CN105131947B - 一种用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点及其制备方法和应用。所述的复合壳层碳点是粒径为1‑50nm且均匀分布的球状颗粒，具有一个碳点核心和一个复合亲水聚合物壳层；所述的复合亲水聚合物壳层由两种亲水性聚合物链段组成，其中一种亲水性聚合物具有温敏性；另一种亲水性聚合物不具有温敏性；所述的两种亲水性聚合物的分子量分别为2‑30kDa，且两种亲水性聚合物的分子量相差不超过5kDa。本发明的碳点没有毒性，溶液稳定性好，并且对温度具有高灵敏性，用该复合壳层碳点作为纳米温度计对温度具有可逆的响应性，通过碳量子点荧光强度的变化可以监测碳量子点溶液温度的变化。

Description

一种用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点及其制备方法和 应用

技术领域

本发明属于荧光纳米材料和高分子材料领域，具体涉及一种基于复合壳层碳点的荧光纳米温度计。

背景技术

在物理、化学和生物学等领域，温度是最基本的物理量之一。测量温度是科研和工业生产等领域的基础工作之一。随着科学技术的不断发展，在微观环境中测量温度的要求也越来越高。例如，在一些生物研究领域，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。

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复合壳层碳点，用该复合壳层碳点作为纳米温度计对温度具有可逆的响应性，通过碳量子点荧光强度的变化可以监测碳量子点溶液温度的变化。

本发明的另一目的是提供用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法。

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复合壳层碳点，所述的复合壳层碳点是粒径为1-50nm且均匀分布的球状颗粒，具有一个碳点核心和一个复合亲水聚合物壳层；所述的复合亲水聚合物壳层由两种亲水性聚合物链段组成，其中一种亲水性聚合物具有温敏性；另一种亲水性聚合物不具有温敏性；所述的两种亲水性聚合物的分子量分别为2-30kDa，且两种亲水性聚合物的分子量相差不超过5kDa。

上述的一种用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点，所述的具有温敏性的亲水性聚合物为聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)；所述的不具有温敏性的亲水性聚合物为聚乙二醇(PEG)。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，包括以下步骤：

1)以氨基酸作为碳源，将适量氨基酸、聚异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇，溶于氢氧化钠溶液中；

2)将混合液置于微波炉中加热；

3)待反应结束，自然冷却至室温，用超纯水溶解，离心，取上清液，调节pH值至中性，进行透析，冷冻干燥，得到复合壳层碳点，于4℃保存。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，所述的氨基酸为天门冬氨酸、赖氨酸、丙氨酸或精氨酸。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，按摩尔比，氨基酸:聚异丙基丙烯酰胺:聚乙二醇:氢氧化钠＝1:0.01-0.05:0.01-0.05:0.01-0.05。优选的，按摩尔比，氨基酸:聚异丙基丙烯酰胺:聚乙二醇:氢氧化钠＝1:10^-2:10^-2:10^-2。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，微波炉加热功率为600-750W，加热时间为1-10分钟。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，透析用透析袋的截留分子量为1～14kDa。

上述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点作为荧光纳米温度计在生物工程学和生物化学中的应用。

上述的应用，方法如下：将制备的复合壳层碳点加入到适量溶剂中，得到含有复合壳层碳点的溶液，改变溶液的温度，监测溶液的荧光强度。改变溶液的温度，复合壳层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；所述的含有复合壳层碳点的溶液，复合壳层碳点浓度为0.1-100mg/mL。

本发明制备的复合壳层碳点作为荧光纳米温度计对温度响应的原理：

碳量子点，简称碳点，是以碳原子为骨架结构，尺寸小于50nm的具有荧光性能的类球形的纳米颗粒。本发明在荧光碳点的基础上，制备了一种新型的纳米温度计。该纳米温度计具有一个碳点核心和一个复合亲水聚合物壳层，复合壳层由两种亲水性的聚合物链段组成，其中一种聚合物是具有温敏性的PNIPAM，另一种是非温敏性的PEG。当温度高于PNIPAM的最低临界溶解温度时，处于壳层的PNIPAM发生相转变，由亲水性转变为疏水性，疏水坍缩的PNIPAM形成了一个新的壳层，而亲水性的PEG作为冠层稳定在外部，阻止了复合壳层碳点之间的聚集，使新形成的核-壳-冠结构，从而使复合壳层碳点能够稳定存在；不同温度能够影响PNIPAM的亲疏水相变状态以及分子链的结构状态，进一步影响PNIPAM壳层与碳点核心之间的相互作用，最终导致碳点的荧光性能的变化，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。

