CN109054821A - 一种荧光碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

一种荧光碳点及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种荧光碳点及其制备方法和应用，属于荧光纳米材料领域。碳点制备：将丹参、咖啡、尿素加入去离子水中混匀，制得混合液；将得到的混合液转移到水热反应釜中，进行反应；将得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到碳点溶液；将得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。所制得的碳点荧光颜色随浓度的降低呈现出橙色、黄色和蓝色。我们选择黄色荧光碳点用于检测Fe3+和L‑AA。当加入Fe3+时，碳点的黄色荧光被淬灭，同时碳点溶液颜色由浅黄色变为深棕色。当体系中继续加入L‑AA时，碳点的黄色荧光恢复，并且溶液颜色由深棕色恢复为浅黄色。本发明制得荧光碳点毒性小，可实现荧光法、比色法检测Fe3+，以及荧光法、比色法连续检测Fe3+、L‑AA。

Description

一种荧光碳点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料，具体涉及一种荧光碳点及其制备方法，以及该碳点在荧光法和比色法检测Fe3+和抗坏血酸(L-AA)中的应用。
背景技术
作为碳纳米材料家族的后起之秀，碳点因其良好的生物相容性、低毒性和优异的光学性能而广泛应用于生物成像、化学传感、固态照明、医学诊断和指纹检测等领域。
Fe3+作为人体内合成血红蛋白的主要原料之一，在许多生物反应中起到了至关重要的作用。缺铁和过量摄入铁都将对身体有巨大的损伤。同时，L-AA同样作为人体必需摄入物质，对身体健康起着重要的作用。因此，开发一种直观、高效、便捷、省时的检测Fe3+和L-AA的分析方法变得越来越重要。
近年来，一些碳点基的Fe3+和L-AA荧光探针已见报道。Du等(Du F,Gong X,Lu W,etal.Bright-green-emissive nitrogen-doped carbon dots as a nanoprobe forbifunctional sensing,its logic gate operationand cellular imaging,Talanta,2018,179,554)以邻苯二酚和三乙烯四胺为碳源，通过一步水热法合成氮掺杂碳点，这种碳点的荧光可以被Fe3+淬灭，继续加入L-AA之后荧光恢复；Miao等(Miao X,Yan X,Qu D,etal.Red emissive S,N codoped carbon dots and their application in iondetection and theraonostics,Acs Applied Materials&Interfaces,2017,9,18549)以柠檬酸、硫脲和丙酮为原料制备的红色荧光碳点可以通过荧光淬灭来检测Fe3+，进一步通过L-AA恢复碳点荧光来检测L-AA。但是这些方法具有使用有毒试剂，以及无法用于比色法检测，不利于便捷、实时的检测，限制了其更广泛的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种荧光碳点及其制备方法，所述制备方法原料应绿色环保、制备条件要求低；制得的荧光碳点毒性小，既可用于荧光法、比色法检测Fe3+，又可用于荧光法、比色法连续检测Fe3+和L-AA。
本发明提供的一种荧光碳点的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量比1:0.2～1:0.2～1:20～40将丹参、咖啡、尿素加入去离子水中混匀，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。该碳点固体在水溶液中不同的浓度M可发出不同颜色的荧光：当M>76.8mg/L时发橙光；M＝38.4～64mg/L时发黄光；M<12.8mg/L时发蓝光。
所述步骤(2)中水热反应的温度为140～220℃，时间为2～7h。
步骤(3)所述透析袋为截留分子量500～1000Da的透析袋。
所述方法制备的荧光碳点可作为荧光探针在检测Fe3+中应用；也可在连续检测Fe3 +、L-AA中应用。
所述方法制备的荧光碳点可用于比色法检测Fe3+；也可用于比色法连续检测Fe3+、L-AA。
本发明的黄色荧光碳点，当加入Fe3+时，碳点的黄色荧光被淬灭，同时碳点溶液颜色由浅黄色变为深棕色；当体系中继续加入L-AA时，碳点的黄色荧光恢复，并且溶液颜色由深棕色恢复为浅黄色。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明以来源广泛的丹参、咖啡、尿素为碳源，用一步水热法合成荧光碳点，制备方法绿色环保、便捷，操作简便。
(2)本发明的碳点在水溶液中具有良好的溶解性和分散性、优良的生物相容性和小的毒性，可应用于细胞成像、生物传感、离子检测、发光二极管等领域。
(3)相对于单一的检测方式，本发明的碳点既可用于荧光法、比色法检测Fe3+，又可用于荧光法、比色法连续检测Fe3+和L-AA，提高了分析方法的选择性，可以用于定性和定量分析。
(4)本发明提供的荧光碳点检测Fe3+以及连续检测Fe3+和L-AA的方法，具有准确、高效和便捷的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的不同浓度碳点溶液的光致发光照片
图2为本发明实施例1制备的碳点的透射电镜图和尺寸分布图
图3为本发明实施例1制备的碳点的红外光谱图
