CN105018083B - 一种用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法。采用的技术方案是：将适量核酸碱基作为碳源，用氢氧化钠溶液完全溶解，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中加热；待反应结束，自然冷却至室温，离心，取上清液，调节pH值到中性，冷冻干燥，即得目标产物碳点，于4℃保存。所述的核酸碱基为腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤或胞嘧啶。本发明制备的碳点用于荧光纳米温度计，溶液稳定性好，对温度具有高灵敏性，且对温度具有可逆的响应性，通过碳点荧光强度的变化可以监测碳点溶液温度的变化。
Description
技术领域
本发明属于荧光纳米材料和高分子材料领域，具体涉及一种用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法及其应用。
背景技术
温度是最基本的物理量之一，在物理、化学和生物学等领域有着至关重要的作用。在工业生产制造过程中,对温度进行实时监控，可以优化生产过程，减少废料产生，降低能量损耗。在一些生物工程学和生物化学领域，通过监测细胞内一些微小的温度改变，能够精确地和定量地反映生理活动信息。
在现代生物医学中，为了实现细胞内的温度传感，观察细胞的高分辨率荧光成像，纳米温度计应运而生。纳米温度计是一个分辨率低于一度，并且能够集成到活细胞内的纳米级的温度计。纳米温度计可以在单个细胞中，或者体积小于10-18L的受限空间中工作，实现温度的检测和传感。
目前，用于纳米温度计的纳米材料的制备方法通常是在纳米材料的表面引入化学发光基团或者荧光基团。然而这些方法通常涉及大量的化学合成反应步骤，并且这些引入的发光基团或者选取的纳米材料通常带有一定的毒性，大大限制了纳米温度计进一步的应用和发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种没有毒性，溶液稳定性好，并且对温度具有高灵敏性的用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，用该碳点作为荧光纳米温度计对温度具有可逆的响应性，通过碳点荧光强度的变化可以监测碳点溶液温度的变化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，包括如下步骤：
1)将适量核酸碱基作为碳源，用氢氧化钠溶液完全溶解，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中加热；
2)待反应结束，自然冷却至室温，离心，取上清液，调节pH值到中性，冷冻干燥，即得目标产物碳点，于4℃保存。
上述的用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，所述的核酸碱基为腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤或胞嘧啶。
上述的用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，核酸碱基与氢氧化钠的摩尔比为1:100～1000。
上述的用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，步骤1)中，马弗炉加热温度为150-240℃，加热时间为10-15小时。
上述的用于荧光纳米温度计的碳点的制备方法，步骤2)中，透析用透析袋的截留分子量为1-14kDa。
本发明，通过上述方法制备的用于荧光纳米温度计的碳点为粒径为1-20nm且均匀分布的球状颗粒，碳点表面没有经过钝化或者改性，碳点自身具有温敏性。
本发明制备的碳点可作为荧光纳米温度计在生物工程学和生物化学中应用。
所述的应用，方法如下：将制备的碳点加入到适量溶剂中，得到含有碳点的溶液，改变溶液的温度，监测溶液的荧光强度。改变溶液的温度，碳点的荧光强度随温度的升高而降低，随温度的降低而升高，并且这种荧光变化具有可逆性。
上述的应用，所述的溶剂为水溶液、乙醇溶液、氯仿溶液或细胞溶液。
上述的应用，所述的含有碳点的溶液中，碳点浓度为0.1-100mg/mL。
上述的应用，所述的改变溶液的温度，温度变化范围为1-100℃。
本发明制备的碳点作为荧光纳米温度计对温度响应的原理：
碳点，是以碳原子为骨架结构，尺寸小于20nm，具有荧光性能的类球形的纳米颗粒。本发明在碳点的基础上，提供了一种新型的荧光纳米温度计。该纳米温度计是一个没有经过钝化或者改性的碳点。该荧光碳点具有温敏性的主要原因在于其表面具有非辐射的电子空穴，并且碳点的荧光性能与电子空穴的含量密切相关。电子空穴越多，碳点的荧光强度随之降低。在低温时，非辐射的电子空穴的通道处于未被激活的状态，电子受激发后可以产生光子；当温度升高时，非辐射的电子空穴的通道的数量开始增加，且通道由未激活状态向激活状态转变，导致越来越多的受激电子通过电子空穴向基态转变，从而碳点的荧光强度明显下降甚至猝灭，因此能够通过碳点荧光强度的变化监测碳点溶液温度的变化。
本发明的有益效果是：本发明基于碳点的荧光纳米温度计具有优良的化学稳定性，生物相容性以及低毒性，同时光学性能良好，尤其适合在生物学研究领域的应用，例如生物成像等方面；这种荧光纳米温度计的荧光光谱能够伴随温度的改变进行重复可逆的变化，并且荧光强度在多次使用后仍没有衰减；其制备方法工艺简单、易于操作，制备成本低，易于推广。
本发明制备的碳点，粒径为1-20nm，且为均匀分布的球状颗粒，碳点表面没有经过钝化或者改性，碳点没有毒性，因此可用于生物学领域，通过监测细胞内一些微小的温度改变，能够精确地和定量地反映生理活动信息。
附图说明
图1是实施例1腺嘌呤制备的碳点的电镜扫描图。
图2是实施例1腺嘌呤制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温的荧光变化谱图。
