CN108190849A - 一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法，制备方法包括：(1)将氮化碳和浓硫酸混合，在30‑40℃反应4‑5h，然后用水稀释，离心，最后洗涤固体；(2)将步骤(1)所得物与浓氨水混合，置于聚四氟乙烯高压反应釜中，在170‑190℃，反应10‑16h，然后离心，用水洗涤至中性；(3)将步骤(2)所得物用水稀释，然后超声分散，最后离心，过滤，得纳米粒溶液。本发明在不使用表面活性剂或其他添加剂的情况下，通过氧化剥离和去质子化作用，最终得到了自带荧光的阴离子石墨相氮化碳纳米粒，该纳米粒具有均匀粒径和稳定的表面负电荷，能够以较高浓度在溶液中稳定存在，同时还具有良好的生物相容性和溶酶体逃逸作用。

Description

一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨相氮化碳纳米粒技术领域，具体涉及一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法。
背景技术
近几年来，以石墨烯为代表的2维层状材料由于具有其独特的理化性能引起了人们的关注，例如生物传感器、药物输送、光动力疗法、生物成像等等。石墨烯的问世到广泛研究也刺激人们对其他的一些2维材料的兴趣，譬如六方氮化硼(h-BN)、石墨碳相氮化碳(g-C3N4)等。相比于传统的材料，这一系列二维材料具有许多新的特性，并逐渐成为应用材料的一个重要分支。
石墨相氮化碳(g-C3N4)的结构与石墨烯类似，其基本结构有三嗪环和3-s-三嗪环两种。对其进过改性和剥离后，g-C3N4分散成纳米颗粒(g-C3N4NPS)，它的性能能够有很大的提高，甚至还会产生一些新特性。由于氮化碳不含有金属，具有良好的生物相容性，自带高强度，、高稳定性的荧光作用，它在生物成像、生物传感器等领域有很高的应用价值，并且，氮化碳不同于其他二维材料，氮化碳在常规制作成纳米粒的过程中，一方面可以被氧化和去质子化，带上负电荷，一方面又能被质子化而带上正电荷。
纳米粒的表面电荷能显著影响它的生物性能，如金纳米粒子在带上不同电荷后，对细胞的毒性作用不同；还有研究报道纳米粒的Zeta电位和它的细胞摄取及对蛋白质吸附作用也有很大的关系。在制备纳米粒子的制备中，Zeta电位不仅会影响溶液的稳定性，同时也会引起其生物学行为的变化。因此优化氮化碳纳米粒制备方法是十分必要的。目前，对于带正电荷的氮化碳，已有了比较成熟的方法，而制备的带负电荷的氮化碳，通常会因为质子化的影响，制备出的氮化碳带电通常不均匀，从而影响了其功能的稳定性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法，在制备过程中在不添加表面活性剂的情况下就能得到电性均匀的带有负电荷的石墨相氮化碳。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)将氮化碳和浓硫酸按质量体积比为1:25-40混合，在30-40℃反应4-5h，然后用水稀释，离心，最后洗涤固体；
(2)将步骤(1)所得物与浓氨水按质量体积比为1:250-350混合，置于聚四氟乙烯高压反应釜中，在170-190℃，反应10-16h，然后离心，得沉淀物，最后用水洗涤至中性；
(3)将步骤(2)所得物用水稀释，然后超声分散0.5-1.5h，最后离心，过滤，所得上清液为阴离子石墨相氮化碳纳米粒溶液。
进一步地，步骤(1)中氮化碳和浓硫酸按质量体积比为1:30混合，在室温条件下反应4h。
进一步地，步骤(2)中将步骤(1)所得物与浓氨水按质量体积比为1:300混合，在180℃，反应12h。
本发明提供的一种石墨相氮化碳纳米粒及其制备方法，具有以下有益效果：
现有技术中制备粒径均匀的石墨相氮化碳粒，通常需要采用模板法，并且氮化碳在分散成纳米粒的过程中很容易被质子化，最终制备得到的纳米粒带电通常不均匀，因此会影响到纳米粒的稳定性和相关的细胞实验。
本发明在不使用表面活性剂或其他添加剂的情况下，通过浓硫酸氧化剥离和氨水的去质子化作用，最终得到了自带荧光的阴离子石墨相氮化碳纳米粒(g-C3N4NPS(-))，该纳米粒具有均匀粒径和稳定的表面负电荷，能够以较高浓度在溶液中稳定存在(2.57mg/mL)，在水中也可以稳定存在数周，同时还具有良好的生物相容性和溶酶体逃逸作用，这对构建以g-C3N4为主体的纳米载药系统是十分有利的。
附图说明
图1为氮化碳和阴离子g-C3N4NPs的XRD表征图。
图2为硫酸处理不同时间后的阴离子g-C3N4纳米粒的Zeta电位分布图。