图4为本发明实施例1制备的浓度为128mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图
图5为本发明实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图
图6为本发明实施例1制备的浓度为2.56mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图
图7为本发明实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液对Fe3+选择性的图
图8为本发明实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液随Fe3+浓度变化的荧光发射光谱图
图9为本发明实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液与Fe3+的混合液随L-AA浓度变化的荧光发射光谱图
图10为本实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液、碳点溶液/Fe3+和碳点溶液/Fe3+/L-AA体系在日光灯下和470nm激发下的照片
图11为本发明实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点标记的人肝癌细胞SMMC-7721细胞的激光共聚焦图
具体实施方式
以下实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
荧光碳点的制备：
(1)将0.5g丹参、0.5g咖啡和0.2g尿素加入20g去离子水中混匀，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃下进行水热反应5h；
(3)将步骤(2)得到的产物通过3000r/min离心除去不溶物，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析12h，得到碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。
所制得的碳点固体在水溶液中不同的浓度M可发出不同颜色的荧光：当M>76.8mg/L时发橙光；M＝38.4～64mg/L时发黄光；M<12.8mg/L时发蓝光。
碳点浓度为128、38.4和2.56mg/L时的光致发光照片，分别为橙色、黄色和蓝色，见图1。
制备的荧光碳点的透射电镜图和尺寸分布图见图2。
制备的荧光碳点的红外光谱图见图3。
制备的浓度为128mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图4，其中1～8分别是激发波长为510nm、520nm、530nm、540nm、550nm、560nm、570nm和580nm激发下的荧光光谱图。
制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图5，其中1～11分别是激发波长为400nm、410nm、420nm、430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm、490nm和500nm激发下的荧光光谱图。
制备的浓度为2.56mg/L的碳点溶液在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图6，其中1～8分别是激发波长为320nm、330nm、340nm、350nm、360nm、370nm、380nm和390nm激发下的荧光光谱图。
实施例2
荧光碳点的制备：
(1)将1g丹参、0.5g咖啡、0.5g尿素加入30g去离子水中混匀，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在210℃下进行水热反应7h；
(3)将步骤(2)得到的产物通过3000r/min离心除去不溶物，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析12h，得到碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。
所制得的碳点固体在水溶液中不同的浓度M可发出不同颜色的荧光：当M>76.8mg/L时发橙光；M＝38.4～64mg/L时发黄光；M<12.8mg/L时发蓝光。
实施例3
荧光碳点的制备：
(1)将0.5g丹参、0.3g咖啡、0.4g尿素加入15g去离子水中混匀，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃下进行水热反4h；
(3)将步骤(2)得到的产物通过3000r/min离心除去不溶物，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析12h，得到碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。
所制得的碳点固体在水溶液中不同的浓度M可发出不同颜色的荧光：当M>76.8mg·L-1时发橙光；M＝38.4～64mg·L-1时发黄光；M<12.8mg·L-1时发蓝光。
实施例4
实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液对Fe3+的选择性实验：
