CN107815310B - 一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮、氯双掺杂荧光碳量子点的制备方法，以氨基糖类盐酸盐或氨基酸类盐酸盐为原料，同时提供碳、氮和氯源，先将原料溶解在超纯水中搅拌，得到澄清溶液后进行水热反应，将合成产物冷却后进行过滤，离心，透析，得到水溶性的氮、氯双掺杂的荧光碳量子点。本发明为一步反应，不仅所需原料少，副产物少，而且具有高效、经济等特点。本发明制备的碳量子点具有稳定的荧光性质与低毒性，可应用于Fe3+的检测，同时在荧光油墨，污水处理等方面也具广阔的应用前景。

Description

一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法
技术领域
本发明属于无机材料化学领域，涉及一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法，具体涉及一种以氨基糖类盐酸盐或氨基酸类盐酸盐为唯一原料来源的氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法。
背景技术
量子点作为一种由少量原子构成的准零维的纳米材料，其尺寸在1～100nm之间，具有量子限域效应、尺寸效应以及表面效应等优越的性质，可作为新型的荧光纳米材料应用于光学、细胞生物学、生物化学以及分子生物学等方面。半导体量子点具有单颗粒荧光强、荧光波长可调控以及耐光漂白等优点。然而，半导体量子点中常常含有重金属元素，增加了半导体量子点的毒性，限制了其应用。因此寻找一种低毒/可代替半导体量子点的纳米荧光材料成为研究的热门方向。
碳量子点的合成方法主要有“自上而下”和“自下而上”两种方法。自上而下法是通过电化学氧化法、电弧放电和激光消融等方法将大的碳材料剥离成小的碳颗粒。自下而上法是通过热处理或微波法将“小”的分子前驱体制备成“大”的碳点。用来制备碳量子点的原料非常广泛，可以是化合物或碳单质。但是以不同物质为碳源制备出的荧光碳量子点其量子产率有很大差别。通过杂原子掺杂，能够改变碳量子点的表面结构和官能团，从而提高碳量子点的发光效率。然而，目前的研究仍仅限于氮、氯、磷、硫等单元素的掺杂，双原子共掺杂的方法仍待进一步的研究。赵树林等使用葡萄糖为碳源，氨水和磷酸为掺杂剂，水热反应制备了氮、磷共掺杂碳量子点，该方法使用原料较多同时反应时间较长(Bingfang Shi etal,Nitrogen and Phosphorus Co-Doped Carbon Nanodots as a Novel FluorescentProbe for Highly Sensitive Detection of Fe3+in Human Serum and Living Cells[J].Acs Applied Materials&Interfaces,2016,8(17).)。王爱军等使用氮-磷氨基二羧酸和乙二胺为反应物，微波反应制备量子产率为17.5％的氮、磷共掺杂碳量子点，制备的碳量子荧光量子产率较低(Ai-Jun Wang et al，Microwave-assisted synthesis of N,P-doped carbon dots for fluorescent cell imaging[J].Microchimica Acta,2016,183(2):821-826.)。因此，寻找一种合适的原料，通过便捷、绿色的合成方法制备双原子共掺杂荧光碳量子点，成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法，利用单一原料进行制备，制备的氮、氯双掺杂碳量子点同时具备低毒性与优异的荧光性，能广泛应用于金属离子检测领域。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将氨基糖类盐酸盐或氨基酸类盐酸盐搅拌溶解于水中，得到前驱体溶液；
步骤2，将前驱体溶液于160～220℃水热条件下反应，反应结束后自然冷却至室温，得到悬浊液；
步骤3，将悬浊液进行过滤、离心与透析，冻干后得到氮、氯双掺杂碳量子点。
优选地，所述的氨基糖类盐酸盐选自氨基葡萄糖盐酸盐或氨基半乳糖盐酸盐，所述的氨基酸类盐酸盐为半胱氨酸盐酸盐。
优选地，所述的前驱体溶液的浓度为0.5～1mol/L。
优选地，步骤2中，所述的水热反应时间为1～3h。
本发明方法制备的氮、氯双掺杂碳量子点表面具备酚羟基，能与Fe3+发生表面络合作用，产生非辐射电子转移，从而出现荧光猝灭现象，可作为荧光探针在水中检测Fe3+。
与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)本发明利用一种原料，同时作为碳源、氮源和氯源，并且其来源广泛，价格便宜；
(2)本发明所需设备操作简单，不需要强酸、强碱或表面钝化剂，制备周期短，重复性好；
(3)制得的氮、氯双掺杂碳量子点具有良好的水溶性、分散性以及低毒性；
(4)制备的氮、氯双掺杂碳量子点检测Fe3+的检出限低，最低检出限为0.16μmol，检测线性范围宽。
附图说明
图1为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点的透射电镜图。
图2为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点的C1s的XPS光谱图。
图3为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点的N1s的XPS光谱图。
图4为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点的XPS光谱图。
图5为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点的荧光发射曲线在不同激发波长下的光谱图。
图6为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点加入相同浓度的不同金属离子的前后的荧光强度对比图。
图7为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点加入不同浓度的Fe3+前后的荧光强度对比图。
图8为实施例1制备的氮、氯双掺杂碳量子点利用MTT法进行的细胞毒性测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用220nm为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为16.9％。
参见附图1，可以看到该合成条件下制备的氮、氯双掺杂碳量子点的透射电镜照片，氮、氯双掺杂碳量子点的尺寸均一，大约在3nm左右，并且分散均匀。参见附图2和附图3，可以看到相应荧光碳量子点的C1s和N1s分峰图。在C1s分峰图中表明量子点表面有C＝C(283.9eV),C-N(285.2eV),C-O(286.0eV)与C＝O(287.5eV)等化学键。在N1s分峰图中表明量子点表面有C5H5N(398.3eV),N-(C3)(400.7eV)等含氮化学键。在附图4中可以看到，Cl2p(200eV),C 1s(284eV),N 1s(400eV)以及O 1s(530eV)等峰。在附图5中可以看到氮、氯双掺杂碳量子点在激发波长为360～430nm时(分别对应图中1～8)，碳量子点的发射峰随激发波长的变化发生了红移，同时荧光强度也有一定程度的改变，这可能因为合成的荧光碳量子点粒径不均匀或荧光碳量子点表面的发光位点不同引起的。
