CN105860972A - P掺杂碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了P掺杂碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用，属于纳米材料领域。本发明所述制备方法包括以下步骤：S1以0.2～5.0mol/L的柠檬酸钠溶液为碳源，再加入50～90wt％的磷酸溶液，溶解得到前驱体溶液；S2将步骤S1所得前驱体溶液置于不锈钢高压釜中，密封后反应，冷却至室温得悬浊液；S3以膜法分离步骤S2所得悬浊液；S4干燥步骤S3所得分离后的溶液，得到所述掺磷高致发光的碳量子点。该制备方法所制备的碳量子点荧光产率高达35％，是一般碳量子点的20倍左右，同时由于P元素属于细胞所需元素，比起Zn，Cu等其他元素掺杂制备碳量子点，具有无毒还能提供细胞养分的优点，另外也具有更好的生物相容性。

Description

P掺杂碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用
技术领域
本发明涉及纳米材料领域，特别涉及P掺杂碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用。
背景技术
碳元素是地球上所有已知生命的基础，也是发展绿色化学的基础。近年来碳纳米碳材料的研究进展不断被刷新，至2004年Scrivens等首次在提纯电弧放电法制备的单壁碳纳米管时，意外分离出了碳量子点(Carbon dots，CDs)，随后展开了对CDs荧光特性的研究，再次开拓了新型荧光敏感材料的新纪元。荧光碳量子点是以碳为骨架结构的尺寸小于10nm的类球形的微小的纳米颗粒，具有独特的物理化学性质和优越的发光性能，由此CDs的在各种各样的技术应用方面具有巨大的前景；近年来，半导体量子点以可调节荧光发射性能在生物传感器和生物成像领域中广泛应用。但这些半导体量子点含有重金属具有高毒性，使得其具有一定的局限性。然而，新型的碳量子点与传统的金属半导体量子点相比，不仅拥有与半导体量子点相类似的荧光特性，而且碳量子点发光更稳定、低毒、易于功能化和工业化，制备简单廉价，在发光材料、光电器件、绿色环保、生物医学、金属阳离子和阴离子的生化分析和光催化等领域都拥有重要的应用价值。因此碳量子点一问世，就受到科研人员的高度关注。出色的光学性质和低毒特性使碳量子点成为最具应用前景的环境友好型纳米材料，可应用于生物医学领域。
碳量子点的合成方法主要有“自上而下”和“自下而上”两种途径。制备量子点的碳源非常广泛，既可以是碳单质也可以是化合物。但是，采用不同的原料作为碳源合成出的碳量子点很多荧光很弱，甚至是没有荧光。为了提高所得碳量子点的发光强度，拓宽碳量子点在细胞标记等领域的应用，选择合适的碳源以及有效提高发光强度的制备方法，简易制备水溶性好和发光强度高的碳量子点仍有很大的探索空间，其中元素掺杂是提高荧光强度一种有效的方法。在掺杂的碳量子点中，如何提高其荧光产率，同时保证生物相容性成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有碳量子点制备技术中所存在的荧光量子产率较低及生物相容性差的上述不足，提供一种P掺杂碳量子点的制备方法，该制备方法所制备的掺P高致发光的碳量子点尺寸分布均匀，生物相容性好，没有明显的细胞毒性，可以拓宽其在生物标记领域的应用。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、以0.2～5.0mol/L的柠檬酸钠溶液为碳源，再加入50～90wt％的磷酸溶液，溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于不锈钢高压釜中，密封后在50～300℃条件下反应3～78h，冷却至室温得悬浊液；
S3、以膜法分离步骤S2所得悬浊液；
S4、干燥步骤S3所得分离后的溶液，得到所述P掺杂碳量子点。
进一步地，步骤S1中柠檬酸钠溶液浓度为0.5mol/L。
进一步地，步骤S1中柠檬酸钠溶液与磷酸溶液的体积比为100∶0.5～5。如果柠檬酸钠溶液与磷酸溶液的体积比低于100∶0.5，荧光强度增加不明显，如果柠檬酸钠溶液与磷酸溶液的体积比大于100∶5后，荧光强度也不再明显增加。因此，本发明选择柠檬酸钠溶液与磷酸溶液的体积比为100∶0.5-5，既可以使得荧光强度有显著增加，又使得原料成本最小化。
进一步地，步骤S1中溶解为通过搅拌至溶液澄清。
进一步地，步骤S2中不锈钢高压釜的内衬为聚四氟乙烯。由于反应在强酸条件下进行，对反应容器的耐腐蚀性具有一定要求。
进一步地，步骤S2中反应温度为150～180℃，反应时间为3～12h。
进一步地，步骤S3中分离使用中空纤维膜分离过滤器进行。使用中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离可以保证之前制备的碳量子点的原貌和形状，其表面不会改性。
进一步地，中空纤维膜分离过滤器为截留分子量3kDa，5kDa，10kDa或30kDa中的1种或2种以上的组合。
进一步地，步骤S4中干燥在真空条件下进行，干燥温度为100～150℃，干燥时间为6h。
根据上述制备方法制备的P掺杂碳量子点在细胞成像中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种仅掺杂碳、氢、氧和磷元素的高致发光碳量子点的制备方法。该方法具有工艺简单，制备周期短，制作成本低，所需原料简单易得的优点，同时其重复性好，有利于工业扩大。
2、本发明提供的P掺杂碳量子点的制备方法，其碳量子点荧光产率高达35％，是一般碳量子点的20倍左右，同时由于P元素属于细胞所需元素，比起Zn，Cu等其他元素掺杂制备碳量子点，具有无毒还能提供细胞养分的优点，另外也具有更好的生物相容性。
3、本发明可为生物医疗领域提供一种光学稳定、低毒高效、且生物相容性好的水溶性纳米荧光材料，在生物成像和药物示踪方面有很大的应用前景，能够应用于纳米靶向诊断和靶向治疗等。在疾病的早期诊断、预防和精准治疗方面将起到显著的促进作用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点的TEM图；
