CN108359452A - 一种水溶性类石墨烯量子点及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水溶性类石墨烯量子点及其制备方法与应用。该方法采用无毒的大分子聚合物如聚乙烯亚胺，在水热条件下合成出了粒径为4 nm左右、荧光性能优越，发射波长可逐渐从紫外光区移向蓝光区域的类石墨烯纳米粒子。与其他有机相合成量子点的方法相比，该方法所用原料价格低廉，安全低毒，操作简单，重现性好，对操作人员和仪器设备要求较低。与其他水热法合成的量子点相比，该量子点水溶性好，不含有任何金属元素，利于生物分析和环境水质检测，且生物相容性好，可应用于基因分析，生物成像等各个领域。

Description

一种水溶性类石墨烯量子点及其制备方法与应用
本专利受到国家自然科学基金面上项目2137509，天津市自然科学基金青年项目（No.17JCQNJC05800）和天津师范大学博士基金项目（No.52XB1510）的资助。
技术领域
本发明属于量子点制备技术领域，具体涉及一种在水热条件下制备类石墨烯量子点的方法。
背景技术
量子点是把导带电子、价带空穴及激子在三维空间方向上束缚的半导体纳米材料。量子点具有分离的量子化能谱，其物理行为（如光、电性质）与原子相似，呈分立能级结构，因此量子点又被称作“人造原子”。由于量子限域、表面效应和尺寸效应的影响，量子点作为一种新型荧光纳米材料具有传统荧光有机染料不具备的优异特性，如宽激发、窄发射、发光范围覆盖紫外到近红外，荧光稳定性强等，尤其是其宽的激发光谱范围，可以实现单一激发光源同时激发产生多色荧光的性质。因而，量子点作为发光器件在量子点敏化太阳能电池、光电探测器和生物标记等方面都有广泛应用。
随着研究者们将量子点应用到实际检测的各个方面，人们对量子点的要求也逐渐增加。一方面，通过表面修饰增加量子点的特异性识别、通过使用无毒或低毒的原料对量子点进行合成、通过稳定剂的使用增加量子点的生物相容性、通过简化合成步骤来降低对操作人员和仪器设备的要求等。另一方面，为提高量子产率，调节发光位置，降低毒性，研究者们开始掺杂新的元素调节量子点的光学性能，可分为核壳结构量子点（如CdSe/ZnS、CdTe/CdSe等），合金量子点（如CdSeTe、CdHgTe等）以及掺杂量子点（如Mn:ZnS等）。
碳氮杂环形成的新型类石墨烯量子点因为其自身良好的光伏特性和吸附特性已获得了极大的关注，特别是在作为多结化合物薄膜太阳能电池方面光学和电学性能尤为突出。直接由含有C、N元素的大分子聚合物水热烧结成新型类石墨烯量子点的报道目前还基本没有出现。如果能通过调控成功合成出新型类石墨烯量子点，那么它与传统量子点相比在无毒，水溶性好，量子效率高，生物相容性好，成本低廉，步骤简单，对操作人员和仪器设备要求低等方面具有明显优势。因而，探索一种能直接合成出来的亲水性新型类石墨烯量子点的方法以提高其在生物医学领域和环境水质检测领域的实际应用价值有着重要的作用。
发明内容
本发明针对传统量子点存在的问题，提出了一种新颖的制备类石墨烯量子点的方法。该方法低毒，水溶性好，量子效率高，生物相容性好，成本低廉，步骤简单，对操作人员和仪器设备要求低。
为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：
一种水溶性类石墨烯量子点，其特征在于它是由大分子聚合物如聚乙烯亚胺经水热处理自卷曲成环的带有荧光性的粒径为4 nm水溶性类石墨烯量子点；该水溶性类石墨烯量子点在350 nm 处有紫外吸收，荧光发光位置处于可见蓝光区域。此外，表面带有大量氨基。
本发明进一步公开了水溶性类石墨烯量子点的水热制备方法，其步骤如下：
1）室温条件下精确称取0.0008 g-0.5640 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
2）将其分别溶解于0-12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
3）将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
4）180 ℃温度条件下加热7-48小时，经处理后，即可得到带有荧光性的粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点。上述步骤中聚乙烯亚胺也可以由其他含有C、N元素的大分子聚合物或小分子物质代替。
本发明更进一步公开了采用该方法制备的水溶性类石墨烯量子点在用于提高肾上腺素最低检测范围方面的应用。实验结果显示：应用类石墨烯量子点可实现对肾上腺素的检测范围为：0.1-50 μM，最低检测限为38 nM。
同时也公开了水溶性类石墨烯量子点在用于定量检测多巴胺在生物体液中含量方面的应用。实验结果证明：应用类石墨烯量子点可实现对多巴胺的检测范围为：0.1-100μM，最低检测限为68 nM。
本发明还公开了水溶性类石墨烯量子点在用于水中重金属含量方面的应用。经数据处理证明：应用类石墨烯量子点可实现对水中重金属离子Pb2+的检测范围为：1-100 μM，最低检测限为380 nM。
本发明制备的水溶性类石墨烯量子点的物理特性如下：
（1）水溶性类石墨烯量子点是一种目前尚未报道的新型量子点，主要是由大分子聚合物聚乙烯亚胺在水原位催化的作用下，通过水热反应，进行自卷曲成环，从而形成具有荧光性质的类石墨烯量子点。
