CN105950145A - 一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：1)、将植酸于玻璃容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，随后将此溶液快速加入五氧化二磷中，得到深褐色溶液；2)、待玻璃容器自然冷却后，深褐色溶液用滤纸过滤，除去不溶物得到澄清的深棕色溶液；3)、通过排阻色谱法分离，葡聚糖凝胶G‑25为填料，水为流动相，按照时间先后顺序，分离得到三种碳量子点水溶液；4)、将上述三种碳量子点水溶液分别冷冻干燥后得到三种目标产物。本发明操作工艺简单，原料来源广泛且价格便宜，分离条件要求低且无能耗，所得碳量子点光学性质稳定。所制备的磷掺杂荧光碳量子点可用于Fe3+离子检测、四环素检测和细胞成像。

Description

一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法和应用
技术领域
本发明涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是一种基于排阻色谱法的磷掺杂荧光碳量子点(P-CDs)的制备方法和应用。
背景技术
碳量子点(carbon dots，C-dots)作为碳材料家族中的最小成员出现在人们视野中，它是由Scrivens等(J.Am.Chem.Soc.，2004，126，12736-72737)在2004年研究单壁碳纳米管时首次发现的一种以碳为骨架结构的新型纳米材料，与传统的半导体量子点和有机染料相比，碳量子点作为一种新型可发光材料不仅保持了碳材料毒性小、生物相容性好等优点，而且具有合成方便、易于修饰、发光范围可调、双光子吸收截面大、荧光量子效率高、光稳定性好、无光闪烁、易于功能化、价廉、易大规模合成等无法比拟的优势，并且基本上不损伤细胞，更符合细胞标记和生物医学成像需要。这种新型的荧光碳纳米粒子的尺寸大小与半导体量子点相似，平均粒径小于10nm，具有很长的荧光寿命和生物安全性。因此，碳量子点在荧光探针生物检测、生物传感、生物分析、金属阳离子和阴离子的生化分析、生物传感器、光电转换以及光催化等领域体现出重要应用价值。
近年来，量子点由于其具有优越的光学及电学性质受到极大的关注和广泛的研究，其作为准零维纳米材料具有量子限域效应、表面效应、尺寸效应等优越的性质，因此量子点在光学器件、电学器件、生物成像、生物载药等方面得到了良好的应用。但通常合成的碳量子点多为混合物，限制了碳量子点在传感领域的应用。而通过分离纯化可以进一步拓展其在化学传感领域的应用因此寻找快速、高效、灵敏便于操作分离方法成为研究热点。
目前分离碳量子点的方法主要有以下几种，聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)，毛细管电泳(CE)，高效液相色谱(HPLC)，和硅胶柱色谱柱分离等方法。这些方法往往需要严格的实验条件或特殊的材料，成本高，而且获得的碳量子点的荧光量子产率较低；也不利于持续并规模生产碳量子点。因此，寻找快速、高效、灵敏便于操作分离方法，拓展其在传感领域的应用成为研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种操作简单、设备简易且绿色环保无能耗的制备磷掺杂荧光碳量子点的方法；以及将所制备的磷掺杂荧光碳量子点用于Fe3+离子检测、四环素检测和细胞成像。
本发明提供的一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
1)、将植酸于玻璃容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，随后将此溶液快速加入五氧化二磷中，得到深褐色溶液；所述的植酸、二次水和五氧化二磷的质量比为：0.26-1.8：0.6-1.8：0.8-1.2；
2)、待玻璃容器自然冷却后，深褐色溶液用滤纸过滤，除去不溶物得到澄清的深棕色溶液；
3)、通过排阻色谱法分离，葡聚糖凝胶G-25为填料，水为流动相，按照时间先后顺序，以PH试纸测试碳量子点水溶液的显色为标准，在PH试纸显示红色时，所得馏分命名为P-CDs(A)，PH试纸颜色为黄色时且馏分颜色为黄色时所得馏分命名为P-CDs(B)，PH试纸颜色为黄色且馏分颜色为淡粉色是得到馏分命名为P-CDs(C)，分离得到三种碳量子点水溶液；
4)、将上述三种碳量子点水溶液分别冷冻干燥后得到P-CDs(A)、P-CDs(B)和P-CDs(C)三种产物。
上述制备得到的P-CDs(A)可用于四环素检测，P-CDs(B)可用于Fe3+离子检测，P-CDs(A)、P-CDs(B)和P-CDs(C)均可用于细胞成像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明操作步骤简单，不需要高温或表面钝化剂处理，无需额外能源消耗，即可得到碳量子点。
(2)原材料植酸、五氧化二磷均为普通试剂，与传统量子点制备所需的昂贵反应物相比来源广泛，价格便宜。
(3)生产和分离设备仅需玻璃仪器，操作方便，能在短时间内快速完成，节能省时。
(4)本发明所制得的磷掺杂的碳量子点在水溶液中都具有良好的溶解度和分散性。
(5)传统的碳量子点是复杂混合物，限制了在传感领域的应用，本发明通过分离纯化得到多种磷掺杂的碳量子点可分别用于Fe3+离子检测、四环素检测和细胞成像，拓展了在化学传感领域的应用。
附图说明
图1为实施例1制备的P-CDs制备及分离流程图。
图2为实施例1制备的P-CDs(A)的紫外吸收光谱及荧光激发发射光谱。
图3为实施例1制备的P-CDs(B)的紫外吸收光谱及荧光激发发射光谱。
图4为实施例1制备的P-CDs(C)的紫外吸收光谱及荧光激发发射光谱。
图5为实施例1制备的P-CDs(A)、P-CDs(B)、P-CDs(C)和植酸(PA)的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率。
图6为实施例1制备的P-CDs(A)、P-CDs、(B)、P-CDs(C)的XPS光谱图。
图7为实施例1制备的P-CDs(A)粒径分布图。
图8为实施例1制备的P-CDs(B)粒径分布图。
图9为实施例1制备的P-CDs(C)粒径分布图。
图10为四环素淬灭实施例12制备的P-CDs(A)的荧光光谱图。
图11为Fe3+淬灭实施例12制备的P-CDs(B)的荧光光谱图。
图12为实施例1制备的P-CDs(A、B、C)利用MTT法进行的786-0(肾透明细胞腺癌)毒性测试。
图13为实施例1制备的P-CDs(A、B、C)与人乳腺腺癌MCF-7细胞进行的荧光成像图。
具体实施方式
下面结合是实施例对本发明做详细说明，实施例给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL30％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液；
步骤3，通过排阻色谱法分离，葡聚糖凝胶G-25为填料，水为流动相，按照时间先后顺序，以PH试纸测试碳量子点水溶液的显色为标准，在PH试纸显示红色时，所得馏分命名为P-CDs(A)，PH试纸颜色为黄色时且馏分颜色为黄色时所得馏分命名为P-CDs(B)，PH试纸颜色为黄色且馏分颜色为淡粉色是得到馏分命名为P-CDs(C)，分离得到A、B、C三种碳量子点水溶液；
步骤4，将上述三种碳量子点A、B、C水溶液和未分离之前的溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率分别为(以硫酸奎宁为标准)为2.6％、3.9％、1.1％和7.5％。
性质表征见图1-9，对细胞的毒性图见图12。
实施例2
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL10％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到磷掺杂的碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为5.6％。
实施例3
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL20％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为6％。
实施例4
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL40％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为3.8％。
实施例5
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL50％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将P-CDs冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为1.9％％。
实施例6
步骤1，称量1.0g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL60％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为2.8％。
实施例7
步骤1，称量0.6g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL30％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为5.1％。
实施例8
步骤1，称量0.8g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL30％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为3.2％。
实施例9
步骤1，称量1.2g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL30％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为4.9％。
实施例10
步骤1，称量1.4g五氧化二磷置于玻璃容器中，加入2mL30％植酸自发反应，充分搅拌，即得到深褐色粘稠物；
步骤2，待玻璃容器自然冷却后，用11cm的滤纸过滤去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过冷冻干燥得到碳量子点；
步骤3，将上述P-CDs水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为3.5％。
实施例11
磷掺杂荧光碳量子点应用实验：
配置不同浓度的四环素溶液，分别加入到P-CDs(A)的溶液中，固定激发波长335nm，在室温下进行荧光光谱检测，根据436nm处的荧光强度，检测不同浓度对P-CDs(A)荧光强度的影响。图10即为不同浓度的四环素对碳点的荧光猝灭图。
配置不同浓度的Fe3+溶液，分别加入到P-CDs(B)的溶液中，固定激发波长340nm，在室温下进行荧光光谱检测，根据465nm处的荧光强度，检测不同浓度对P-CDs(B)荧光强度的影响。图11即为不同浓度的Fe3+对碳点的荧光猝灭图。
用人乳腺癌MCF-7细胞，将细胞悬浮液接种至底部铺有盖玻片的24孔细胞培养板中，每孔中细胞个数约为2.0×105个，将细胞培养板置于37℃、5％CO2培养箱中培养48小时。将0.4μg/μL P-CDs(A，B，C)加入细胞培养板中与细胞孵育120分钟。孵育结束后，用PBS洗涤三次以除去未进入P-CDs。细胞成像采用激光共聚焦显微镜系统进行观察。图13即为P-CDs(A，B，C)分别应用于人乳腺癌MCF-7细胞的细胞成像图。