图2是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点的XPS图；
图3是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点的AFM图；
图4是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点在不同pH下光致发光强度的变化曲线，显示其优异稳定的PH值图；
图5是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点在不同激发光谱情况下的发射光谱曲线，显示其在不同激发波长下的发射光谱稳定性；
图6是本发明实施例制备的P掺杂荧光碳量子点不同反应时间的荧光效果照片，光源为330nm紫外光，从左到右对应的反应时间分别为3h，4h，5h，6h，7h，8h；
图7是本发明实施例制备的P掺杂荧光碳量子点不同反应温度荧光光谱图，光源为330nm紫外光；
图8为本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点P-Cdots的细胞相容性的MTT法检测图；
图9为本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点P-Cdots进入成人骨肉瘤细胞后的光学显微图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向0.5mol/L的柠檬酸钠溶液中加入85wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶2，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至180℃反应6h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为5kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在130℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
参见附图1，它是本实施例制备的P掺杂荧光碳量子点的透射电镜图，从图1可以看出其晶格间距约为40～50nm。
参见附图2，它是本实施例制备的P掺杂荧光碳量子点的XPS分峰图谱，从图2中可以看出碳量子点存在C-P键和O-P键。
参见附图3，它是本实施例制备的P掺杂荧光碳量子点的原子力显微镜图谱，从图3中可以看出碳量子点的尺寸在3nm到15nm之间。
参见附图4，它是本实施例制备的P掺杂荧光碳量子点在不同pH下光致发光强度的变化曲线图，从图4中可以看出碳量子点在3～11的较宽PH值范围内都保持优异稳定的荧光强度。
参见附图5，它是本发明实施例制备的P掺杂荧光碳量子点在不同激发光谱情况下的发射光谱曲线图，从图5中可以看出碳量子点其在不同激发波长下的发射光谱稳定性。
参见附图9，它是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点P-Cdots进入成人骨肉瘤细胞后的光学显微图。
实施例2
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向0.2mol/L的柠檬酸钠溶液中加入50wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶0.5，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至50℃反应3h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为3kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在100℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
实施例3
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向5mol/L的柠檬酸钠溶液中加入90wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶5，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至200℃反应78h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为30kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在150℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
实施例4
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向2mol/L的柠檬酸钠溶液中加入70wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶3，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至120℃反应54h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为10kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在120℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
实施例5