本发明的优点是：本发明基于复合壳层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；通过调节两种聚合物的比例，可以灵活的调控该荧光纳米温度计对温度的响应灵敏性；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。

附图说明

图1是实施例1制备的丙氨酸碳点的电镜扫描图。

图2是对比例1未用聚合物修饰的丙氨酸碳点在25℃与50℃下的荧光谱图。

图3是对比例2PEG修饰的丙氨酸碳点在25℃与50℃下的荧光谱图。

图4是对比例3PNIPAM修饰的丙氨酸碳点在25℃与50℃下的荧光谱图。

图5是本发明实施例1复合壳层丙氨酸碳点在25℃与50℃下的荧光谱图。

图6是本发明实施例1复合壳层丙氨酸碳点随温度逐渐变化的荧光变化谱图。

图7是本发明实施例1复合壳层丙氨酸碳点随温度逐渐变化的温度-荧光强度曲线图。

图8是本发明复合壳层丙氨酸碳点在25℃与50℃之间反复升温-降温的荧光谱图。

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用于荧光纳米温度计的复合壳层丙氨酸碳点

(一)复合壳层丙氨酸碳点的制备

称取0.5g丙氨酸，0.2g聚乙二醇(PEG分子量为4kDa)和0.4g聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM分子量为8kDa)，溶于8mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，在家用微波炉中于700W下加热2分40秒，待样品冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。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，得到复合壳层丙氨酸碳点，于4℃下保存。

将制备的复合壳层丙氨酸碳点，进行电镜扫描，结果如图1所示，从图1可见，制备的复合壳层丙氨酸碳点平均粒径为10nm，且分布均匀，成均匀分布的球形颗粒。

(二)对比例1未用聚合物修饰的丙氨酸碳点的制备

称取0.5g丙氨酸，溶于8mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，在微波炉中于700W下加热2分40秒，待样品冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。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，得到未用聚合物修饰的丙氨酸碳点，于4℃下保存。

(三)对比例2 PEG修饰的丙氨酸碳点的制备

称取0.5g丙氨酸，0.2g聚乙二醇(分子量为4kDa)，溶于8mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，在微波炉中于700W下加热2分40秒，待样品冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。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PEG修饰的丙氨酸碳点，于4℃下保存。

(四)对比例3 PNIPAM修饰的丙氨酸碳点的制备

称取0.5g丙氨酸，0.4g聚异丙基丙烯酰胺(分子量为8kDa)，溶于8mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，在家用微波炉中于700W下加热2分40秒，待样品冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。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PNIPAM修饰的丙氨酸碳点，于4℃下保存。

将上述制备的丙氨酸碳点，分别溶于水中，分别得到浓度为50mg/mL的溶液，在25℃和50℃下，利用荧光分光光度计进行荧光检测，结果如图2-图5所示。

由图2-图5可见，未用聚合物修饰的丙氨酸碳点与用PEG修饰的丙氨酸碳点，在25℃和50℃下荧光均无较大变化，证明两种碳点均为温度响应性；PNIPAM修饰的丙氨酸碳点，在25℃和50℃下荧光出现明显变化，证明PNIPAM修饰的丙氨酸碳点具有温敏性，加热后碳点不稳定，进行团聚导致荧光强度大大减弱；复合壳层丙氨酸碳点在25℃和50℃下荧光明显变化，出现多个发射峰，且荧光强度有所增加，证明复合壳层丙氨酸碳点由于PNIPAM的修饰具有了良好的温度响应性，同时由于PEG的修饰使其在高温情况下结构稳定不团聚，因此复合壳层丙氨酸碳点制备成功。

