CN104974749A - 高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点、其制备方法及应用。该碳量子点是通过将含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃-240℃的温度条件下充分反应后获得。本发明制备的碳量子点具有均匀粒径（主要分布在2-4nm）、高含氮量（可达10wt%）、高荧光量子效率（可达20%）、低细胞毒性等特点，可在细胞成像、活体成像等领域广泛应用，且合成与表面修饰一步完成，工艺简单、成本低廉，可宏量生产，能充分满足产业化应用需求。

Description

高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种量子点材料，尤其涉及一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点及其制备工艺和应用，属于无机非金属纳米材料领域。

背景技术

碳量子点（如下简称为“碳点”）自从2004年被首次发现以来，因其优越的性能引起科学家们的广泛关注。与传统半导体量子点相比，碳点具有以下优越的性能：良好的生物相容性、稳定的光致发光性能、较宽的激发波长范围、发射波长依赖激发波长的特性、表面易于修饰等。因此，碳点有望取代半导体量子点应用于生物标记、生物影像、光电装置以及生物传感器等领域。

目前碳点的化学合成工艺主要包括电化学合成法（Chem. Commun.,  2008, 5116；Angew. Chem. Int. Ed.,  2010, 49, 4430）、燃烧热分解法（Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 6473）、水热法（Adv. Mater.,  2010, 22, 734）、酸氧化法（New J. Chem., 2010, 34, 591）、微波法（Chem. Commun., 2009, 5118）等。但是上述合成方法均存在不足之处，电化学合成法和微波法需要使用特殊的实验装置，实验操作复杂；燃烧热分解法产量低，无法大量制备；水热法需要高温高压条件，操作存在安全隐患；酸氧化法无法控制产物尺寸的均一性，同时会产生大量有害气体。

总之，目前碳点合成还处于起步阶段，合成方法大都存在多步操作、程序繁杂、荧光量子效率低等缺陷。为进一步提高所得碳点的荧光性能，研究者们一直在努力寻找合适的碳源和有效的制备方法。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明的目的之一在于提供一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点。

本发明的目的之二在于提供一种制备所述高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的方法。

本发明的目的之三在于提供所述高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点在生物学领域中的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案:

一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点，是通过将含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得。

进一步的，所述碳量子点的粒径主要分布在2-4 nm，含氮量为5-10wt%，并能够在波长为403 nm的激光的照射下显现出绿色荧光，且荧光量子效率为10-20%。

一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，包括：将质量比为1~5:1的含氮碳源和表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得目标产物。

进一步的，所述含氮碳源可优选为尿素，但不限于此。

进一步的，所述表面修饰分子可优选为聚乙二醇，尤其分子量为600的HOOC-PEG-COOH，但不限于此。

进一步的，所述高沸点醇可优选为丙三醇或一缩二乙二醇，但不限于此。

在一较为优选的实施方案中，该方法可以包括：将所述含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合后在惰性保护气氛中于200-240℃的温度条件下反应1-8 h后获得目标产物。

进一步的，在一较为典型的实施案例中，该方法可以包括：

（1）将尿素与聚乙二醇按照1～5：1的质量体积比（g/ml）和高沸点醇混合，在惰性气体保护下120℃回流1 h除水；

（2）在惰性气体保护下升温至200-240℃充分反应1-8 h后冷却至室温；

（3）将步骤（2）最终所获混合物透析、旋蒸、冻干，得到粘稠状棕色液体，即所述碳量子点。

更为具体的，前述步骤（1）可包括：将尿素（0.1-5 g）、聚乙二醇(0.1-1 mL)和高沸点醇（丙三醇或一缩二乙二醇5-25 mL）混合，在惰性气体保护下120℃回流1小时除水。

如前所述的任一种碳量子点在细胞成像中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

（1）本发明碳量子点具有粒径均匀（主要分布在2-4 nm），含氮量高（可达10%），荧光量子效率高（可达20%），成本低廉、生物相容性好等优点，可在细胞成像、活体成像等领域广泛应用；

（2）本发明碳量子点的合成与表面修饰一步完成，工艺简单且成本低廉，可宏量生产，能充分满足产业化应用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a-图1b分别是本发明实施例1所获氮掺杂碳量子点的透射电子显微镜照片及尺寸分布统计图；

图2是本发明实施例1所获氮掺杂碳量子点的紫外可见吸收光谱与荧光光谱图，其中实线为紫外可见吸收，点划线为激发谱，虚线为370 nm激发下的荧光光谱；

图3是本发明实施例1所获氮掺杂碳量子点在365 nm紫外光和阳光下的照片；

图4是本发明实施例1所获氮掺杂碳量子点细胞毒性（HeLa细胞）的MTT检测结果；

图5a-5c是本发明实施例1所获氮掺杂碳量子点在明（bright field）、暗（dark field）和融合（merged）视场中的细胞成像（HeLa细胞）照片(403 nm激发)。

具体实施方式

以下结合若干实施例及附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

将3 g尿素、1 mL HOOC-PEG-COOH （Mw 600）加入装有25 mL丙三醇或一缩二乙二醇的三颈烧瓶中，80℃水浴至尿素完全溶解。在惰性气体保护下加热到120℃并保温1 h除水，然后升温至220℃并保温4 h后停止加热。所得混合物采用截留分子量为1K的透析袋透析两天，然后通过旋转蒸发仪浓缩产物，冻干所得到的粘稠状棕色液体即荧光碳点。透射电子显微术分析，碳点尺寸2-4 nm，元素分析测得含氮量9wt%，在365 nm波长激发下显现出明亮的蓝色荧光。

