CN106675557B - 一种n掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用 - Google Patents

一种n掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用，其中方法包括：将壳聚糖溶于去离子水中，在一定温度下置于水热反应釜进行反应，待合成的产物自然冷却后，分离和提纯，冷冻干燥，得到N掺杂碳量子点的粉末。与其他碳量子点的制备方法相比，本发明操作简单，所需原料只有一种，无需其他表面钝化剂，其反应速度快，所制备的碳量子点具有较强的荧光和良好的生物相容性，碳点产率达到45％。该碳量子点不仅可以促进植物生长，而且可以标记植物。在未来的生物领域和农业领域具有广阔的应用前景。

Description

一种N掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用
技术领域
本发明属于荧光碳纳米材料技术领域，具体涉及一种N掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用。
背景技术
碳点作为碳纳米材料家族中新的一员，碳点具有很多优越的荧光性质，如通过改变尺寸和激发波长可调控其荧光发射、耐光漂白、无光闪烁。碳元素是构成生物体所需的重要元素之一，由它构成的碳点本身生物毒性低，具有良好的环境友好性和生物相容性。此外，制备碳点的反应条件温和，步骤简单，原料丰富且廉价。碳点表面富含羧基、羟基等亲水基团，具有很好的水溶性。碳点的粒径一般在10nm以下，在和细胞的孵育过程中，碳点能够更容易、更快速的被细胞摄取。具有良好的生物相容性及低毒性的碳点，适用于生命科学研究。
壳聚糖(chitosan)是由自然界广泛存在的几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年，法国人Rouget首先得到壳聚糖后，这种天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。针对患者，壳聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究报告。
荧光碳点的合成及基于其荧光的应用研究已取得了较大发展。但是碳点在化学发光中的应用研究尚处于初步阶段。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有制备N掺杂碳量子点(简称N-CQDs)的制备方法的技术空白，提出了本发明。
因此，本发明其中的一个目的是解决现有技术中的不足，提供一种简单快速，不需要加入表面钝化剂的N掺杂碳量子点的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种N掺杂碳量子点的制备方法，将壳聚糖加入到水中，在180～200℃的条件下反应10～12h，待反应产物冷却，进行离心、过滤，再对其进行冷冻干燥后得到N掺杂碳量子点。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述壳聚糖，其与水的比例为每1g壳聚糖用水50～80mL，所述壳聚糖，其脱乙酰度≧90％，粘度为50～800mPa·s。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述冷却，其是冷却至10～25℃。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述离心，其是在11000～13000rpm的条件下离心8～12min。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述冷冻干燥，其温度为-50～-40℃，真空度为9～10Pa，处理时间为20～28h。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述将壳聚糖加入到水中，其是将壳聚糖加入到水中，在10～25℃搅拌反应20～40min。
作为本发明所述N掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述搅拌反应，其搅拌速度为400～600r/min。
本发明另一个目的是提供一种生物相容性好的N掺杂碳量子点。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种N掺杂碳量子点，其平均粒径为1.5～3.5nm，层间距为0.3～0.4nm，其组分以质量百分比计，包括碳42～50％，氧29～31％，氮11～19％，氢16～18％。
本发明还有一个目的是提供一种N掺杂碳量子点在促进植物生长方面的应用。
本发明再一个目的是提供一种N掺杂碳量子点在标记植物方面的应用。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：取未生根的植物，在室温下培养12～18天后使用紫外灯观察植物的荧光情况，并拍照记录。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明使用壳聚糖为碳源，不需要加入任何的表面钝化剂，一步就能制备N掺杂的高荧光碳量子点，简化了实验过程，提高了制备过程的效率。
(2)本发明所制备碳量子点产率高，尺寸小，并且具有良好的水溶性、优越的荧光性能和良好的生物相容性等特点，给未来的碳量子点在生物和农业等领域的应用奠定了重要的理论基础。
(3)本发明所制备的碳量子点对进植物生长有促进作用，随着碳点浓度增大，植物的生根情况越好。本发明所制得的碳量子点可以促进植物生根，不会抑制植物的生长。
(4)本发明所制备的碳量子点通过调节其水溶液的浓度实现植物成像的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的透射电镜图；图中显示出N掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚。