分别用pH＝7.4的Tris-HCl缓冲液和Al(NO3)3、Ba(NO3)2、Bi(NO3)3、Ca(NO3)2、Cd(NO3)2、Cu(NO3)2、Fe(NO3)3、Hg(NO3)2、K(NO3)2、Mg(NO3)2、Mn(NO3)2、NaNO3、NiNO3和Zn(NO3)2分别配制金属离子浓度为400μmol·L-1的溶液，分别将0.023mg实施例1制备的荧光碳点溶解到0.6mL上述含不同金属离子的溶液中，固定激发波长为470nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
黄色荧光碳点对Fe3+选择性见图7,Fe3+对黄色荧光碳点溶液有最大的响应。
实施例5
实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液作为Fe3+探针的灵敏度实验：
用pH＝7.4的Tris-HCl缓冲液和Fe(NO3)3分别配制Fe3+浓度为0μmol·L-1、0.05μmol·L-1、0.1μmol·L-1、0.25μmol·L-1、0.5μmol·L-1、1μmol·L-1、5μmol·L-1、7.5μmol·L-1、10μmol·L-1、25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、175μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1的溶液，将0.023mg荧光碳点溶解到0.6mL上述含不同浓度Fe3+的溶液中，固定激发波长为470nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
荧光光谱图见图8，其中从上至下分别是Fe3+浓度为0μmol·L-1、0.05μmol·L-1、0.1μmol·L-1、0.25μmol·L-1、0.5μmol·L-1、1μmol·L-1、5μmol·L-1、7.5μmol·L-1、10μmol·L-1、25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、175μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1荧光发射光谱图。从图中可以看出随着Fe3+浓度的增加，548nm处荧光峰强度逐渐降低。
实施例6
实施例5中溶有Fe(NO3)3(400μmol·L-1)和碳点(38.4mg/L)的溶液作为L-AA探针的灵敏度实验：
在溶有Fe(NO3)3(400μmol·L-1)和碳点(38.4mg/L)的溶液中加入L-AA，使L-AA的浓度分别为0mmol·L-1、3.23mmol·L-1、7.69mmol·L-1、11.76mmol·L-1、14.29mmol·L-1、22.08mmol·L-1、25mmol·L-1、33.33mmol·L-1、40mmol·L-1、45.45mmol·L-1、50mol·L-1、53.85mmol·L-1和57.14mmol·L-1，固定激发波长为470nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
荧光光谱图见图9，其中从下至上分别是L-AA浓度为0mmol·L-1、3.23mmol·L-1、7.69mmol·L-1、11.76mmol·L-1、14.29mmol·L-1、22.08mmol·L-1、25mmol·L-1、33.33mmol·L-1、40mmol·L-1、45.45mmol·L-1、50mol·L-1、53.85mmol·L-1和57.14mmol·L-1的荧光发射光谱图。从图中可以看出，随着L-AA浓度的增加，548nm处荧光峰强度逐渐恢复。
实施例7
如图10，上排：将实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液置于比色皿中，在日光下的图片，碳点溶液为浅黄色(左)，加入Fe3+后变为深棕色(中)，再加入L-AA后，逐渐恢复为浅黄色(右)。下排：为上排碳点溶液在470nm激发下的图片，碳点溶液为黄色荧光(左)，加入Fe3+后荧光淬灭(中)，再加入L-AA后黄色荧光逐渐恢复(右)。
实施例8
实施例1制备的浓度为38.4mg/L的碳点溶液用于标记人肝癌细胞(SMMC-7721细胞)，如图11所示，从左到右依次为：(a)暗场(激发为488nm)，碳点标记的细胞图(显示黄色)，(b)暗场(激发为488nm)，在a中加入Fe3+后的细胞图(黄色荧光淬灭)，(c)暗场(激发为488nm)，在b中加入L-AA后的细胞图(黄色荧光恢复)。

Claims (8)

1.一种荧光碳点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按质量比1:0.2～1:0.2～1:20～40将丹参、咖啡、尿素加入去离子水中混匀，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的碳点溶液冷冻干燥后得到碳点固体。
2.如权利要求1所述的荧光碳点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水热反应的温度为140～220℃，时间为2～7h。
3.如权利要求1所述的荧光碳点的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述透析袋为截留分子量500～1000Da的透析袋。
4.如权利要求1、2或3所述方法制备的荧光碳点。
5.如权利要求4所述的荧光碳点作为荧光探针在检测Fe3+中的应用。
6.如权利要求4所述的荧光碳点作为荧光探针在连续检测Fe3+、L-AA中的应用。
7.如权利要求4所述的荧光碳点用于比色法检测Fe3+。
8.如权利要求4所述的荧光碳点用于比色法连续检测Fe3+、L-AA。
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