实施例2不同比例PEG和PNIPAM修饰的复合壳层丙氨酸碳点的制备

称取0.5g丙氨酸，PEG和PNIPAM按摩尔比例4:1，3:2，1:1，2:3和1:4进行混合组成0.1mmol的聚合物总量，分别溶于8mL(0.5M)氢氧化钠溶液中，完全溶解后，在家用微波炉中于700W下分别加热2分40秒，待样品冷却至室温后，用10mL超纯水溶解。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，于4℃下保存。

随着PEG和PNIPAM摩尔比例(4:1，3:2，1:1，2:3和1:4)的逐渐降低制备出的丙氨酸碳点，温度响应性逐渐升高，稳定性逐渐降低，最优制备条件为PEG和PNIPAM按摩尔比例1:1，达到的效果最好。

实施例3荧光纳米温度计的温敏性检测

选取实施例1制备的复合壳层丙氨酸碳点样品，分别在20℃，23℃，26℃，29℃，32℃，35℃，38℃，41℃，44℃，47℃，50℃状态下，利用荧光分光光度计进行荧光检测。结果如图6和图7所示。

图6是荧光纳米温度计随温度逐渐变化的荧光变化谱图。由图中可以看出，在PNIPAM的临界溶解温度附近，复合壳层碳点的荧光发射光谱发生了根本性的变化，这表明该荧光纳米温度计具有良好的温敏性，并且其响应温度与温敏性聚合物的临界溶解温度密切相关，因此可以通过调节温敏性聚合物的临界溶解温度来调节该荧光纳米温度计的响应温度。

图7是复合壳层丙氨酸碳点随温度逐渐变化的温度-荧光强度曲线图。由图7可见，本发明制备的复合壳层丙氨酸碳点，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。

实施例4荧光纳米温度计的稳定性检测

选取实施例1制备的复合壳层丙氨酸碳点样品，在25℃下，利用荧光分光光度计于320nm处进行荧光检测。将样品升温至50℃，且温度保持十分钟，利用荧光分光光度计于320nm处进行荧光检测。然后将样品再降温至25℃，且温度保持十分钟，利用荧光分光光度计于320nm处进行荧光检测。如此循环四次。

图8是复合壳层碳点在25℃与50℃之间反复升温-降温的荧光谱图。由图中可以看出，在重复多次的升温-降温实验中，荧光纳米温度计的荧光强度均无明显下降，这说明该荧光纳米温度计具有良好的稳定性，可重复多次使用。

从制备过程来看，使用PEG与PNIPAM共同修饰的复合壳层碳点具有最好的温度响应性，以及溶液稳定性。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 (8)

1.一种用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以氨基酸作为碳源，将适量氨基酸、聚异丙基丙烯酰胺和聚乙二醇，溶于氢氧化钠溶液中；

2)将混合液置于微波炉中加热；

3)待反应结束，自然冷却至室温，用超纯水溶解，离心，取上清液，调节pH值至中性，进行透析，冷冻干燥，得到复合壳层碳点，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复合壳层碳点的制备方法，其特征在于：所述的氨基酸为天门冬氨酸、赖氨酸、丙氨酸或精氨酸。

3.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，其特征在于：按摩尔比，氨基酸:聚异丙基丙烯酰胺:聚乙二醇:氢氧化钠＝1:0.01-0.05:0.01-0.05:0.01-0.05。

4.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，其特征在于：微波炉加热功率为600-750W，加热时间为1-10分钟。

5.根据权利要求1所述的用于荧光纳米温度计的复合壳层碳点的制备方法，其特征在于：透析用透析袋的截留分子量为1～14kDa。

6.按照权利要求1所述的方法制备的复合壳层碳点作为荧光纳米温度计在生物工程学和生物化学中的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于方法如下：将制备的复合壳层碳点加入到适量溶剂中，得到含有复合壳层碳点的溶液，改变溶液的温度，监测溶液的荧光强度。

8.根据权利要求7所述的应用，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；所述的含有复合壳层碳点的溶液，复合壳层碳点浓度为0.1-100mg/mL。