图3为阴离子g-C3N4NPs的原子力显微图像和粒径的测量结果。
图4为阴离子g-C3N4NPs的扫描电镜显微图像。
图5为不同浓度的阴离子g-C3N4NPs对MCF-7细胞24h的细胞毒性结果。
图6为MCF-7细胞摄取阴离子g-C3N4NPs24h后，细胞的荧光图像，其中蓝色为材料的自发荧光(A)，红色为溶酶体染色(C)，绿色为细胞骨架染色(B)。
具体实施方式
实施例1
一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取1g固体氮化碳，置于烧瓶中，然后倒入30mL浓硫酸进行反应，反应时间分别为1h、2h、3h、4h、5h，反应液用水稀释至1L，然后离心，去除滤液，洗涤固体，最后干燥，该固体为经过浓硫酸剥离和氧化后得到的多孔氮化碳。
(2)称取100mg干燥后的多孔氮化碳，加入30mL浓氨水，装入聚四氟乙烯高压反应釜中，保持在180℃，反应12h，然后将反应物离心并用水洗至中性。
(3)将步骤(2)所得物用水稀释至25mL，然后用超声探头超声分散1h，处理后的疏松氮化碳经过超声分散后被打碎成为纳米粒悬浮在溶液中，然后在17000g离心力条件下离心，过滤，所得上清液为阴离子的g-C3N4纳米粒溶液。
将浓硫酸反应时间为4h时制备得到的阴离子的g-C3N4纳米粒以及氮化碳进行XRD表征，其结果见图1，图1中上面的曲线为氮化碳的XRD表征图，下面曲线为阴离子的g-C3N4纳米粒XRD表征图。由图1可知，氮化碳原料在2θ＝26.2处有强吸收峰，这与公认氮化碳的吸收峰一致，而在经过处理后得到的阴离子氮化碳纳米粒吸收峰变得较钝较低平，但峰的位置没有变，说明它在处理过程中结晶度变低，但保留了氮化碳的特性。
实施例2
一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取1g固体氮化碳，置于烧瓶中，然后倒入25mL浓硫酸进行反应，反应时间为4h，反应液用水稀释至1L，然后离心，去除滤液，洗涤固体，最后干燥，该固体为经过浓硫酸剥离和氧化后得到的多孔氮化碳。
(2)称取100mg干燥后的多孔氮化碳，加入25mL浓氨水，装入聚四氟乙烯高压反应釜中，保持在180℃，反应10h，然后将反应物离心并用水洗至中性。
(3)将步骤(2)所得物用水稀释至25mL，然后用超声探头超声分散1h，处理后的疏松氮化碳经过超声分散后被打碎成为纳米粒悬浮在溶液中，然后在17000g离心力条件下离心，过滤，所得上清液为阴离子的g-C3N4纳米粒溶液。
实施例3
一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取1g固体氮化碳，置于烧瓶中，然后倒入35mL浓硫酸进行反应，反应时间为4h，反应液用水稀释至1L，然后离心，去除滤液，洗涤固体，最后干燥，该固体为经过浓硫酸剥离和氧化后得到的多孔氮化碳。
(2)称取100mg干燥后的多孔氮化碳，加入35mL浓氨水，装入聚四氟乙烯高压反应釜中，保持在180℃，反应14h，然后将反应物离心并用水洗至中性。
(3)将步骤(2)所得物用水稀释至25mL，然后用超声探头超声分散1h，处理后的疏松氮化碳经过超声分散后被打碎成为纳米粒悬浮在溶液中，然后在17000g离心力条件下离心，过滤，所得上清液为阴离子的g-C3N4纳米粒溶液。
实施例4
一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取1g固体氮化碳，置于烧瓶中，然后倒入40mL浓硫酸进行反应，反应时间为4h，反应液用水稀释至1L，然后离心，去除滤液，洗涤固体，最后干燥，该固体为经过浓硫酸剥离和氧化后得到的多孔氮化碳。
(2)称取100mg干燥后的多孔氮化碳，加入30mL浓氨水，装入聚四氟乙烯高压反应釜中，保持在180℃，反应16h，然后将反应物离心并用水洗至中性。
(3)将步骤(2)所得物用水稀释至25mL，然后用超声探头超声分散1h，处理后的疏松氮化碳经过超声分散后被打碎成为纳米粒悬浮在溶液中，然后在17000g离心力条件下离心，过滤，所得上清液为阴离子的g-C3N4纳米粒溶液。试验例
1、Zeta电位和粒径的测试
Zeta电位测试：通过动态光散射的方法测定，首先用无水乙醇将测量池清洗三次，再用过滤后的双蒸水清洗三次，量取1mL样品(阴离子的g-C3N4纳米粒溶液)放入测量池中，使样品在测量池中高度没过测量池的金属片，按仪器指示，打开样品池盖，放入测量池，开始测量，测量三次，测量结果见图1，图1中三条完整的曲线表示三次测量结果。
