CN108410465A - 荧光增强型石墨烯量子点-下转换稀土氟化物复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了荧光增强型石墨烯量子点‑下转换稀土氟化物复合材料，属于化工领域。本发明设计并合成了一种荧光增强型石墨烯量子点‑稀土下转换氟化物复合材料，通过简单的水热合成法将石墨烯量子点与稀土氟化物结合，得到的稀土氟化物复合材料粒径小、结晶度高和易分散于水，与现有的方法相比，制备方法简单、高效、绿色环保。

Description

荧光增强型石墨烯量子点-下转换稀土氟化物复合材料
技术领域
本发明涉及荧光增强型石墨烯量子点-下转换稀土氟化物复合材料，属于化工领域。
背景技术
石墨烯量子点是横向尺寸小于10nm的单层或多层(3-10层)的石墨烯碎片，其量子约束和边缘效应赋予了其光学活性、导电性和化学惰性，在生物传感分析、细胞成像及光电子器件等领域表现出极大的应用前景。但是目前技术所制备的石墨烯量子点荧光量子产率不高，作为光学探针应用很受限制。
稀土氟化物具有宽带隙、低声子能量、高热和环境稳定性，是一种重要的发光材料。稀土氟化物的发光性能取决于它的组成，不同的发光稀土和基质稀土组合将产生不同颜色的荧光发射。例如，NaTbF4和NaEuF4因稀土电子跃迁能级不同分别发出明亮的绿光和红光。此外，晶型、粒径及表面修饰也都不同程度地影响稀土氟化物的发光性能。为此，人们开发了许多合成方法。其中，溶剂热法和水热法最为常用。溶剂热法通常采用油酸、十八稀等有机溶剂为介质制备稀土氟化物晶体。溶剂热法制备的稀土氟化物尺寸较小且均一，适合细胞和生物体内的光学检测与成像，但合成条件苛刻，需在无水无氧的条件下高温反应一段时间(Wang F,Han Y,Lim C S,et al.Simultaneous phase and size controlofupconversion nanocrystals through lanthanide doping[J].nature,2010,463(7284):1061.)，并且所制备得到的氟化物因水溶性差且不具有功能性比需经过改性包覆后才能用于生物医药领域，而功能改性步骤繁琐，且会增大最终产物的粒径，导致产品在溶液中稳定性变差且发光强度减弱。相对于溶剂热法，水热法具有操作简单、产品结晶度好的特点。传统水热法得到的稀土氟化物粒径偏大，容易团聚，极大地限制了它们在生物分析等领域的应用。
石墨烯量子点和稀土氟化物是各具特点的发光材料，它们的结合可能导致不同寻常的性质及相关应用。
发明内容
发明目的：提供一种荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的制备方法。以组氨酸功能化石墨烯量子点为稳定剂水热合成稀土氟化物，使得稀土氟化物表面存在大量功能性基团，提高了稀土氟化物的水溶性和稳定性，且具有功能性。将石墨烯量子点通过石墨烯量子点和稀土下转换氟化物之间的荧光共振能量转移，实现石墨烯量子点荧光发射强度的提高，使细胞成像具有更高的分辨率。
本发明提供了荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
1)制备复合材料前驱体，将组氨酸功能化的石墨烯量子点配制成水溶液，调节pH值至中性(6-8)，以所得组氨酸功能化石墨烯量子点水溶液为稳定剂，在搅拌条件下，向稀土离子溶液中滴加组氨酸功能化石墨烯量子点水溶液，经过配位形成石墨烯量子点-稀土配合物分散液，然后，滴加一定量的氟化钠水溶液或(氟化铵与氢氧化钠/锂的混合水溶液)，形成前驱体；
2)将由步骤1)所制备的前驱体在一定温度下加热反应一段时间，收集上清液，高速离心一段时间，去除游离的石墨烯量子点，沉淀用水洗涤2-5次，冷冻干燥得到石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述组氨酸功能化的石墨烯量子点，尺寸1-3nm，厚度2-4nm。所述组氨酸功能化的石墨烯量子点在石墨烯边缘含有大量羧基具使其有优异的亲水性以及稳定性，咪唑基团和羧基使得该石墨烯量子点可以与稀土离子配位。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述的稀土离子水溶液为三价状态时有下转换荧光功能的稀土金属离子溶液；包括：三价铽、三价铕、三价钐、三价镝盐中的任何一种或它们的任意混合物。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述组氨酸功能化的石墨烯量子点水溶液的浓度是：5-100mg/mL。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述的氟化钠的物质的量为稀土金属离子物质的量的1-15倍。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述的加热反应的温度和时间分别在150-220℃和1-8h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述的高速离心的速度和时间分别为8000-15000rpm和5-30min。
