CN105542764A - 一种高量子产率的黄色荧光碳点及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高量子产率的黄色荧光碳点，是将有机酸与有机胺溶于水中，充分混合后经微波辐射得到褐色固体粗产物；再用水和甲醇混合溶液为淋洗剂，经反相硅胶柱色谱纯化而得。该荧光碳点平均粒径在3.0~4.0纳米；在紫外灯照射下发出明亮的黄色荧光，激发波长为400~420纳米，发射波长为510~550，并展现出固体发光特性，量子产率可达44%。本发明制备的荧光碳点水溶性好，荧光信号稳定，适合于生理条件下的细胞成像，并具有细胞核染色的功能，可广泛应用于分析检测、生化传感、生物成像、生物标记等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种荧光碳纳米材料，尤其涉及一种高量子产率的黄色荧光碳点及其制备，主要用于生理条件下进行生物成像与生物标记。
背景技术
作为碳材料家族的新成员，碳点是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后最热门的碳纳米材料之一。碳点通常由C、H、O、N四种基本元素组成，粒径一般小于10纳米，具有良好的光学性质，其发光范围可调，光稳定性好。与传统的有机染料和半导体量子点相比，荧光碳点具有良好的水溶性和化学稳定性，易于功能化，低的细胞毒性和优秀的生物相容性等优点，一经发现便引起人们极大的研究兴趣，并在生化传感、生物成像和标记、光电转换及催化等领域展现出巨大的应用潜力。近年来，众多研究者对碳点的制备、发光机理和生物学应用展开了大量的研究，取得了较大进展。利用不同的原料，不同的方法制备了结构、组成相似或有差异的一系列荧光碳点，并尝试在各种体系中有效利用碳点的荧光特性，这些进展丰富了荧光碳点在化学科学和生物科学及其交叉领域中的应用。
然而，在碳点研究中依然存在两个关键问题：其一，荧光碳点的量子产率偏低，亟需提高；其二，绝大多数荧光碳点发射蓝色荧光，而发射波长较长的荧光碳点报道较少。由于生物组织的自体荧光多为蓝色，蓝色荧光碳点在应用于生物成像时不利于靶信号与背景信号的区分；此外，蓝色光对组织的穿透性差，限制了体内深层组织的光学成像。虽然有些激发波长依赖的荧光碳点可以通过调节激发波长来调控发射波长，但非蓝光发射的量子产率迅速降低，限制了其在生物学中的应用。因此，发展高量子产率的长波长发射的荧光碳点，是荧光碳点在生物成像与标记领域应用的前提条件。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术研究碳点中存在的问题，提供一种高量子产率的黄色荧光碳点；本发明的另一目的是提供一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法。
一、黄色荧光碳点的制备
本发明涉及一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备，是将有机酸与有机胺溶于水中，充分混合后经微波辐射得到得到褐色固体粗产物；再经水和甲醇混合溶液淋洗，反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。
有机酸为乙二酸、马来酸、对苯二甲酸、苹果酸、乌头酸、氨三乙酸、均苯三甲酸或乙二胺四乙酸中的一种；有机胺为巯基乙胺、氨基乙醇、乙二胺、尿素、对苯二胺或支化聚乙烯亚胺中的一种；有机酸与有机胺的质量比为1:100～1:0.01。有机酸、有机胺溶于水中时，混合溶液的浓度为0.06～2.4g/ml。
所述微波辐射的功率为300～900W，持续时间为2～10min。
二、黄色荧光碳点的结构与性能
下面通过透射电镜照片、粒径分布图、激发和发射光谱图以及活细胞成像图对本发明制备的荧光碳点形貌、性能及用途进行分析说明。
1、荧光碳点的形貌分析
图1为本发明所述的黄色荧光碳点的透射电镜照片。从图中可以看出，本发明所制备的荧光碳点是一种近似球型的碳纳米材料，分散性较好。
图2为本发明所述的黄色荧光碳点的粒径分布图。依赖于所用前驱体和制备条件，本发明所制备荧光碳点的平均粒径在3.0~4.0纳米之间，图2给出的荧光碳点平均粒径为3.6纳米。
2、荧光碳点的激发和发射光谱分析
图3为本发明所述黄色荧光碳点的激发和发射光谱图。本发明制备的黄色荧光碳点易溶于水，其水溶液在紫外灯照射下发出明亮的黄色荧光，干燥后其固体在紫外灯下发出黄色荧光。依赖于所用前驱体和制备条件，所制备碳点的最佳激发波长在400420纳米之间，最佳发射波长在510～550纳米之间，图3给出的最佳激发波长为415纳米，最佳发射波长为525纳米。
3、荧光碳点的活细胞成像
图4为本发明所述的黄色荧光碳点的活细胞成像图。其中左图为明场下的细胞成像图，右图为荧光成像图。从图中可以看出，本发明所制备的的荧光碳点极易进入细胞，并呈现出明亮清晰的黄色荧光图像。
4、细胞核染色的功能
现有文献报道的大部分碳点在用于细胞成像时主要分布在细胞膜和细胞质中，很少进入细胞核。而从图4可以清楚看到，本发明所制备的碳点可以进入细胞核中，具有核染色功能。
5、荧光量子产率
经绝对法测定，本发明所得荧光碳点得荧光量子产率高，高达44%。
综上所述，本发明所制备荧光碳点材料在紫外灯照射下发射明亮的黄色荧光，量子产率高，并具有固体发光特性。本发明所制备荧光碳点水溶性好，在高盐溶液和较宽pH范围内光学性质稳定，适合于生理条件下的细胞成像，并具有细胞核染色的功能，可广泛应用于分析检测、生化传感、生物成像、生物标记等领域。另外，本发明所用原料为商业品，廉价易得；工艺简单快速，反应介质仅为水，没有其它有机溶剂参与，绿色环保。