2、纳米粒的粒径：通过原子力显微镜测试(Shimdzu SPM-9700)：将所得样品用水稀释为5μg/ml，然后滴一滴溶液到干净的硅片上，室温下晾干硅片，最后用原子力显微镜的轻敲模式对样品进行测量，测量结果见图2。
测试结果：我们利用动态光散射对经过浓硫酸不同处理时间后(1h、2h、3h、4h、5h)最终得到的纳米粒Zeta电位的变化进行检测和分析。结果说明，用浓硫酸处理时间不够长时，Zeta电位表现得很不稳定，只有当时间为4和5h时，g-C3N4纳米粒子才表现出稳定、集中的Zeta电位，尤其是在4h，效果最佳。因此，我们最终选择的用于细胞实验的纳米粒，是在浓硫酸处理4h后制备的g-C3N4阴离子纳米颗粒。
可以看到，在原子力显微镜下，氮化碳纳米粒分散均匀，我们又用SPM-9700AFM对纳米粒进行分析，纳米粒的大小在40nm～50nm之间，结果见图3。
2、细胞相容性测试
使用人乳腺癌细胞MCF-7作为实验细胞，用0.25％胰蛋白酶消化后制成细胞浓度为6.6×104个/mL的悬液，在96孔板每孔接种150μL细胞悬液，培养一天后，弃去上层培养基，重新加入含有不同浓度的g-C3N4NPs(阴离子的g-C3N4纳米粒)的新培养基(30μg/mL、60μg/mL、120μg/mL、240μg/mL、360μg/mL、480μg/mL和600μg/mL)，培养24h后，弃上清液和贴壁细胞，PBS轻轻洗净，每个孔加入含10％CCK-8试剂的无血清培养基200μL，37℃孵育2h。反应后，将上清液转移到另一个未使用的96板相应的孔中，用酶标仪测定(VariOskanFlas3001,Thermo,U.S.)样品在450nm波长处的吸光度。
测试结果：CCK-8检测结果如图4所示，结果表明g-C3N4NPs(-)(阴离子的g-C3N4纳米粒)在剂量小于600μg/mL时，培养24h对细胞活力没有任何影响，这表明g-C3N4NPs有良好的生物安全性。
3、荧光染色
将MCF-7细胞接种于共聚焦培养皿(NEST玻底培养皿)中，待24h后，弃去原培养液，加入含有400μg/mL g-C3N4NPs的新培养基。培养24h后，用溶酶体染料(Lyso-Tracker Red，Beyotime Biotechnology)在活细胞状态，37℃条件下染色60min，之后，用PBS洗细胞3次，然后用4％多聚甲醛固定30min，用FITC标记的鬼笔环肽对细胞F-肌动蛋白染色，37℃孵育30min，最后利用激光扫描共聚焦显微镜荧光采得荧光图像(TCS SP8；Leica,Wetzlar,Germany)，结果见图5。
测试结果：纳米粒子与溶酶体的关系对于载药系统的研究具有重要意义，药物或载体进入细胞后，只有在当他们不被溶酶体降解时才能产生相应地生物效应。在我们的研究中，我们采用溶酶体荧光染色观察溶酶体和制备纳米粒子之间的关系，当培养24h后，g-C3N4NPs(-)一部分包裹在溶酶体中，也有一部分不和溶酶体包裹范围完全重合，说明本发明制备的阴离子g-C3N4纳米粒有一定的溶酶体逃逸作用。上述试验例均是对实施例1制得的g-C3N4纳米粒进行的一些参数测定以及效果验证，实施例2-4的纳米粒大小也在40nm～50nm之间，Zeta电位也较稳定和集中，细胞相容性也较佳，也具有一定的溶酶体逃逸作用，不过实施例1中氮化碳与浓硫酸反应4h的方法制得的阴离子g-C3N4纳米粒参数最稳定，溶酶体逃逸作用最佳。

Claims (4)

1.一种石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氮化碳和浓硫酸按质量体积比为1:25-40混合，在30-40℃反应4-5h，然后用水稀释，离心，最后洗涤固体；
(2)将步骤(1)所得物与浓氨水按质量体积比为1:250-350混合，置于聚四氟乙烯高压反应釜中，在170-190℃，反应10-16h，然后离心，用水洗涤至中性；
(3)将步骤(2)所得物用水稀释，，然后超声分散0.5-1.5h，最后离心，过滤，所得上清液为阴离子石墨相氮化碳纳米粒溶液。
2.根据权利要求1所述的石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中氮化碳和浓硫酸按质量体积比为1:30混合，在室温条件下反应4h。
3.根据权利要求1所述的石墨相氮化碳纳米粒的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将步骤(1)所得物与浓氨水按质量体积比为1:300混合，在180℃，反应12h。
4.权利要求1-3任一项所述的方法制备得到的石墨相氮化碳纳米粒。
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