CN106957050A - 一种荧光碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

一种荧光碳量子点及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种荧光碳量子点及其制备方法和应用。碳量子点的制备方法：以葡萄糖和天冬酰胺为原料，加入氢氧化钠水溶液，超声得到澄清溶液，油浴加热200℃反应30分钟，得到固体，经溶解、过滤、透析后得到掺氮的水溶性荧光碳量子点。本发明碳量子点制备工艺简单，制备的碳量子点光学性质稳定，生物相容性好。本发明碳量子点可用于分析检测的Fe3+和S2‑，也可用于活细胞生物成像等领域。

Description

一种荧光碳量子点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及荧光碳量子点，具体是一种荧光碳量子点及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，碳量子点作为新型功能纳米材料，拥有优越的光学性能、良好的生物相容性、低毒性等性质受而受到极大的关注和广泛的研究，而且具有合成方便、易于修饰、发光范围可调、荧光量子效率高、光稳定性好、易于功能化、价廉、易大规模合成等巨大优势，并且基本上无毒性，更符合细胞标记和生物医学成像的需要。因此，碳量子点在金属离子和小分子荧光探针、生物传感、生物分析以及光催化等领域体现出重要的应用价值。
微量元素铁在人体中属于非常重要、不可缺少的微量元素。在十多种人体必需的微量元素中铁无论在重要性上还是在数量上，都属于首位。一个正常的成年人全身含有3g多铁，相当于一颗小铁钉的质量。人体血液中的血红蛋白就是铁的配合物，它具有固定氧和输送氧的功能。人体缺铁会引起贫血症会表现出倦怠乏力，食欲减退，恶心嗳气，腹胀腹泻，吞咽困难。头晕耳鸣，甚则晕厥，稍活动即感气急，心悸不适。患有缺铁性贫血的妇女可有月经不调、闭经等。严重者会出现口角炎、舌乳突萎缩、舌炎，严重的缺铁可有匙状指甲，食欲减退、恶心及便秘。
目前检测铁离子的方法有原子吸收光谱法、电感耦合等离子质谱法、和有机染料分光光度法。尽管这些方法的灵敏度很高，但这些检测方法需要仪器复杂昂贵，实验过程耗时，部分试剂有毒。因此，发展一种简单、快速、灵敏、无毒的检测铁离子的方法很有必要。
S2-的硫化物一直备受关注的有毒物质，一定浓度会对环境的中的生物体造成不可逆转的伤害。因此，环境中硫化物含量的测定一直受到人们的高度关注。
目前检测硫离子的常用方法有：离子选择性电极法、毛细管电泳法、气相色谱法、流动注射分析法、亚甲基蓝分光光度法和可逆光纤传感器法等。而这些方法所需仪器设备复杂昂贵因此，发展一种简单、快速、灵敏、无毒的检测硫离子的方法很有必要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种荧光碳量子点及其制备方法，碳量子点制备方法简便、设备简单、绿色环保；所制备的碳量子点可应用于Fe3+和S2-的检测、也可应用于细胞成像等方面。
本发明提供的一种荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
1)、将葡萄糖和天冬酰胺放置于烧杯中，加入氢氧化钠水溶液，充分搅拌，超声得到澄清溶液，葡萄糖、天冬酰胺、氢氧化钠和水的质量比为0.4-0.5∶0.3-0.4∶0.1-0.2∶2-4；
2)、将装有澄清溶液的烧杯放置于油浴中，加热200℃反应20-40分钟，得到固体；
3)、取出烧杯，自然冷却，加入去离子水，搅拌溶解，过滤去除不溶物得到澄清的溶液，通过500-1000Da的透析袋透析处理1天，每隔3-5小时换一次水，即得到纯净的碳量子点的水溶液；
4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。
所述葡萄糖、天冬酰胺、氢氧化钠和水的质量比优选为0.4-0.5∶0.3-0.4∶0.1-0.2∶2-4。
本发明具有以下有益技术效果：
(1)本发明操做步骤简单，不需要后续添加强酸或表面钝化剂进行处理，反应物在同一体系中进行碳化、聚合及表面修饰，即可得到目标碳量子点。
(2)原材料葡萄糖、天冬酰胺均为普通试剂，与传统量子点制备所需的昂贵反应底物相比来源广泛，价格低廉。
(3)操作简易，能在短时间内快速完成反应，节能省时。
(4)本发明方法所制得的碳量子点在水溶液中都具有良好的溶解度和分散性，并且是粒径小于10nm的纳米颗粒。
(5)碳量子点的光学性质稳定，量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54％)为标准物，所得的碳量子点的相对量子产率一般在6.12％～12.16％之间。
(6)所制备的碳量子点，加入Fe3+荧光淬灭，加入S2-后荧光恢复，可应用于Fe3+和S2-的检测、也可应用于细胞成像等方面。
附图说明
图1为实施例1制备的碳量子点的荧光激发发射光谱图；
图2为实施例1制备的碳量子点的紫外吸收光谱；
图3为实施例1制备的碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率；
图4为实施例1制备的碳量子点的XPS光谱图；
图5为实施例1制备的碳量子点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)；
图6为实施例1制备的碳量子点对金属离子选择性的淬灭；
图7为实施例1制备的碳量子点对Fe3+淬灭的荧光光谱图；
图8为实施例1加入Fe3+淬灭的荧光在加入S2-后荧光恢复光光谱图；
图9为实施例1制备的碳量子点利用MTT法进行的786-0(肾透明细胞腺癌)毒性测试。