附图说明
图1为本发明所述的黄色荧光碳点的透射电镜照片；
图2为本发明所述的黄色荧光碳点的粒径分布图；
图3为本发明所述的黄色荧光碳点的激发和发射光谱图；
图4为本发明所述的黄色荧光碳点的活细胞成像图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明中黄色荧光碳点的制备、性能和应用作进一步说明。
实施例1
室温下，将0.05克苹果酸与0.2克巯基乙胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，在功率800W下辐射处理3min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为405纳米，发射波长为510纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达38%。
实施例2
室温下，将0.2克乙二胺四乙酸与0.7克氨基乙醇溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，在功率700W下辐射处理5min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为410纳米，发射波长为520纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达41%。
实施例3
室温下，将0.3克均苯三甲酸与0.2克乙二胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，在功率600W下辐射处理7min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为415纳米，发射波长为525纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达44%。
实施例4
室温下，将0.08克乌头酸与0.25克尿素溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，900W处理2min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为420纳米，发射波长为540纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达42%。
实施例5
室温下，将0.4克氨三乙酸与0.8克对苯二胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，500W处理8min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为415纳米，发射波长为530纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达40%。
实施例6
室温下，将0.2克马来酸与0.5克支化聚乙烯亚胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波炉中，400W处理9min，得到褐色固体粗产物，自然冷却室温后用水和甲醇混合溶液淋洗，经反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。其激发波长为420纳米，发射波长为550纳米，并展现出固体发光特性。黄色荧光碳点的量子产率可达39%。
Claims (6)
1.一种高量子产率的黄色荧光碳点，其特征在于：平均粒径在3.0～4.0纳米之间；在紫外灯照射下发出明亮的黄色荧光，激发波长为400～420纳米，发射波长为510～550，并展现出固体发光特性。
2.如权利要求1所述一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法，是将有机酸与有机胺溶于水中，充分混合后经微波辐射得到得到褐色固体粗产物；再经水和甲醇混合溶液淋洗，反相硅胶柱色谱纯化，得到黄色荧光碳点材料。
3.如权利要求2所述一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法，其特征在于：所述有机酸为乙二酸、马来酸、对苯二甲酸、苹果酸、乌头酸、氨三乙酸、均苯三甲酸或乙二胺四乙酸中的一种。
4.如权利要求2所述一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法，其特征在于：所述有机胺为巯基乙胺、氨基乙醇、乙二胺、尿素、对苯二胺或支化聚乙烯亚胺中的一种；有机酸与有机胺的质量比为1:100～1:0.01。
5.如权利要求2所述一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法，其特征在于：所述微波辐射的功率为300～900W，持续时间为2～10min。
6.如权利要求1所述一种高量子产率的黄色荧光碳点的制备方法，其特征在于：所述有机酸、有机胺溶于水中时，混合溶液的浓度为0.06～2.4g/ml。
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