图2是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的粒径分布图；图中显示出N掺杂的碳量子点平均粒径为2.6nm。
图3是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点XRD光谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点2θ为23.5°处出现特征吸收峰，层间距大约是0.38nm，具有良好的晶体结构。
图4是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的激发和发射的谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点的最大激发与发射波长为370nm和460nm。
图5是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点不同激发波长下的发射光谱图；表明N掺杂共掺杂的碳量子点拥有激发波长依赖性。
图6是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的XPS光谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点含有C、N和O，其中C的含量为46.78％，O的含量为28.43％，N的含量为12.61％，H的含量为11.21％。
图7是本发明实施例5的不同浓度N掺杂的碳量子点对植物生长作用的影响；表明N掺杂的碳量子点具有促进植物生长的作用。
图8是本发明实施例5的不同浓度N掺杂的碳量子点对细胞生长的影响；表明N掺杂的碳量子点没有毒性。
图9本发明实施例6的N掺杂的碳量子点用于植物培养后的紫外灯下的荧光图。从图中可以看出，在紫外灯(365nm)下，植物的根茎有蓝色的荧光呈现出来。并且在刚生长的叶子中也发现了微弱的蓝色荧光。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
N掺杂碳量子点的制备：
步骤1，称取0.5g的壳聚糖(脱乙酰度为90％，粘度为400mPa·s)粉末置于50mL的干净烧杯中，加入25mL的去离子水，在20℃的条件下以600rpm搅拌20min。
步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在200℃下恒温加热10h。
步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。
步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。
步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-50℃，时间为24h，真空度为9.6Pa得到N掺杂的荧光碳量子点粉末。
图1是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的透射电镜图；图中显示出N掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚。
图2是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的粒径分布图；图中显示出N掺杂的碳量子点平均粒径为2.6nm。
图3是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点XRD光谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点2θ为23.5°处出现特征吸收峰，层间距大约是0.38nm，具有良好的晶体结构。
图4是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的激发和发射的谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点的最大激发与发射波长为370nm和460nm。
图5是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点不同激发波长下的发射光谱图；表明N掺杂的碳量子点拥有激发波长依赖性。
图6是本发明实施例1的N掺杂的碳量子点的XPS光谱图；图中显示出N掺杂的碳量子点含有C、N和O，其中C的含量为46.78％，O的含量为28.43％，N的含量为12.61％，H的含量为11.21％。
实施例2
N掺杂碳量子点的制备：
步骤1，称取0.5g的壳聚糖(脱乙酰度为95％，粘度为50mPa·s)置于50mL的干净烧杯中，加入25mL的去离子水，在25℃的条件下以400rpm搅拌30min，得到无色透明的水溶液。
步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在200℃下恒温加热8h。
步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至10℃。
步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。
步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥-50℃，时间为24h，真空度为9.6Pa得到N掺杂的荧光碳量子点粉末得到N掺杂的荧光碳量子点粉末。
对所制得的N掺杂的荧光碳量子点粉末进行成分及特性检测得，所制得的制得的N掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚；制得的N掺杂的碳量子点平均粒径为3.8nm；制得的N掺杂的碳量子点的层间距大约是0.4nm，具有良好的晶体结构；制得的N掺杂的碳量子点的XPS光谱图，其中C的含量为46.88％，O的含量为28.83％，N的含量为15.21％，H的含量为9.08％。
实施例3
N掺杂碳量子点的制备：