图10为实施例1制备的碳量子点标记的人子宫颈癌HeLa细胞激光共聚焦图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图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，分别称量0.3303g天冬酰胺和0.45g葡萄糖置于烧杯中，随后加入3mL氢氧化钠(1M/L)溶液水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；
步骤2，将装有澄清溶液的烧杯放置于油浴中，加热200℃反应30分钟，得到浅黄色固体；
步骤3，取出烧杯，自然冷却，向其中加入10mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理1天去除杂质，每隔4小时换次水，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；
步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12.16％。
实施例2
步骤1，分别称量0.2202g天冬酰胺和0.45g葡萄糖置于烧杯中，随后加入3mL氢氧化钠(1M/L)溶液水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；
步骤2，将装有澄清溶液的烧杯放置于油浴中，加热200℃反应30分钟，得到浅黄色固体；
步骤3，取出烧杯，自然冷却，向其中加入10mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理1天去除杂质，每隔4小时换次水，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；
步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为6.12％。
实施例3
步骤1，分别称量0.3303g天冬酰胺和0.34g葡萄糖置于烧杯中，随后加入3mL氢氧化钠(1M/L)溶液水，充分搅拌，超声得到澄清溶液；
步骤2，将装有澄清溶液的烧杯放置于油浴中，加热200℃反应30分钟，得到浅黄色固体；
步骤3，取出烧杯，自然冷却，向其中加入10mL二次水，搅拌溶解得到浅黄色溶液，过滤去除不溶物得到澄清的浅黄色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理1天去除杂质，每隔4小时换次水，即得到纯净的荧光碳量子点的水溶液；
步骤4，将上述荧光碳量子点水溶液冷冻干燥后得到荧光碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9.23％。
实施例4
将实施例1制备的荧光碳量子点进行荧光发射和紫外吸收光谱表征(见图1-2)，进行TEM、红外光谱、XRD和XPS表征(见图3-5)，得到本发明制备的荧光碳量子点的粒径均小于10nm，表面含有羧基、羟基、氨基等基团。
实施例5
取实施例1制备的荧光碳量子点水溶液(1mg/mL)1.8mL置于荧光比色皿中，分别加入0.2mL的18种常见的金属离子溶液(10mmol/L)，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λex＝413nm，λem＝508nm)，并记录荧光强度，如图6所示，碳量子点对Fe3+有良好的离子选择性，Fe3+可以使碳量子点的荧光淬灭，在加入S2-后荧光恢复。为了计算碳量子点对Fe3+和S2-的检测范围，取实施例2制备的荧光碳量子点水溶液(1mg/mL)1.8mL置于荧光比色皿中，分别加入0.2mL不同浓度(从低到高)的Fe3+和S2-溶液，混合均匀，在荧光光度计中扫描发射光谱(λex＝413nm，λem＝508nm)，见图7、8。
实施例6
实施例1制备的荧光碳量子点水溶液(8mg/mL)用于标记的人子宫颈癌HeLa细胞，如图9所示，细胞形态良好，可见碳点几乎没有细胞毒性，可用于活细胞标记。图10中从左到右依次为：A、暗场，B、(激发为405nm)细胞图(蓝色)，C、(激发为488nm)细胞图(绿色)，D、(激发为559nm)细胞图(红色)。

Claims (6)

1.一种荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)、将葡萄糖和天冬酰胺放置于烧杯中，加入氢氧化钠水溶液，充分搅拌，超声得到澄清溶液，葡萄糖、天冬酰胺、氢氧化钠和水的质量比为0.3-0.6∶0.2-0.5∶0.1-0.3∶1-6；
2)、将装有澄清溶液的烧杯放置于油浴中，加热200℃反应20-40分钟，得到固体；
3)、取出烧杯，自然冷却，加入去离子水，搅拌溶解，过滤去除不溶物得到澄清的溶液，通过500-1000Da的透析袋透析处理1天，每隔3-5小时换一次水，即得到纯净的碳量子点的水溶液；
4)、将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点。
2.如权利要求1所述的一种荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，所述的步骤1)中葡萄糖、天冬酰胺、氢氧化钠和水的质量比为0.4-0.5∶0.3-0.4∶0.1-0.2∶2-4。
3.如权利要求1和2所述方法制备的荧光碳量子点。
4.如权利要求3所述的荧光碳量子点在检测水体Fe3+中的应用。
5.如权利要求3所述的荧光碳量子点在检测水体Fe3+和S2-中的应用。
6.如权利要求3所述的荧光碳量子点在细胞荧光成像中的应用。
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