实施例2
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌20min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应2h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用220nm的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用截留分子量为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为21.3％。
实施例3
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌25min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应3h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用220nm的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用截留分子量为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为23.2％。
实施例4
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，220℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用220nm的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用截留分子量为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为20.6％。
实施例5
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌25min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，180℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用220nm的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用截留分子量为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为13.4％。
实施例6
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，160℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用220nm的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用截留分子量为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为10.2％。
实施例7
步骤1：称量2.15g氨基半乳糖盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用220nm为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15.6％。
实施例8
步骤1：称量1.75g半胱氨酸盐酸盐溶解于10mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用220nm为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15.2％。
实施例9
步骤1：称量2.15g氨基葡萄糖盐酸盐溶解于20mL水中，用搅拌棒搅拌15min，使之彻底溶解得到澄清透明溶液。
步骤2：将澄清溶液转移至水热反应釜，200℃反应1h，反应过后得到的溶液冷却至室温得到悬浊液。
步骤3：将该悬浊液使用的聚四氟乙烯滤膜，进行过滤。然后在6000r/min离心15min，得到棕色溶液。
步骤4：将该棕色溶液用220nm为1000Da的透析袋进一步透析，透析两天得到氮、氯双掺杂碳量子点溶液。
步骤5：将该氮、氯双掺杂碳量子点溶液在冻干机中冻干，得到氮、氯双掺杂碳量子点固体，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为15.3％。
实施例10
将实施例1制备得到的氮、氯双掺杂碳量子点配制为10μg/mL溶液，分别加入10μM的Fe3+,Ag+,Co2+,Ca2+,Cd2+,Pb2+,Zn2+,Cr3+,Mg2+,Cu2+,Hg2+金属离子，摇匀并静置5min，用荧光分光光度仪检测荧光强度，结果如附图6所示。在附图6中可以看到当加入相同浓度的不同金属离子时，只有Fe3+离子能使荧光碳量子点产生明显的荧光猝灭现象，这说明制备的氮、氯双掺杂碳量子点可以定性的检测Fe3+。同时在该溶液中分别加入0～40μM的Fe3+，并用荧光分光光度仪检测荧光强度，结果如附图7所示。在附图7中可以看到当加入不同浓度的Fe3+离子时，当Fe3+浓度在一定程度下增加时，荧光猝灭现象更加明显，这说明制备的氮、氯双掺杂碳量子点可以定量的检测Fe3+。
实施例11
将COS7细胞按照每孔6000个细胞的密度接种在96孔板中，在37℃的5％CO2孵育箱培养24h，使用完全培养基分别配制1,5,10,15,20μg/mL的氮、氯双掺杂碳量子点溶液与细胞共同培养。对照组为不加氮、氯双掺杂碳量子点的细胞。孵育箱培养24h后，于每孔中加入20μL MTT溶液(5mg/mL)，继续培养4h；然后去除旧培养基，在每孔中加入150μL DMSO(二甲基亚砜)，振荡10min待沉淀物溶解后，使用Bio-Rad酶标仪在490nm波长下从测定各个孔的吸光值。细胞毒性测试结果如附图8。在附图8中当氮、氯双掺杂碳量子点浓度增加时，细胞存活率一定程度下有所降低，然而其最低细胞存活率仍高于83％。这说明制备的氮、氯双掺杂碳量子点毒性很低。

Claims (1)

1.一种氮、氯双掺杂的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将氨基糖类盐酸盐或氨基酸类盐酸盐搅拌溶解于水中，得到前驱体溶液，所述的氨基糖类盐酸盐选自氨基葡萄糖盐酸盐或氨基半乳糖盐酸盐，所述的氨基酸类盐酸盐为半胱氨酸盐酸盐；
步骤2，将浓度为0.5～1mol/L的前驱体溶液于160～220℃水热条件下反应1～3h，反应结束后自然冷却至室温，得到悬浊液；
步骤3，将悬浊液进行过滤、离心与透析，冻干后得到氮、氯双掺杂碳量子点。
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