（2）该量子点粒径约为4 nm左右，尺寸均一，分散性良好，在350 nm 处有紫外吸收，荧光发光位置处于可见蓝光区域。此外，表面带有大量氨基，因此水溶性和生物相容性良好。
本发明用无毒的聚乙烯亚胺，在水原位催化的条件下水热合成新型的类石墨烯量子点。本发明方法成本低廉，步骤简单，对操作人员和仪器设备要求低，为之后大规模合成制备提供了可能。合成得到的新型的类石墨烯量子点均一稳定、低毒、水溶性好、量子效率高、生物相容性好、是一种良好的荧光标记物，在生物检测，细胞、组织、活体成像等领域有着巨大的应用前景。
本发明的优点和与现有技术相比的积极效果：
（1）本发明提供了一种能直接合成出来的亲水性新型的类石墨烯量子点的方法，该方法目前尚未有相关报道。
（2）本发明提供的合成方法成本低廉，步骤简单，对操作人员和仪器设备要求低，为之后大规模合成制备类石墨烯量子点提供了可能。
（3）本发明合成得到的新型类石墨烯量子点均一稳定、无毒、水溶性好、量子效率高、生物相容性好、是一种良好的荧光标记物，在生物检测，细胞、组织、活体成像等领域有着巨大的应用前景。
（4）本发明可通过调节聚乙烯亚胺的加入量调控量子点的发光位置（从紫外光区到蓝色可见光区均可），另外调节加热反应时长可调控量子点的发光强度，从而满足此量子点应用方面的各种需求。
附图说明
图1为水溶性类石墨烯量子点的透射电镜（TEM）图，从图中可知合成的新型量子点，尺寸均一，粒径大小约为4 nm左右；
图2为合成新型类石墨烯量子点前后的核磁氢谱的对比图。(A)原料聚乙烯亚胺的核磁氢谱图，(B)合成类石墨烯量子点的核磁氢谱图，由图可以看出，合成后的物质在低场区出峰，证明有C和N的共轭体系生成，即为新型类石墨烯量子点；
图3为水溶性类石墨烯量子点的紫外吸收图，说明合成的新型量子点在350 nm左右有紫外吸收，这与其荧光激发波长相一致；
图4为通过调节聚乙烯亚胺的加入量调控量子点的发光位置，从紫外光区到蓝色可见光区的荧光谱图；
图5为水溶性铜锌锡硫合金量子点和聚乙烯亚胺的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图，通过对比可以看出，合成的新型量子点表面保留有部分聚乙烯亚胺的特性，即氨基为其活性基团；
图6为水溶性铜锌锡硫合金量子点在合成过程中优化加热时长的荧光谱图，证明随加热时长的增加，合成的新型量子点的荧光强度逐渐增强；
图7为水溶性类石墨烯量子点检测肾上腺素的荧光猝灭图，肾上腺素可以线性猝灭合成的新型量子点，从而实现对肾上腺素的定量检测。检测范围为0.1-50 μM，最低检出限为45 nM。
具体实施方式
通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清晰和容易理解。下面结合具体实例对本发明作进一步详细说明。
本发明所述的高纯水购买于天津师范大学水资源与水环境重点实验室（对外有售），聚乙烯亚胺购买于北京麦克林生物试剂有限公司，其他无机试剂均购买于天津市科威有限公司。
实施例1
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.0008 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热12小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液，经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光发射波长在紫外区域。
实施例中所述的后处理指的是向合成的量子点溶液中加入有机溶剂如四氢呋喃，由于溶解度的不同，使得量子点沉降下来，之后将沉降下来的量子点离心干燥即可。
实施例2
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.5640 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热12小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液。经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光发射波长在可见蓝光区域，但由实验现象可知，此时的PEI大大过量，没有完全反应。
实施例3
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.2828 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于0 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热12小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液。经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光强度较低。
实施例4：
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.2828 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热7小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液。经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光强度较低。
