CN106840447B - 一种基于碳纳米颗粒的比例荧光温度计及制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计，采用温敏型荧光碳纳米颗粒。其中，碳纳米颗粒的尺寸为1‑20nm，碳纳米颗粒为结晶态，其晶格条纹间距为0.21nm。本发明通过简单的水热处理蔗糖水溶液，得到具有温敏特征荧光性质的碳纳米颗粒，在360nm的紫外光激发下，碳纳米颗粒的发光谱在波长450nm和517nm两处具有明显的荧光峰，这两个荧光峰的强度比值与温度呈线性关系，且荧光强度随着温度增加逐渐猝灭，根据荧光强度比值的变化实现温度的传感。本发明的荧光温度计灵敏度高、可靠性好，其制备方法简单，成本低廉，易大量制备。在微纳环境温度检测、生物传感器等方面具有很好的应用价值和前景。

Description

一种基于碳纳米颗粒的比例荧光温度计及制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米材料领域，涉及一种具有温敏特征荧光性质的碳纳米颗粒的荧光温度计及其制备方法，并以此为基础实现温度传感的应用。
背景技术
温度传感器在科学技术的发展中一直发挥着极其重要的作用，占据着目前传感器市场上75％～80％的份额。在生物医学方面，温度可以在一定程度上反应细胞新陈代谢的情况，通过温度的检测可以研究细胞内部发生的变化。最新的研究也表明，不同细胞的温度存在一定的差异，同一细胞在不同状况下温度也会发生变化。所以对单一细胞或细胞局部的温度检测显得非常重要。因此，也对温度传感器提出更高的要求，其不仅仅要有较高的温度分辨率，还应该有非常高的空间分辨率。
由于特定材料的温度变化时，荧光强度、荧光颜色、荧光寿命或荧光偏振会发生变化，所以根据这些荧光特征的变化就可以实现温度检测。荧光温度计由于具有反应迅速，空间分辨率高，非接触的工作方式等特点逐渐引起大家的关注。但是目前已开发出来的荧光温度计由于生物相容性差、灵敏度不够高以及会受到背底荧光的干扰等不足，其应用受到了很大的限制。设计并开发新一代荧光温度计来克服这些不足显得尤为重要。此外，目前的绝大多数荧光温度计都是通过荧光光谱来反应温度的，因此测试温度都离不开荧光光谱仪，而一台精度较高的荧光光谱仪通常价值不菲，从国产小型到进口大型的荧光光谱仪，价格从十几万到一百多万不等。因此开发肉眼可直观识别温度变化的荧光材料也具有重要价值。
基于量子点、有机染料、稀土离子螯合物等的荧光温度计已经得到迅速的发展，并开始逐渐被应用到生物方面。利用碳纳米颗粒相对于有机染料而言，光稳定性更好。而相对于传统的金属硫化物、金属硒化物量子点，碳纳米颗粒又具有生物兼容性好的特点，因此基于荧光碳纳米颗粒的传感器有其自身的显著优势。
荧光温度计是通过荧光强度来反应环境温度的，要求荧光强度只随温度变化。而实际应用中，如果激发光的强度出现波动、荧光颗粒的分布不均匀、测量光路出现扰动等，荧光强度都会出现变化，使得温度测量的可靠性受到影响。而比例型荧光温度计，可以同时获得两个荧光峰，上述干扰因素出现时，两个荧光峰的强度会等比例变化，两个荧光峰的比值不会出现变化，具有更高的温度传感的可靠性。
目前为止，虽然荧光碳纳米颗粒的制备方法已经有很多，但是普遍涉及多种化学原料，需要多步反应或者复杂的处理步骤，方法繁琐。特别是要实现在单一波长激发下，观察到两个不同位置的发光峰仍很困难。因此其传感方面的应用也受到限制。
发明内容
针对以上现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计，其稳定性好、灵敏度高。同时提供了该比例型荧光温度计的制备和应用方法，在纳米荧光温度计、生物传感器等方面具有很好的应用价值和前景。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计，采用温敏型荧光碳纳米颗粒，碳纳米颗粒的尺寸为1-20nm；所述碳纳米颗粒为结晶态，其晶格条纹间距为0.21nm。
本发明上述一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计的制备方法，包括以下步骤：(1)配置1-3mol/L的蔗糖水溶液；(2)将上述蔗糖水溶液加到高压釜中，加热到150-200℃，保持4-24h；(3)通过离心的方法收集高压釜中反应后得到的沉淀，然后用去离子水和酒精对沉淀进行彻底地反复清洗；(4)保留清洗最后得到的上清液，所制备的温敏型荧光碳纳米颗粒即分布在上清液中。
