CN108084998A - 一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点及其制备方法，荧光量子产率为8.3～13.8%。将0.50～2.00 g白兰叶片粉末溶于30 mL去离子水中使其浓度为0.017～0.067 g/mL，超声震荡10～40 min，再采用水热法在140～220℃反应4～24 h获取荧光碳量子点溶液；将上述荧光碳量子点溶液超声超声震荡10～40 min，在4000～16000 r/min超速离心10～40 min，再用水相针筒式过滤器过滤，取上清液，即得荧光碳量子点溶液。本发明荧光量子产率高，制备简单，低毒、良好的生物相容性及水溶性、粒径小。

Description

一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点，同时还涉及该以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点的制备方法。
背景技术
碳量子点是一类尺寸小于10 nm的球形易分散碳纳米材料，可以作为电子给体或受体产生光致电荷转移。与传统的荧光染料相比，碳量子点克服了荧光染料激发范围窄、发射光谱半峰宽且不对称、光学性不稳定、毒性较大等缺点；碳量子点还具有毒性低、生物相容性好、易功能化等优点；与金属纳米颗粒相比，碳量子点具有荧光强度高、粒径小、合成简便等优势。由于具备以上诸多的优点，使得碳量子点在重金属检测、生物成像分析、荧光传感、催化领域、生物医药等具有潜在的应用价值。
目前，碳源和制备荧光碳量子点的方法，主要有水热法、电弧放电法、微波辐射法激光刻蚀法、化学氧化法和电化学法等，其中，水热法被认为是一种简单、高效、绿色环保的制备荧光碳量子点的方法，它是将所选碳源置于密闭的水热反应釜中，高温、高压下水热反应使碳源发生碳化形成碳量子点。水热法具有成本低、产率高、后处理简单等优势，目前己广泛应用于碳量子点制备领域，但其碳量子点的荧光活性位点少、产率低（大部分小于15%）、选择性等成为发展的瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种荧光量子产率高，制备简单，低毒、良好的生物相容性及水溶性、粒径小的以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点。
本发明的另一目的在于提供该以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点的制备方法。
本发明的一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点，荧光量子产率为8.3～13.8%。
本发明的一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.50～2.00 g白兰叶片粉末溶于30 mL去离子水中使其浓度为0.017～0.067 g/mL，超声震荡10～40 min，再采用水热法在140～220℃反应4～24 h获取荧光碳量子点溶液；
（2）将上述荧光碳量子点溶液超声震荡10～40 min，在4000～16000 r/min超速离心10～40 min，再用水相针筒式过滤器过滤，取上清液，即得荧光碳量子点溶液。
本发明与现有技术相比，具有明显的有益效果，从以上技术方案可知：本发明采用白兰叶片为碳源，采用一步水热法制备碳量子点，无需钝化剂，方法简单，粒径小，所制备的碳量子点具有低毒、良好的生物相容性和较强的荧光，荧光量子产率达13.8%。该碳量子点可作为适用于对Co2+、Hg2+和Fe3+金属离子的荧光检测、体内外荧光成像等领域，也可以用于癌细胞的荧光成像。
附图说明
图1本发明荧光碳量子点的红外表征。
图2本发明荧光碳量子点的平均荧光寿命。
图3本发明荧光碳量子点在不同激发波长下对应的发射光谱。
图4本发明荧光碳量子点的透射电镜。
图5 本发明荧光碳量子点的径粒分布。
图6本发明荧光碳量子点的XRD。
图7本发明荧光碳量子点的荧光量子产率测试数据。
图8本发明荧光碳量子点的pH稳定性测试数据。
图9本发明荧光碳量子点的稳定性测试数据。
图10本发明荧光碳量子点的细胞毒性实验结果。
图11 本发明荧光碳量子点对金属离子的荧光检测。
具体实施方式
实施例1
一种以白兰叶片为碳源的新型荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.50 g白兰叶片粉末溶于 30 mL去离子水中使其浓度为0.017 g/mL，超声震荡20 min，再采用水热法在180℃反应4 h获取荧光碳量子点溶液；
（2）将荧光碳量子点溶液在6000 r/min超速离心10 min，再用水相针筒式过滤器过滤，取上清液即得荧光碳量子点溶液。采用单光子技术测量碳量子点荧光保留时间，经计算其平均荧光寿命为4.38 ns，以硫酸奎宁（QY=54.0%）为参比，荧光量子产率为8.3%的荧光碳量子点溶液。
实施例2
一种以白兰叶片为碳源的新型荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将1.50 g白兰叶片粉末溶于30 mL去离子水中使其浓度为0.050 g/mL，超声震荡30min，再采用水热法在200℃反应16 h获取荧光碳量子点溶液；
（2）将荧光碳量子点溶液在以转速为8000 r/min超速离心30 min，再用0.22 μm水相针筒式过滤器过滤。采用单光子技术测量碳量子点荧光保留时间，经计算其平均荧光寿命为4.38 ns，以硫酸奎宁（QY=54.0%）为参比，荧光量子产率为13.8%的荧光碳量子点溶液。
实施例3