实施例5：
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.2828 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热48小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液。经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光强度较高，但实验时间过长，不利于方便合成的要求。
实施例6：
水溶性新型类石墨烯量子点的制备分为以下步骤：
A. 室温条件下精确称取0.2828 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
B. 将其分别溶解于12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
C. 将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
D. 180℃温度条件下加热12小时，即可得到水溶性类石墨烯量子点溶液。经后处理后得到粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点；此时得到的水溶性新型类石墨烯量子点的荧光发光位置处于可见蓝光区域，且荧光强度较高，峰型对称，说明合成的量子点尺寸均一。
实施例7：
对肾上腺素的定量检测
将合成的新型水溶性类石墨烯量子点用于检测肾上腺素，其方法如下：
（1）0.2 mol/L，25 ℃，pH= 7.4 PBS缓冲溶液的配置：
0.2 mol/L Na2HPO4溶液 称取0.716 g Na2HPO4·12H2O溶于10 mL高纯水中；
0.2 mol/L NaH2PO4溶液 称取0.312 g NaH2PO4·2H2O溶于10 mL高纯水中；取1.9 mLNaH2PO4溶液和8.1 mL Na2HPO4溶液充分混合，即可得到0.2 mol/L PBS缓冲溶液（pH=7.4）。
（2）类石墨烯量子点检测肾上腺素：向5 mL离心管中依次加入200 μL类石墨烯量子点溶液，200 μL PBS缓冲溶液，40 μL 不同浓度肾上腺素溶液，用荧光光度计检测其荧光强度，根据其荧光强度的变化能对肾上腺素进行定量分析检测。经数据处理，应用类石墨烯量子点可实现对肾上腺素的检测范围为：0.1-50 μM，最低检测限为40 nM。
实施例8
对多巴胺的定量检测
将合成的新型水溶性类石墨烯量子点用于检测多巴胺，其方法如下：
（1）0.2 mol/L，25 ℃，pH= 8.5 BR缓冲溶液的配置：
0. 04 mol/L磷酸、硼酸和醋酸配制而成，使用时用0.2 mol/L NaOH溶液在酸度计上调至pH= 8.5，即可得到0.2 mol/L BR缓冲溶液（pH= 8.5）。
（2）类石墨烯量子点检测多巴胺：向5 mL离心管中依次加入200 μL类石墨烯量子点溶液，200 μL BR缓冲溶液，40 μL 不同浓度多巴胺溶液，用荧光光度计检测其荧光强度，根据其荧光强度的变化能对多巴胺进行定量分析检测。经数据处理，应用类石墨烯量子点可实现对多巴胺的检测范围为：0.1-100 μM，最低检测限为68 nM。
实施例9：
对水中重金属离子Pb2+的定量检测
将合成的新型水溶性类石墨烯量子点用于检测水中重金属离子Pb2+，其方法如下：
类石墨烯量子点检测水中重金属离子Pb2+：向5 mL离心管中依次加入200 μL类石墨烯量子点溶液，200 μL PBS缓冲溶液，40 μL 不同浓度水中重金属离子Pb2+溶液，用荧光光度计检测其荧光强度，根据其荧光强度的变化能对水中重金属离子Pb2+进行定量分析检测。经数据处理，应用类石墨烯量子点可实现对水中重金属离子Pb2+的检测范围为：1-100 μM，最低检测限为380 nM。

Claims (6)

1.一种水溶性类石墨烯量子点，其特征在于它是由大分子聚合物如聚乙烯亚胺经水热处理自卷曲成环的带有荧光性的粒径为4 nm水溶性类石墨烯量子点；该水溶性类石墨烯量子点在350 nm 处有紫外吸收，荧光发光位置处于可见蓝光区域，同时表面带有大量氨基。
2.权利要求1所述水溶性类石墨烯量子点的水热制备方法，其步骤如下：
1）室温条件下精确称取0.0008 g-0.5640 g的聚乙烯亚胺（PEI）；
2）将其分别溶解于0-12 mL水中，充分搅拌，使其溶解完全；
3）将上述溶液通氮气15分钟，除去溶解氧后转入反应釜中；
4）180 ℃温度条件下加热7-48小时，经处理后，即可得到带有荧光性的粒径为4-5 nm水溶性类石墨烯量子点。
3.权利要求1所述的制备方法，其特征在于：上述制备方法可用于含有C和N元素的大分子聚合物或小分子物质，如聚乙烯亚胺、多巴胺、壳聚糖。
4.权利要求1所述水溶性类石墨烯量子点在用于提高肾上腺素最低检测范围方面的应用。
5.权利要求1所述水溶性类石墨烯量子点在用于定量检测多巴胺在生物体液中含量方面的应用。
6.权利要求1所述水溶性类石墨烯量子点在用于水中重金属含量方面的应用。
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