体系，作为电化学方法中的正极和负极；

(2)、将15-50μL电解液3放置在纸芯片1上的电解池2内，打开电源6，在纸芯片1上的正极4和负极5两端施加6.0V的直流恒电压反应10-30min得到碳量子点溶液，反应结束后，电流稳定不变，电解液3由透明变成深棕色，并且不再变化；

(3)、将步骤(2)制备的碳量子点溶液采用离心机在12000-16000rpm条件下离心10-30min除去固体杂质，取上层清液即为制得的碳量子点。

实施例2：

本实施例将实施例1制备的碳量子点溶液应用到细胞成像方面，先将HeLa细胞(10⁶细胞/样品)放置在35mm大小的载玻片上，制备含碳量子点溶液浓度1/10的新鲜DMEM溶液，在37℃下用制备的DMEM溶液孵育HeLa细胞1h得到孵育细胞；再在室温下，将所有孵育细胞用磷酸盐缓冲溶液冲洗三次去除多余的未吸收的碳量子点，选择488nmAr离子激光器对孵育细胞进行激发，并将孵育细胞通过LEICATCS SP2激光扫描共聚焦显微镜采集获得图像，并进一步采集随时间变化某一固定区域的细胞成像情况，图3A中左图为荧光图，右图为明场图，可见细胞成像效果显著。

本实施例对细胞毒性进行测试，将细胞用含不同浓度的碳量子点的DMEM溶液进行孵育24小时，然后加入10mL含有5mg mL^-1的MTT溶液，在现有细胞培养条件5％CO₂、37℃下继续孵育4小时，最后用100μL二甲基亚砜使结晶物充分溶解，在酶联免疫检测仪490nm处测量各孔的吸光值，测量结果如图3B所示，未经过碳量子点溶液孵育的细胞活性设定为100％，则经不同浓度的碳量子点孵育后，细胞活性能保持70％以上，同时荧光强度随时间变化较小。

本实施例首次将离子液体功能化的碳量子点应用于有效细胞成像，实验结果说明电解碳印刷电极产生的碳量子点能成功地被细胞吸收，碳量子点良好的光谱特性可以用作有效的生物成像试剂，同时该碳量子点具有低毒、稳定且受光漂白影响较小的特性。

实施例3：

本实施例将实施例1制备的碳量子点溶液应用到增强电化学发光方面的应用，采用CH800伏安分析仪进行伏安曲线扫描实验，采用MPI-A型毛细管电泳电化学发光检测仪(西安瑞迈分析仪器有限责任公司，西安，中国)检测电化学发光信号强度，检测过程中光电倍增管(PMT)的电压设定为800V来收集电化学发光信号，先将碳电极印刷到芯片基底上形成整个芯片系统用于电化学发光检测，选择阳离子交换膜Nafion建立固态的电化学发光传感器，先取20μL碳量子点溶液分散在同体积的1.0wt％的Nafion溶液中超声得到一种均一、分散良好的Nafion/CNDs混合溶液，同时分别制备0.5wt％的纯Nafion溶液和Nafion(0.5wt％)/离子液体(0.05M)分散液，准备三个印刷有碳电极的芯片，分别滴上15μL已制备好的Nafion、Nafion/IL和Nafion/CNDs溶液，用红外线灯加热60s蒸去溶剂后再分别滴加20μL 5.0mM三联吡啶钌水溶液，孵育1h得到电极，将制备的电极(Nafion/三联吡啶钌,Nafion/离子液体/三联吡啶钌,Nafion/碳量子点/三联吡啶钌)用去离子水彻底冲洗去除未固定的三联吡啶钌，在100mM pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液中以100mV s^-1的扫描速度扫描获得循环伏安曲线和电化学发光信号，循环伏安曲线和电化学发光强度相对时间的扫描曲线分别如图4A和图4B所示，由图4A和图4B的曲线a可以看出，在Nafion/三联吡啶钌电极上，阳极和阴极峰电流以及电化学发光强度都很小，说明纯Nafion可用于固定三联吡啶钌，但其本身容量有限；由图4A和图4B的曲线b可以看出，在Nafion/离子液体/三联吡啶钌电极上，所获得的峰电流和电化学发光强度比曲线a增强，表明Nafion/离子液体复合膜对于阳离子三联吡啶钌的交换容量比纯的Nafion膜强；由图4A和图4B的曲线c可以看出，在Nafion/碳量子点/三联吡啶钌电极上，可得到三者中最大峰电流、最强电化学发光强度和最小ΔE_p值，所得传感器稳定、重现，该电极的电化学发光强度是采用Nafion作为离子交换膜时的电化学发光强度的15倍左右,表明该修饰电极具有更好的电导率，更有利于三联吡啶钌的电子转移。

本实施例采用的碳量子点对于固态电化学发光传感器建立的积极效果主要由于以下几点原因：一是所制得的碳量子点表面具有羧基等基团，使其表面具有负电荷，与带正电荷的三联吡啶钌存在静电吸引作用，有利于三联吡啶钌的吸附和固定；二是碳量子点属于纳米尺寸，具有较高的比表面积和较高的电导率，从而促进已固定的三联吡啶钌的电化学发光反应的电子传递，进一步增强电化学发光强度；三是碳量子点对三联吡啶钌体系具有催化放大作用，从而增强电化学发光强度，基于本发明所得的碳量子点的纸芯片上固态电化学发光传感器可以应用于三丙胺的检测，最低检测限为2.0nM，这是首次利用碳量子点进行纸芯片上固态电化学发光传感器的建立。

Claims (3)

1.一种用于增强电化学发光检测的方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)、通过现有的丝网印刷技术在芯片上制得碳印刷电极的两电极体系，作为电化学方法中的正极和负极；

(2)、将15-50μL电解液放置在芯片上的电解池内，打开电源，在芯片的正极和负极两端施加3.0-12.0V的直流恒电压反应10-30min得到碳量子点溶液；

(3)、将步骤(2)制备的碳量子点溶液采用离心机在12000-16000rpm条件下离心10-30min除去固体杂质，取上层清液即为制得的碳量子点；

制备的碳量子点能应用到增强电化学发光方面，先将碳电极印刷到芯片基底上形成整个芯片系统用于电化学发光检测，选择阳离子交换膜Nafion建立固态的电化学发光传感器，取20μL碳量子点溶液分散在同体积的1.0wt％的Nafion溶液中超声得到一种均一、分散良好的Nafion/CNDs混合溶液，在印刷有碳电极的芯片上滴加15μLNafion/CNDs混合溶液，用红外线灯加热60s蒸去溶剂后再分别滴加20μL 5.0mM三联吡啶钌水溶液，孵育1h得到Nafion/碳量子点/三联吡啶钌电极，并用去离子水彻底冲洗去除未固定的三联吡啶钌，得到的Nafion/碳量子点/三联吡啶钌电极电化学发光强度为采用Nafion作为离子交换膜时电化学发光强度的15倍。

2.根据权利要求1所述用于增强电化学发光检测的方法，其特征在于所述芯片选自纸芯片、玻璃、聚二甲基硅氧烷和聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。

3.根据权利要求1所述用于增强电化学发光检测的方法，其特征在于采用的电解液包括离子液体水溶液。