步骤1，称取0.5g的壳聚糖(脱乙酰度为90％，粘度为800mPa·s)置于50mL的干净烧杯中，加入30mL的去离子水，在10℃的条件下以500rpm搅拌20min，得到无色透明的水溶液。
步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在190℃下恒温加热12h。
步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。
步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。
步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-54℃，时间为24h，真空度为9.6Pa得到N掺杂的荧光碳量子点粉末。
对所制得的N掺杂的荧光碳量子点粉末进行成分及特性检测得，所制得的制得的N掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚；制得的N掺杂的碳量子点平均粒径为2.2nm；制得的N掺杂的碳量子点的层间距大约是0.34nm，具有良好的晶体结构；制得的N掺杂的碳量子点的XPS光谱图，其中C的含量为50.12％，O的含量为30.87％，N的含量为16.01％，H的含量为9.48％。
对实施例1～3制得的碳量子点，用荧光分度计进行荧光强度检测，结果如下。
组别 实施例1 实施例2 实施例3
荧光强度 410 520 560
实施例4
对实施例1～3制得的碳量子点，用分析天平称量其质量，结果如下。
碳量子点产率＝(最终产物的质量/壳聚糖的质量)×100％
组别 实施例1 实施例2 实施例3
产率％ 45 42 35
实施例5
将实施例1所制备的N掺杂碳量子点加到水中配制成不同浓度的碳点溶液；然后再将选取好的植物放入含有碳点溶液的烧杯中培养一点时间；最终将植物从烧杯中取出，拍照并且用刻度尺测量其根部长度；最终发现随着碳点的浓度的增加，并未表现出抑制植物生长的迹象，如图7所示。
实施例6
将实施例1所制备的N掺杂碳量子点配制成不同浓度的碳点溶液。将培养好的NIH3T3细胞用0.25％的胰蛋白酶进行消化，充分吹打使其形成均匀地单细胞悬液后，以100μL/well的量加入96孔板中。将96孔板置于CO2培养箱中继续培养至细胞铺满孔底80％～90％时，吸出原有培养液，加入等量的不同浓度的样品溶液，每组接种3～6孔。给药后将孔板置于CO2培养箱中培养24h，拿出后每孔加入20μL浓度为5mg/mL的MTT溶液，37℃恒温接触4h后，小心除去孔内液体，并加入150μL DMSO，室温下轻微振荡，使底部晶体充分溶解，用酶标仪在570nm波长下测定每孔的O.D.值，然后利用O.D.值来计算细胞相对增殖率。实施例1制备的N掺杂碳量子没有明显的细胞毒性，生物相容性良好，如附图8所示。
实施例7
将实施例1所制备的N掺杂碳量子点配制成0～5mg/ml的碳点溶液，将溶液分别加到烧杯中，然后将选取未生根且生长状况良好的植物放入到烧杯中培养15天。最终分别将培养了3，7和15天的植物取出后，使用紫外(365nm)观察碳点在植物体内的荧光分布情况，并拍照记录。实施例1制备的N掺杂碳量子点水溶液用于标记植物，如图9所示，植物的生长状态良好，并且可以用于标记植物。0.5mg/ml的碳点组中，植物根部的荧光强度最高，1mg/ml的碳点组中，植物12天时叶子上会产生荧光。
由此可见，本发明使用壳聚糖为碳源，不需要加入任何的表面钝化剂，一步就能制备N掺杂的高荧光碳量子点，简化了实验过程，提高了制备过程的效率；本发明所制备的碳量子点产率高；本发明所制备的碳量子点对进植物生长有促进作用，随着碳点浓度增大，植物的生根情况越好。本发明所制得的碳量子点可以促进植物生根，不会抑制植物的生长；本发明所制备的碳量子点尺寸小，并且具有良好的水溶性、没有细胞毒性以及优越的生物相容性等特点，给未来的碳量子点在生物和农业等领域的应用奠定了重要的理论基础；本发明所制备的碳量子点通过其浓度可实现高效标记植物。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种N掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：
将壳聚糖加入到水中，在190～200℃的条件下反应10～12h，待反应产物冷却，进行离心、过滤，再对其进行冷冻干燥后得到N掺杂碳量子点；
所述离心，其是在 11000～13000rpm的条件下离心8～12min；
所述冷冻干燥，其温度为-60～-50℃，真空度为9～10Pa，处理时间为20～28h；
所述壳聚糖，其与水的比例为每1g壳聚糖用水50～80mL，所述壳聚糖，其脱乙酰度≧90％，粘度为50～800mPa·s。
2.根据权利要求1所述N掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述冷却，其是冷 却至10～25℃。
3.根据权利要求1所述N掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述将 壳聚糖加入到水中，其是将壳聚糖加入到水中，在10～25℃搅拌反应20～40min。
4.根据权利要求3所述N掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：所述搅拌反应，其搅拌速度为400～600r/min。
5.一种根据权利要求1所述N掺杂碳量子点的制备方法制得的N掺杂碳量子点，其特征在于：所述N掺杂碳量子点，其平均粒径为1.5～3.5nm，层间距为0.3～0.4nm，其组分以质量百分比计，包括碳42～50％，氧29～31％，氮11～19％，氢16～18％。
6.一种如权利要求5所述N掺杂碳量子点在促进植物生长方面的应用。
7.一种如权利要求5所述N掺杂碳量子点在标记植物方面的应用，其特征在于：取未生根的植物，在室温下培养后使用紫外灯观察植物的荧光情况，并拍照记录。
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