图3是实施例1腺嘌呤制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温425nm处的荧光强度变化图。
图4是实施例1腺嘌呤制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温的荧光变化谱图。
图5是实施例1腺嘌呤制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温425nm处的荧光强度变化图。
图6是实施例2胸腺嘧啶制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温的荧光变化谱图。
图7是实施例2胸腺嘧啶制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温400nm处的荧光强度变化图。
图8是实施例2胸腺嘧啶制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温的荧光变化谱图。
图9是实施例2胸腺嘧啶制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温400nm处的荧光强度变化图。
图10是实施例3鸟嘌呤制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温的荧光变化谱图。
图11是实施例3鸟嘌呤制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温425nm处的荧光强度变化图。
图12是实施例3鸟嘌呤制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温的荧光变化谱图。
图13是实施例3鸟嘌呤制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温425nm处的荧光强度变化图。
图14是实施例4胞嘧啶制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温的荧光变化谱图。
图15是实施例4胞嘧啶制备的碳点从30℃到100℃逐渐升温400nm处的荧光强度变化图。
图16是实施例4胞嘧啶制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温的荧光变化谱图。
图17是实施例4胞嘧啶制备的碳点从100℃到30℃逐渐降温400nm处的荧光强度变化图。
具体实施方式
以下通过非限定性实例进一步详细说明本发明。
实施例1腺嘌呤碳点的制备
称取0.6756g(5mmol)腺嘌呤(A)，溶于10mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中于180℃加热12小时，待样品冷却至室温后。在12000转/分钟下离心20分钟，取上清液。调节pH值到中性。以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时。将溶液取出，冷冻干燥得到碳点，于4℃下保存，即为腺嘌呤碳点(A-CD)。
将制备的腺嘌呤碳点(A-CD)进行电镜扫描，结果如图1所示，从图1可见，制备的腺嘌呤碳点(A-CD)平均粒径为15nm，且分布均匀，成均匀分布的球形颗粒。
实施例2胸腺嘧啶碳点的制备
称取0.6306g(5mmol)胸腺嘧啶(T)，溶于10mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中于180℃加热12小时，待样品冷却至室温后。在12000转/分钟下离心20分钟，取上清液。调节pH值到中性。以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时。将溶液取出，冷冻干燥得到碳点，于4℃下保存，即为胸腺嘧啶碳点(T-CD)。
实施例3鸟嘌呤碳点的制备
称取0.3020g(2mmol)鸟嘌呤(G)，溶于10mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中于180℃加热12小时，待样品冷却至室温后。在12000转/分钟下离心20分钟，取上清液。调节pH值到中性。以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时。将溶液取出，冷冻干燥得到碳点，于4℃下保存，即为鸟嘌呤碳点(G-CD)。
实施例4胞嘧啶碳点的制备
称取0.5550g(5mmol)胞嘧啶(C)，溶于10mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中于180℃加热12小时，待样品冷却至室温后。在12000转/分钟下离心20分钟，取上清液。调节pH值到中性。以截留分子量为14kDa的透析袋透析48小时。将溶液取出，冷冻干燥得到碳点，于4℃下保存，即为胞嘧啶碳点(C-CD)。
实施例5荧光纳米温度计的温敏性检测
选取实施例1制备的A-CD样品，溶于水中，制成浓度为50mg/mL的溶液。在30℃，35℃，40℃，45℃，50℃，55℃，60℃，65℃，70℃，75℃，80℃，85℃，90℃，95℃，100℃逐渐升温的状态下，利用荧光分光光度计于340nm处激发进行荧光检测；再分别于100℃，95℃，90℃，85℃，80℃，75℃，70℃，65℃，60℃，55℃，50℃，45℃，40℃，35℃，30℃逐渐降温的状态下，利用荧光分光光度计于340nm处激发进行荧光检测。
实施例2-4制备的T-CD、G-CD、C-CD样品，方法同上，分别利用荧光分光光度计于340nm、350nm、350nm处激发进行荧光检测。
(一)腺嘌呤碳点(A-CD)
图2和图3分别是A-CD从30℃到100℃逐渐升温的荧光谱图，从图2可见，在425nm左右处都具有最大荧光强度。图3为在340nm处激发下425nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图3可以看出，随着温度的逐渐增加，A-CD的荧光强度呈线性关系逐渐降低。