96孔板每孔种1*10⁴个HeLa细胞，培养24 h。分别加入不同浓度（6, 12, 25, 50, 100 和 200 μg/mL）的材料与细胞孵育24 h。每孔加入20 μL MTT溶液（5 mg/mL in PBS），孵育4 h后用酶标仪测试每孔在490 nm处的吸光度。根据吸光度计算材料的细胞毒性，结果表明，即使在200 μg/mL的浓度HeLa细胞依旧有90%以上的存活率。

将1.5*10⁵个细胞（1 mL）种到35 mm 细胞培养皿中培养24 h。将材料（30 μg/mL）与细胞孵育24 h后，吸出培养基，加入1 mL 4% 多聚甲醛固定20 min后用激光共聚焦显微镜进行细胞成像测试，结果表明，这种荧光碳点可以很好地标记细胞。

实施例2

将0.1 g尿素、0.1 mL HOOC-PEG-COOH （Mw 600）加入装有5 mL丙三醇或一缩二乙二醇的三颈烧瓶中，80℃水浴至尿素完全溶解。在惰性气体保护下加热到120℃并保温1 h除水，然后升温至200℃并保温8 h后停止加热。所得混合物采用截留分子量为1K的透析袋透析两天，然后通过旋转蒸发仪浓缩产物，冻干所得到的粘稠状棕色液体即荧光碳点。透射电子显微术分析，碳点尺寸2-4 nm，元素分析测得含氮量6wt%，在365 nm波长激发下显现出明亮的蓝色荧光。

96孔板每孔种1*10⁴个HeLa细胞，培养24 h。分别加入不同浓度（6, 12, 25, 50, 100 和 200 μg/mL）的材料与细胞孵育24 h。每孔加入20 μL MTT溶液（5 mg/mL in PBS），孵育4 h后用酶标仪测试每孔在490 nm处的吸光度。根据吸光度计算材料的细胞毒性，结果表明，即使在200 μg/mL的浓度HeLa细胞依旧有90%以上的存活率。

将1.5*10⁵个细胞（1 mL）种到35 mm 细胞培养皿中培养24 h。将材料（30 μg/mL）与细胞孵育24 h后，吸出培养基，加入1 mL 4% 多聚甲醛固定20 min后用激光共聚焦显微镜进行细胞成像测试，结果表明，这种荧光碳点可以很好地标记细胞。

实施例3

将5 g尿素、1 mL HOOC-PEG-COOH （Mw 600）加入装有25 mL丙三醇或一缩二乙二醇的三颈烧瓶中，80℃水浴至尿素完全溶解。在惰性气体保护下加热到120℃并保温1 h除水，然后升温至240℃并保温1 h后停止加热。所得混合物采用截留分子量为1K的透析袋透析两天，然后通过旋转蒸发仪浓缩产物，冻干所得到的粘稠状棕色液体即荧光碳点。透射电子显微术分析，碳点尺寸2-4 nm，元素分析测得含氮量10wt%，在365 nm波长激发下显现出明亮的蓝色荧光。

96孔板每孔种1*10⁴个HeLa细胞，培养24 h。分别加入不同浓度（6, 12, 25, 50, 100 和 200 μg/mL）的材料与细胞孵育24 h。每孔加入20 μL MTT溶液（5 mg/mL in PBS），孵育4 h后用酶标仪测试每孔在490 nm处的吸光度。根据吸光度计算材料的细胞毒性，即使在200 μg/mL的浓度HeLa细胞依旧有90%以上的存活率。

将1.5*10⁵个细胞（1 mL）种到35 mm 细胞培养皿中培养24 h。将材料（30 μg/mL）与细胞孵育24 h后，吸出培养基，加入1 mL 4% 多聚甲醛固定20 min后用激光共聚焦显微镜进行细胞成像测试，结果表明，这种荧光碳点可以很好地标记细胞。

应当理解，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。又及，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形，而这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点，其特征在于所述碳量子点是通过将含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得。

2.根据权利要求1所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点，其特征在于所述碳量子点的粒径主要分布在2-4 nm，含氮量为5-10wt%，并能够在波长为403 nm的光的激发下显现出绿色荧光，且荧光量子效率为10-20%。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点，其特征在于：所述含氮碳源包括尿素，所述表面修饰分子包括聚乙二醇，所述高沸点醇包括丙三醇或一缩二乙二醇。

4.一种高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于包括：将质量比1~5:1的含氮碳源和表面修饰分子与高沸点醇混合，并在惰性保护气氛中于200℃以上的温度条件下充分反应后获得目标产物。

5.根据权利要求4所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于所述碳量子点的粒径主要分布在2-4 nm，含氮量为5-10wt%，并能够在波长为403 nm的光的激发下显现出绿色荧光，且荧光量子效率为10-20%。

6.根据权利要求4-5中任一项所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于所述含氮碳源包括尿素。

7.根据权利要求4-5中任一项所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于所述表面修饰分子包括聚乙二醇。

8.根据权利要求4-5中任一项所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于所述高沸点醇包括丙三醇或一缩二乙二醇。

9.根据权利要求4-5中任一项所述的高荧光量子产率的氮掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于包括：将所述含氮碳源、表面修饰分子与高沸点醇混合后在惰性保护气氛中于200-240℃的温度条件下反应1-8 h后获得目标产物。

10.权利要求1-9中任一项所述碳量子点在细胞成像或生物活体组织成像中的应用。