本发明步骤(1)制备前驱体的过程中，F-缓慢替代石墨烯量子点-稀土配合物中的石墨烯量子点而最终形成稀土氟化物，这一过程能够有效调控对稀土离子的释放，有助于形成细小且结晶度高的稀土氟化；同时，被替换下来的石墨烯量子点共价键合于稀土氟化物晶体表面形成亲水的包覆层，复合物易分散于水形成稳定的分散液，石墨烯片上含氧基团的离解使粒子表面带负电荷，强的静电排斥还进一步改善了复合物水溶液稳定性。
本发明提供的荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料，可用于电子器件、生物检测和细胞成像等领域。例如，将复合材料溶于水，进行肿瘤细胞成像或Cu2+浓度的荧光法测定。
本发明与现有的技术相比具有如下优点：
(1)设计并合成了一种荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料，通过简单的水热合成法将石墨烯量子点与稀土氟化物结合，得到的稀土氟化物复合材料粒径小、结晶度高和易分散于水，与现有的方法相比，制备方法简单、高效、绿色环保。
(2)石墨烯量子点与稀土氟化物共价连接可实现能量由稀土氟化物向石墨烯量子点的高效转移，导致显著的荧光增强效应。组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光光谱与稀土氟化物的吸收光谱有很大程度的重叠，符合产生荧光共振能量转移的条件。大量研究表明，供体和受体之间的距离是影响荧光共振能量转移增强的关键因素。这里组氨酸功能化的石墨烯量子点通过共价键的方式与稀土氟化物相结合，它们之间的距离仅为一个共价键的键长，能量供体和受体之间如此短的距离使稀土氟化物能高效地向石墨烯量子点转移能量，产生更高的荧光增强效应。
(3)组氨酸功能化石墨烯量子点-稀土氟化物复合物具有低的细胞毒性和强的荧光发射，石墨烯片咪唑基团能与Cu2+特异性结合而产生显著的荧光猝灭，可作为荧光探针广泛应用于各种生物检测与成像。
附图说明
图1组氨酸功能化石墨烯量子点@NaTbF4的透射电镜(A)及组氨酸功能化石墨烯量子点@NaTbF4和组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光光谱(虚线表示单独组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光光谱，实线表示复合物材料即组氨酸功能化石墨烯量子点@NaTbF4的荧光光谱)。
图2组氨酸功能化石墨烯量子点@NaSmF4的透射电镜(A)及组氨酸功能化石墨烯量子点@NaSmF4和组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光光谱(虚线表示单独组氨酸功能化石墨烯量子点的荧光光谱，实线表示复合物材料即组氨酸功能化石墨烯量子点@NaTbF4的荧光光谱)。
具体实施方式
下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或者按照制造厂商将建议的条件。本发明中所述的“室温”、“常压”是指日常操作间的温度和气压，一般为25℃，一个标准大气压。
下述实施例中，所用的荧光分光光度计为CARYEclipse荧光分光光度计，设置的激发波长为360nm，狭缝宽度为5-5nm。
实施例1
制备复合材料：
将5mmol TbCl3·6H2O溶于15mL去离子水中，缓慢滴加5mg·mL-1组氨酸功能化石墨烯量子点溶液(Li R,Chen J,Zhou X,et al.Fabrication of zinc–histidine-functionalized graphene quantum dot framework amphiphilic nanoparticles andapplication in the synthesis of polystyrene microspheres for adsorption ofCu2+by Pickering emulsion polymerization[J].RSC Advances,2016,6(104):102534-102541.)100mL，搅拌30min。滴加60mL 1.0mol·L-1NaF水溶液于上述混合溶液，强力搅拌1h后转移至压力反应釜中，于180℃反应4h，冷却至室温，收集上清液，10000rpm高速离心20min，沉淀用水洗涤3次，冷冻干燥得到复合材料固体样品，通过透射电镜(图1A)可以看到，复合材料样品大小均一，尺寸为4-6nm，具有明显的六方晶型结构。图1B为样品的XRD图谱，图中有5个衍射峰，分别位于17.1°、29.8°、30.4°、42.9°和53.1°，对应于(100)，(110)，(101)，(201)和(211)晶面。这些衍射峰都能在标准卡片中找到(JCPDS No.27-0809)，证明形成了六方相NaTbF4。此外，样品的XRD衍射峰呈现强而尖的特征，说明合成的NaTbF4有高的结晶度。
将复合材料固体样品与仅组氨酸功能化的石墨烯量子点分别配制成同等浓度0.5mg/mL的水溶液，在荧光分光光度计上测定激发波长为360nm时的发射波长的荧光强度(图1C)。图谱呈示复合材料样品有更强的荧光发射，它的峰荧光强度超过仅组氨酸功能化的石墨烯量子点的7倍，证明组氨酸功能化石墨烯量子点和NaTbF4的结合能产生显著的荧光增强。