Claims (5)

1.一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、将植酸于玻璃容器中，加入二次水，充分搅拌，超声得到澄清溶液，随后将此溶液快速加入五氧化二磷中，得到深褐色溶液；
2)、待玻璃容器自然冷却后，深褐色溶液用滤纸过滤，除去不溶物得到澄清的深棕色溶液；
3)、通过排阻色谱法分离，葡聚糖凝胶G-25为填料，水为流动相，按照时间先后顺序，以PH试纸测试碳量子点水溶液的显色为标准，在PH试纸显示红色时，所得馏分命名为P-CDs(A)，PH试纸颜色为黄色时且馏分颜色为黄色时所得馏分命名为P-CDs(B)，PH试纸颜色为黄色且馏分颜色为淡粉色是得到馏分命名为P-CDs(C)，分离得到三种碳量子点水溶液；
4)、将上述三种碳量子点水溶液分别冷冻干燥后得到P-CDs(A)、P-CDs(B)和P-CDs(C)三种产物。
2.如权利要求1所述的一种磷掺杂荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的植酸、二次水和五氧化二磷的质量比为：0.26-1.8：0.6-1.8：0.8-1.2。
3.如权利要求1或2所述方法制备的P-CDs(A)用于四环素检测。
4.如权利要求1或2所述方法制备的P-CDs(B)用于Fe3+离子检测。
5.如权利要求1或2所述方法制备的磷掺杂荧光碳量子点用于细胞成像。
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