优选地，所述蔗糖水溶液的浓度为1.2-1.8mol/L；所述高压釜中的反应温度为180-200℃，反应时间为5-6h。
进一步地，所述步骤2中，高压釜反应完成后，在空气中自然冷却至室温。
优选地，所述步骤3中，离心的转速为8000-10000r/min，离心时间为10-20min。
本发明制备的比例型荧光温度计的应用方法，具体为：利用360nm的紫外光激发所述碳纳米颗粒，碳纳米颗粒的发光谱在波长450nm和517nm两处具有明显的荧光峰，这两个荧光峰的强度比值与温度呈线性关系，且荧光强度随着温度增加逐渐猝灭；测量所述碳纳米颗粒的水溶液在不同温度下的荧光光谱，标定荧光光谱在450nm和517nm两处的荧光强度的比值与温度的定量关系，根据荧光强度比值的变化实现温度的传感。
所述比例型荧光温度计的工作温度范围：5-60℃，温度灵敏度为1-2.5％/℃。
进一步地，所述比例型荧光温度计具有两种工作模式：一种模式是通过荧光光谱测试荧光强度，获得精确的温度；另一种模式是通过观测碳纳米颗粒的发光颜色快速地监测温度的大致变化。
进一步地，第二种工作模式的环境温度为5-60℃，碳纳米颗粒的发光颜色变化通过RGB颜色编码来获得碳纳米颗粒所处环境的大致温度。
本发明制备得到的碳纳米颗粒荧光温度计，在360nm紫外光激发下，可以得到EmB(约450nm)和EmG(约517nm)两个荧光峰，通过调节水溶液的温度高低，可以控制荧光信号的强弱。所制备的碳纳米颗粒具有各种非辐射的缺陷态电子能级，温度升高，光激发的电子会被非辐射的缺陷态捕获，发光强度降低。而EmB和EmG发光起源是不一样的，受温度的影响也不一样，温度升高时，EmB荧光峰衰减的更快。因此EmB和EmG两个荧光峰强度的比值也是温度依赖的。通过荧光峰强度的比值就可以反应出碳纳米颗粒所处环境的温度。
本发明通过简单的水热处理蔗糖水溶液，得到具有温敏特征荧光性质的碳纳米颗粒，和现有技术相比，制备了一种全新的比例型纳米荧光温度计，具有以下优点：
(1)采用碳纳米颗粒相对于有机染料而言，光稳定性更好。相对于传统的金属硫化物、金属硒化物量子点，碳纳米颗粒又具有生物兼容性好的特点。
(2)制备方法简单，成本低廉，易大量制备。且制备过程不需要特殊的设备，可控性强，重复性好。
(3)高灵敏度：以优选方案得到的2.15％/℃为例。假设荧光光谱仪可分辨1％的强度变化，则该温度计的温度分辨率为0.465℃。
(4)非常小的尺寸，1-20nm的尺寸可以保证本发明中的碳纳米颗粒能够进入到绝大多数微纳空间，实现非常小的局部空间的温度测量，可实现超高空间分辨的温度成像。
(5)依据比例型的荧光传感原理，具备更高的可靠性。
(6)荧光温度计具有双重工作模式，其一：通过荧光光谱测试获得精确的温度，其二：通过颜色大致地判别温度变化。第二种工作模式虽然温度传感的精度不够，但是不需要借助荧光光谱仪，具有简单、快速的优点。两种工作模式可以灵活应用于不同场合，满足不同的温度检测需求。
(7)本发明在纳米荧光温度计、微纳环境温度检测、生物传感器等方面具有很好的应用价值和前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的碳纳米颗粒的a)透射电镜照片，b)根据透射电镜照片统计的碳纳米颗粒的尺寸分布，以及c)高分辨透射电镜观察到的碳纳米颗粒的晶格条纹。
图2本发明实施例1制备的碳纳米颗粒a)室温的发光光谱，通过高斯拟合，可以看到该光谱包含两个发光峰，b)是在不同温度下的发光光谱，c)展示的是波长为450nm和517nm位置的发光强度随温度的变化关系，以及d)两个发光强度的比值与温度关系。
图3是用本发明实施例1制备的碳纳米颗粒探测编号为1-8的未知水溶液的温度，并且和热电偶温度计测得的温度做比较。
图4是本发明实施例1制备的碳纳米颗粒水溶液的热致变色现象。
具体实施方式
实施例1
1)具有双峰发射的碳纳米颗粒的制备：配置1.5mol/L的蔗糖水溶液。将40mL上述蔗糖水溶液加到50mL衬有特氟龙内胆的高压釜中，加热到190℃，保持5h。反应完成后，让反应釜在空气中自然冷却至室温。通过离心的方法收集反应后得到的沉淀，离心的参数为转速：8000r/min，离心时间：15min。然后用去离子水和酒精对沉淀进行彻底地清洗，反复三次，保留清洗最后得到的上清液。所需制备的荧光碳纳米颗粒即分布在上清液中。