图4和图5分别是A-CD从100℃到30℃逐渐降温的荧光谱图，从图4可见，在425nm左右处都具有最大荧光强度。图5为在340nm处激发下425nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图5可以看出，随着温度的逐渐降低，A-CD的荧光强度呈线性关系逐渐升高。
图2-图5表明，本发明制备的腺嘌呤碳点(A-CD)，用于荧光纳米温度计，对温度变化有着极为优秀的响应性，且可逆性良好。因此可以通过检测该荧光纳米温度计的荧光强度来判断碳点周围环境的大致温度。
(二)胸腺嘧啶碳点(T-CD)
图6和图7分别是T-CD从30℃到100℃逐渐升温的荧光谱图，从图6可见，在400nm左右处都具有最大荧光强度。图7为在340nm处激发下400nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图7可以看出，随着温度的逐渐增加，T-CD的荧光强度呈线性关系逐渐降低。
图8和图9分别是T-CD从100℃到30℃逐渐降温的荧光谱图，从图8可见，在400nm左右处都具有最大荧光强度。图9为在340nm处激发下400nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图9可以看出，随着温度的逐渐降低，T-CD的荧光强度呈线性关系逐渐升高。
图6-图9表明，本发明制备的胸腺嘧啶碳点(T-CD)，用于荧光纳米温度计，对温度变化有着极为优秀的响应性，且可逆性良好。因此可以通过检测该荧光纳米温度计的荧光强度来判断碳点周围环境的大致温度。
(三)鸟嘌呤碳点(G-CD)
图10和图11分别是G-CD从30℃到100℃逐渐升温的荧光谱图，从图10可见，在425nm左右处都具有最大荧光强度。图11为在350nm处激发下425nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图11可以看出，随着温度的逐渐增加，G-CD的荧光强度呈线性关系逐渐降低。
图12和图13分别是G-CD从100℃到30℃逐渐降温的荧光谱图，从图12可见，在425nm左右处都具有最大荧光强度。图13为在350nm处激发下425nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图13可以看出，随着温度的逐渐降低，G-CD的荧光强度呈线性关系逐渐升高。
图10-图13表明，本发明制备的鸟嘌呤碳点(G-CD)，用于荧光纳米温度计，对温度变化有着极为优秀的响应性，且可逆性良好。因此可以通过检测该荧光纳米温度计的荧光强度来判断碳点周围环境的大致温度。
(四)胞嘧啶碳点(C-CD)
图14和图15分别是C-CD从30℃到100℃逐渐升温的荧光谱图，从图14可见，在400nm左右处都具有最大荧光强度。图15为在350nm处激发下400nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图15可以看出，随着温度的逐渐增加，C-CD的荧光强度呈线性关系逐渐降低。
图16和图17分别是C-CD从100℃到30℃逐渐降温的荧光谱图，从图16可见，在400nm左右处都具有最大荧光强度。图17为在350nm处激发下400nm处的荧光强度随环境温度变化曲线，由图17可以看出，随着温度的逐渐降低，C-CD的荧光强度呈线性关系逐渐升高。
图14-图17表明，本发明制备的胞嘧啶碳点(C-CD)，用于荧光纳米温度计，对温度变化有着极为优秀的响应性，且可逆性良好。因此可以通过检测该荧光纳米温度计的荧光强度来判断碳点周围环境的大致温度。
综上可见，从制备过程来看，本发明的方法，原料价格低廉，方法简单易行，且无需聚合物修饰或钝化，而且使用核酸碱基制备的碳点具有优秀的温度响应性。这种荧光纳米温度计的荧光光谱能够伴随温度的变化进行可逆的变化，并且荧光强度没有衰减。鉴于这些优秀的性能，这种纳米温度计有望在细胞成像和温度传感领域开展应用研究。
Claims (7)
1.一种用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于，所述碳点作为荧光纳米温度计用于生物工程学和生物化学中，所述碳点的制备方法包括如下步骤：
1)将适量核酸碱基作为碳源，用氢氧化钠溶液完全溶解，置于具有聚四氟乙烯内胆的水热反应釜中，在马弗炉中加热，加热温度为150-240℃，加热时间为10-15小时；所述的核酸碱基为腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤或胞嘧啶；
2)待反应结束，自然冷却至室温，离心，取上清液，调节pH值到中性，进行透析，冷冻干燥，即得目标产物碳点，于4℃保存。
2.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：核酸碱基与氢氧化钠的摩尔比为1:100～1000。
3.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：步骤2)中，透析用透析袋的截留分子量为1-14kDa。
4.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：应用方法如下：将制备的碳点加入到适量溶剂中，得到含有碳点的溶液，改变溶液的温度，监测溶液的荧光强度。
5.根据权利要求4所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：所述的溶剂为水溶液、乙醇溶液、氯仿溶液或细胞溶液。
6.根据权利要求4所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：所述的含有碳点的溶液中，碳点浓度为0.1-100mg/mL。
7.根据权利要求4所述的用于荧光纳米温度计的碳点，其特征在于：所述的改变溶液的温度，温度变化范围为1-100℃。
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