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向1mol/L的柠檬酸钠溶液中加入60wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶1.5，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至220℃反应36h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为10kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在125℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
实施例6
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向3mol/L的柠檬酸钠溶液中加入65wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶4，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至260℃反应8h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为30kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在110℃下真空干燥6h，得到所述P掺杂碳量子点。
参见附图6，它是本发明实施例制备的P掺杂荧光碳量子点不同反应时间的荧光效果照片，光源为330nm紫外光，从左到右对应的反应时间分别为3h，4h，5h，6h，7h，8h。从图6中可以看出P掺杂荧光碳量子点在反应时间为4h时即具有较理想的荧光效果。
参见附图7，它是本发明实施例制备的P掺杂荧光碳量子点不同反应温度荧光光谱图，光源为330nm紫外光。从图7中可以看出P掺杂荧光碳量子点在反应温度为180℃时具有最佳的荧光发光强度。
参见附图8，它是本发明实施例1制备的P掺杂荧光碳量子点P-Cdots的细胞相容性的MTT法检测图，从图8中可以看出P-Cdots在较宽的浓度范围内均具有很高的细胞生存率。
对比例1
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向0.1mol/L的柠檬酸钠溶液中加入30wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶0.1，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至320℃反应2h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为2kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在200℃下真空干燥3h，得到所述P掺杂碳量子点。
对比例2
P掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
S1、向8mol/L的柠檬酸钠溶液中加入90wt％的磷酸溶液，其中柠檬酸钠溶液和磷酸溶液的体积比为100∶7，搅拌至完全溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压釜中，密封后加热至30℃反应82h，随后冷却至室温得到悬浊液；
S3、以截留分子量为32kDa的中空纤维膜分离过滤器进行过滤分离步骤S2所得悬浊液；
S4、将步骤S3所得分离后的溶液在80℃下真空干燥10h，得到所述P掺杂碳量子点。
本发明实施例1-6制备的碳量子点在水中和乙醇中有较好的溶解性和稳定的发光特性。在温度低于220摄氏度有较稳定的荧光性，如果超出250度会淬灭。在pH值为4-11的范围内荧光稳定，强酸强碱均会产生不可逆的破坏。

Claims (10)

1.P掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以0.2～5.0mol/L的柠檬酸钠溶液为碳源，再加入50～90wt％的磷酸溶液，溶解得到前驱体溶液；
S2、将步骤S1所得前驱体溶液置于不锈钢高压釜中，密封后在50～300℃条件下反应3～78h，冷却至室温得悬浊液；
S3、以膜法分离步骤S2所得悬浊液；
S4、干燥步骤S3所得分离后的溶液，得到所述P掺杂碳量子点。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述柠檬酸钠溶液浓度为0.5mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述柠檬酸钠溶液与所述磷酸溶液的体积比为100∶0.5～5。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中所述溶解为通过搅拌至溶液澄清。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中所述不锈钢高压釜的内衬为聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中所述反应温度为150～180℃，反应时间为3～12h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中所述分离使用中空纤维膜分离过滤器进行。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述中空纤维膜分离过滤器为截留分子量3kDa，5kDa，10kDa或30kDa中的1种或2种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中所述干燥在真空条件下进行，干燥温度为100～150℃，干燥时间为6h。
10.根据权利要求1所述的制备方法制备的P掺杂碳量子点在细胞成像中的应用。
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