2)碳纳米颗粒荧光的测定：取步骤1)制得的荧光碳纳米颗粒水溶液样品在5-60℃范围内测试其发射光谱。在其发射光谱中，观察到两个发射峰：EmB(约450nm)和EmG(约517nm)。温度升高时，EmB荧光峰衰减的更快。两个荧光峰的位置需要通过高斯拟合确定，实际应用过程中，为了实现快速、便捷的传感，直接读取450nm以及517nm位置的发光强度。实施过程中证实两个位置的荧光强度的比值与温度呈线性关系，可应用于温度的探测，且温度传感的灵敏度为2.15％/℃。
本发明中碳纳米颗粒的尺寸范围是1-20纳米，实施例1通过优选条件所制备的碳纳米颗粒的透射电镜照片见图1，由图1可见，该碳纳米颗粒的尺寸约为1-5nm，分散均匀。从高分辨透射电镜中可以看到清晰的晶格条纹，表面其具有很好的结晶性。从图2中可以看出，所制备出的碳纳米颗粒水溶液有EmB和EmG双荧光峰，并且在不同温度下荧光强度值区分明显。450nm以及517nm两个位置的发光强度的比值与温度之间的关系可以用线性方程R＝1.411-0.00374T做拟合，其中R为两个位置发光强度的比值，T为温度。
实施例2
对实施例1制得的碳纳米颗粒在第一种工作模式下测试未知环境温度。
1)取实施例1制得的碳纳米颗粒水溶液样品，利用水浴恒温水槽将样品随机控制在任意未知温度。利用爱丁堡仪器公司FLS920荧光光谱仪，迅速测量样品的荧光光谱。
2)读出光谱上450nm以及517nm两个位置的发光强度，并算出比值。根据R＝1.411-0.00374T线性函数，推算出溶液温度。
3)用热电偶温度计测出溶液温度(精度0.1℃)，与本发明的碳纳米颗粒的比例型荧光温度计测得的温度作比较。实施例1制得的碳纳米颗粒荧光温度计用于温度测量的标准误差为0.758℃。
实施例3
对实施例1制得的碳纳米颗粒在第二种工作模式下检测水溶液温度变化。
1)取实施例1制得的碳纳米颗粒水溶液样品，在紫外灯的照射下，当样品温度分布在60到5℃，温度依次降低时，其颜色从绿色逐渐变为蓝色。其裸眼识别的颜色变化，可非常方便地应用于粗略的温度传感。
2)用Nikon数码相机拍摄不同温度样品的发光照片(如图4所示)，并用图形处理软件Photoshop CS5读取不同颜色的RGB编码，如表1所示，温度降低时，R和G的值降低，而B的值升高。因此可以通过对发光的数码照片的RGB编码值进行分析和比较来获得纳米颗粒所处环境的大致温度。
表1是图4中不同温度时，样品发光颜色的RGB编码

Claims (4)

1.一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计的制备方法，其特征在于，所述碳纳米颗粒的尺寸为1-20nm，碳纳米颗粒为结晶态，其晶格条纹间距为0.21nm；所述荧光温度计具有两种工作模式，其中一种模式是：利用360nm的紫外光激发所述碳纳米颗粒，碳纳米颗粒的发光谱在波长450nm和517nm两处具有明显的荧光峰，这两个荧光峰的强度比值与温度呈线性关系，且荧光强度随着温度增加逐渐猝灭；测量所述碳纳米颗粒的水溶液在不同温度下的荧光光谱，标定荧光光谱在450nm和517nm两处的荧光强度的比值与温度的定量关系，根据荧光强度比值的变化实现温度的传感；另一种模式是：观测所述碳纳米颗粒的发光颜色变化，通过RGB颜色编码来获得碳纳米颗粒所处环境的大致温度；
所述荧光温度计的具体制备过程包括以下步骤：
(1)配置1-3mol/L的蔗糖水溶液；
(2)将上述蔗糖水溶液加到高压釜中，加热到150-200℃，保持4-24h；
(3)通过离心的方法收集高压釜中反应后得到的沉淀，然后用去离子水和酒精对沉淀进行彻底地反复清洗；
(4)保留清洗最后得到的上清液，所制备的温敏型荧光碳纳米颗粒即分布在上清液中。
2.根据权利要求1所述一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计的制备方法，其特征在于，所述蔗糖水溶液的浓度为1.2-1.8mol/L；所述高压釜中的反应温度为180-200℃，反应时间为5-6h。
3.根据权利要求1或2所述一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，高压釜反应完成后，在空气中自然冷却至室温。
4.根据权利要求1或2所述一种基于碳纳米颗粒的比例型荧光温度计的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，离心的转速为8000-10000r/min，离心时间为10-20min。
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