复合材料的应用：
用氢氧化钠溶液将复合物固体样品配制pH为6的25μg/mL的水溶液。在37℃恒温条件下将培养好的Hela细胞在含有25μg/mL的复合材料固体样品或者仅组氨酸功能化的石墨烯量子点的溶液中孵育24h，通过激光共聚焦显微镜下观察，如图1D，在同样条件下用组氨酸功能化的石墨烯量子点处理的细胞荧光明显比复合物处理的细胞荧光弱。
配置pH为7，质量浓度为0.3mg/mL的复合材料溶液，取200μL复合物溶液、200μL的Cu2+样品溶液和0.6mL的pH＝7的缓冲溶液，摇匀，室温下反应，1min，在荧光分光光度计上测定激发波长为360nm时的发射波长的荧光强度，并以此计算样品中Cu2+的浓度。方法对Cu2+的检出限为1.2×10-7M。
实施例2
制备复合材料：
将1mmol SmCl3·6H2O溶于3mL去离子水中，缓慢滴加5mg·mL-1组氨酸功能化石墨烯量子点溶液30mL，搅拌30min。滴加10mL 1.0mol·L-1NaF水溶液于上述混合溶液，强力搅拌1h后转移至压力反应釜中，于200℃反应3h，冷却至室温，收集上清液，9000rpm高速离心20min，沉淀用水洗涤3次，冷冻干燥得到固体样品，样品透射电镜如图2A。
将复合材料固体样品与仅组氨酸功能化的石墨烯量子点配制成同等浓度0.5mg/mL的水溶液，在荧光分光光度计上测定激发波长为360nm时的发射波长的荧光强度(图2B)。
复合材料的应用：
用氢氧化钠溶液将复合物配制pH为6的水溶液。在37℃恒温条件下将培养好的Hela细胞在含有25μg/mL的复合材料溶液或者仅组氨酸功能化的石墨烯量子点溶液中孵育24h，通过激光共聚焦显微镜下观察，可看到复合物处理的细胞荧光成像更清晰。
或配置pH为7，质量浓度为0.1mg/mL的复合材料溶液，取200μL复合物溶液、200μL的Cu2+样品溶液和0.6mL的pH＝7的缓冲溶液，摇匀，室温下反应，1min，在荧光分光光度计上测定激发波长为360nm时的发射波长的荧光强度，并以此计算样品中Cu2+的浓度，该方法对Cu2+的检出限为3.8×10-7M。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，以组氨酸功能化石墨烯量子点为稳定剂水热合成稀土氟化物，使得稀土氟化物表面存在大量功能性基团；将石墨烯量子点通过石墨烯量子点和稀土下转换氟化物之间的荧光共振能量转移，实现石墨烯量子点荧光发射强度的提高。
2.根据权利要求1所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备复合材料前驱体，将组氨酸功能化的石墨烯量子点配制成水溶液，调节pH值至中性，以所得组氨酸功能化石墨烯量子点水溶液为稳定剂，在搅拌条件下，向稀土离子溶液中滴加组氨酸功能化石墨烯量子点水溶液，经过配位形成石墨烯量子点-稀土配合物分散液，然后，滴加一定量的氟化钠水溶液，或者滴加一定量的氟化铵与氢氧化钠/锂的混合水溶液，形成前驱体；
2)将由步骤1)所制备的前驱体在一定温度下加热反应一段时间，收集上清液，高速离心一段时间，去除游离的石墨烯量子点，沉淀用水洗涤2-5次，冷冻干燥得到石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的稀土离子溶液为三价状态时有下转换荧光功能的稀土金属离子溶液；包括：三价铽、三价铕、三价钐、三价镝盐中的任何一种或几种的混合物。
4.根据权利要求2或3所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)所述组氨酸功能化石墨烯量子点水溶液的浓度是5-100mg/mL。
5.根据权利要求2～4任一所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氟化钠的物质的量为稀土金属离子物质的量的1-15倍。
6.根据权利要求2～5任一所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的加热反应的温度和时间分别在150-220℃和1-8h。
7.根据权利要求2～6任一所述的一种制备荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的高速离心的速度和时间分别为8000-15000rpm和5-30min。
8.根据权利要求1～7任一所述方法制备得到的荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料。
9.权利要求8所述荧光增强型石墨烯量子点-稀土下转换氟化物复合材料在电子器件、生物检测和细胞成像等领域的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，将复合材料溶于水，用于肿瘤细胞成像或Cu2+浓度的荧光法测定。
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