一种以白兰叶片为碳源的新型荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将2.00 g白兰叶片粉末溶于 30 mL去离子水中使其浓度为0.067 g/mL，超声震荡30 min，再采用水热法在220℃反应24 h获取荧光碳量子点溶液；
（2）将荧光碳量子点溶液在以转速为16000 r/min超速离心30 min，再用0.22 μm水相针筒式过滤器过滤。采用单光子技术测量碳量子点荧光保留时间，获得平均荧光寿命为4.38 ns，以硫酸奎宁（QY=54.0%）为参比，荧光量子产率为11.4%的荧光碳量子点溶液。
试验例1
将实施例2中制备的荧光碳量子点溶液采用红外对其表面官能团进行表征；荧光寿命、荧光发射光谱对其光致发光性能进行表征；透射电镜是对其粒径大小、高度等表面形貌特征进行表征；实验结果如下：
使用FT-IR(傅立叶变换红外光谱)分析了碳量子点的表面基团。3435 cm-1处的峰为-OH伸缩振动，2943 cm-1处的峰属于C-H伸缩振动，1584 cm-1处是C=C伸缩振动，1368 cm-1处对应于C-H 伸缩振动，1105 cm-1处属于C-N伸缩振动，687 cm－1处属于C-H 伸缩振动。FT-IR用来表征碳量子点表面的官能团如图1所示。经测量（图2）该荧光碳量子点溶液的荧光寿命为4.38 ns。
图3为其荧光发射光谱，考查了340～460 nm的激发波长，在激发波长为380 nm的条件下，荧光碳量子点的荧光强度达到最大值。透射电子显微镜（TEM）观察碳量子点的形貌和尺寸大小。图4为碳量子点的透射电镜图，图5为径粒分布图，由图可知碳量子点是一种近似球形、分散性良好、平均粒径大小为2 nm颗粒。将获得的碳量子点溶液干燥研磨，进行粉末XRD表征（图6），如图所示，说明碳量子点是一种无晶型的物质。
试验例2
荧光量子产率测定：选取硫酸奎宁（QY=54.0%）为标准物，取适量的硫酸奎宁与0.10mol/L硫酸溶液配成溶液，用UV-1102PC型紫外分光光度计在相同的激发波长（350 nm）下，获得吸光度为0.01 A、0.02 A、0.03 A、0.04 A、0.05 A的标准物和待测样品碳量子点溶液。分别测其荧光强度，获得标准物和待测样，计算荧光积分，以吸光度为横坐标，荧光积分为纵坐标作图。将所获的参数代入量子产率计算公式进行荧光量子产率的计算:YU=YS（FU/FS）（AS/AU）。式中YU为实施例2中碳量子点的量子产率，YS为标准物质的荧光量子产率，FU、FS为实施例2中碳量子点、标准物稀溶液的积分荧光强度，AU、AS为实施例2中碳量子点、标准物对在激发波长的最大吸光度值。如图7，经计算，其荧光量子产率为13.8%。
试验例3
研究实施例2荧光碳量子点的荧光性能，测量碳量子点的pH荧光稳定性。选择0.1 M的NaOH颗粒和0.1 M的HCl溶液调节pH分别为1.0、3.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、11.0、13.0，溶液定容至50 ml，如图8所示在pH为3.0～7.0的范围内以白兰叶片为荧光碳源的碳量子点溶液展示了良好的荧光稳定性。
试验例4
将实施例2为研究荧光碳量子点的荧光性能，测量了碳量子点的荧光稳定性，以60 min为一个梯度，分别在60 min、120 min、180 min、240 min、300 min、360 min、420 min测其荧光强度。碳量子点溶液随着时间的增加，荧光强度存在细微的降低趋势（图9）。
试验例5
将实施例2制备的荧光碳量子点溶液进行MTT比色法毒性测试，步骤如下：（1）将细胞在5% CO2，37℃孵育24 h，至细胞单层铺满孔底（96孔平底板）。每孔加入待测溶液，使待测溶液在每孔的浓度梯度分别为0、25、50、100、250、500、1000 µg·mL-1；（2）24 h过后，每孔加入20 μL MTT溶液（5 mg/mL，即0.5% MTT），继续培养4 h；（3）终止培养，小心吸去孔内培养液；（4）每孔加入150 μL二甲基亚砜，置摇床上低速振荡10 min，使结晶物充分溶解。在酶联免疫检测仪OD 490 nm处测量各孔的吸光值。从图10实验结果可知，随着浓度的增加和培养时间的延长，细胞的存活率虽有所下降，但在浓度1000 µg·mL-1培养48 h的条件下，细胞存活率仍高达90%，证明本发明以白兰叶片为碳源的新型荧光碳量子点毒性较小，适合于活体细胞成像的研究。
试验例6
将实施例2获得的荧光碳量子点作为荧光探针对金属离子进行检测，向该碳量子点溶液中加入0.50 mM不同金属离子Ni2+、Mg2+、Ca2+、NH4+、Al3+、Na+、Li+、K+、Sr2+、Ba2+、Mn2+、Pb2+、Ag+、Fe2+、Cd2+、Zn2+、Cr3+、Cu2+、Fe3+、Co2+、Hg2+时，如图11所示，因该碳量子点荧光探针对某些金属离子具有特异性识别，导致荧光探针的光信号发生改变，其中汞和钴离子能够有效淬灭碳量子点的荧光，Fe3+对碳量子点也有一定的淬灭，而其他金属离子则对该碳量子点的荧光强度没有显著影响。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点，荧光量子产率为8.3～13.8%。
2.一种以白兰叶片为碳源的荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
（1）将0.50～2.00 g白兰叶片粉末溶于30 mL去离子水中使其浓度为0.017～0.067 g/mL，超声震荡10～40 min，再采用水热法在140～220℃反应4～24 h获取荧光碳量子点溶液；
（2）将上述荧光碳量子点溶液超声震荡10～40 min，在4000～16000 r/min超速离心10～40 min，再用水相针筒式过滤器过滤，取上清液，即得荧光碳量子点溶液。
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