CN109536164A - 一种碳量子点荧光探针的制备及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将柠檬酸和乙二胺加热反应,将得到的混合物用水溶解后放入透析袋中透析,即可得到碳量子点荧光探针。本发明通过一步法成功制备了一种环保、简单易得的碳量子点作为荧光探针,并将碳量子点荧光探针的选择性能力和荧光特性结合起来应用于Fe(III)的识别。该方法制备碳量子点,不仅具有绿色无毒、检测方法简单、高选择性等优点,还避免了繁琐的修饰过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种水溶性荧光探针的制备及其应用,属于新型纳米材料制备技术领域。
背景技术
碳量子点作为一种新型荧光纳米材料,具备发光范围可调、易于实现表面功能化、光稳定性好、无毒和生物相容性好等优点,一经发现就引起了人们极大的研究兴趣,在细胞成像、生物标记、分析监测、药物传递、光电转换以及催化等领域表现出了良好的应用前景。与传统半导体量子点相比,荧光碳量子点可通过一步法大规模合成,合成原料廉价易得,省时高效,并且能克服传统量子点带来的重金属泄露、毒性大、环境污染严重等问题,这使碳量子点成为传统量子点的理想替代者。然而碳量子点的荧光量子产率较低,如何通过经济、便捷的方法制备得到高量子产率的荧光碳量子点仍然需要进行更加深入地研究。碳量子点在荧光检测方面的应用还处于起步阶段,识别响应的灵敏度和抗干扰能力仍需进一步提高。此外,优化碳量子点的制备工艺,采用绿色、便捷的方法制备具有良好物理、光学性质的碳量子点也是进一步解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳量子点荧光探针的制备方法及其应用,以克服目前荧光碳量子点的产率较低、识别响应的灵敏度和抗干扰能力差、反应条件复杂等问题。
为了达到上述目的,本发明提供了一种碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将柠檬酸和乙二胺加热反应,将得到的混合物用水溶解后放入透析袋中透析,即可得到碳量子点荧光探针。
优选地,所述的柠檬酸和乙二胺的质量比为:柠檬酸:乙二胺=1:1.5~3。
优选地,所述的反应温度为160-200℃,反应时间为20min~50min。
优选地,所述的透析袋的MWCO为1000,透析时间大于等于48h。
优选地,所述的反应在常压下进行。
进一步地,所述的碳量子点荧光探针是水溶性的且尺寸集中在8-12nm(本发明所述的尺寸集中在8-12nm是指40%以上的碳量子点荧光探针的尺寸在8-12nm)。
本发明还提供了上述制备方法所制得的碳量子点荧光探针在Fe(III)离子检测或生物成像中应用。
本发明还提供了一种应用上述制备方法所制得的碳量子点荧光探针检测Fe(III)离子的方法,其特征在于,包括:将Fe(III)离子加入到碳量子点荧光探针溶液中,使碳量子点荧光探针的荧光猝灭,进行识别与定量分析测定Fe(III)离子含量。
优选地,所述的碳量子点荧光探针溶液的pH为3~10。
本发明通过一步法成功制备了一种环保、简单易得的碳量子点作为荧光探针,并将碳量子点荧光探针的选择性能力和荧光特性结合起来应用于Fe(III)的识别。该方法制备碳量子点,不仅具有绿色无毒、检测方法简单、高选择性等优点,还避免了繁琐的修饰过程。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
(1)本发明所制备的碳量子点采用柠檬酸和乙二胺为原料,价廉易得,碳点制备过程无高压,方法简单安全,绿色环保,可大量合成生产;
(2)该荧光碳量子点的粒径小集中在8-12nm,尺寸均一,可以稳定分散在水中,无团聚现象;
(3)合成的荧光碳量子点具有优良的荧光性质,荧光量子产率较高,适用于酸碱环境(pH=3~10);
(4)该碳量子点作为检测Fe(III)的荧光探针,对Fe(III)检测的选择性高,重现性好,灵敏度高,可以快速准确地检测待测液中Fe(III)的含量。
(5)该碳量子点荧光探针可用于生物成像领域。
(6)本发明通过一步常压反应直接得到碳量子点,建立一种操作简单、绿色低廉的合成方法。此外,制备的碳量子点具有良好的光学性能和稳定性,并且具有选择性识别Fe(III)离子以及生物成像的能力。
附图说明
图1碳量子点透射电镜图及粒径分布图;
图2紫外吸收光谱(A)荧光激发和发射光谱(B);
图3不同pH下碳量子点荧光探针荧光强度;
图4不同金属离子对荧光探针强度的影响;
图5Fe3+浓度对荧光探针荧光强度的影响;
A中曲线从上到下依次对应铁离子浓度为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2mM/ml,B中从左到右各点对应铁离子浓度为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.4、0.5、0.6、0.9、1.2mM/ml;
图6用碳量子点荧光探针培养后的大肠杆菌(A)(B)未加入Fe3+和(C)加入Fe3+;(A)日光灯下成像,(B)(C)在365nm紫外灯下成像。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
称取2g无水柠檬酸置于50mL圆底烧瓶中,然后加入1g乙二胺,将混合物在常压、180℃下加热反应30分钟。冷却后,加入100ml去离子水溶解反应得到的混合物。将上述溶液用透析袋(MWCO=1000)透析48小时。在透析后将溶液冷冻干燥得0.96g碳量子点荧光探针(N-CDs),并将其溶解在去离子水中以供进一步使用。
实施例2
将实施例1所得的碳量子点荧光探针配制成0.001g/L的水溶液,滴于附有碳膜的铜网上,真空干燥后进行测试,测得碳量子点水溶液的粒径分布均匀,粒径集中在8-10nm(40%以上的碳量子点荧光探针的粒径在8-10nm),如图1所示。并测定其紫外及荧光激发和发射光谱,如图2所示,该碳量子点的最大荧光激发峰和发射峰分别为350nm和458nm,呈现强烈的蓝色荧光,量子产率为20.6%
实施例3
本实施例研究了pH对碳量子点荧光探针荧光强度的影响。将实施例1所得的碳量子点荧光探针配制成0.001g/L的水溶液并用NaOH/HCl水溶液调节配制成不同pH的碳量子点溶液。如图3所示,在pH值较高或较低的溶液中,发光强度降低,但在弱酸和弱碱(4≤pH≤11)溶液中发光强度仍较大。这种依赖于pH的荧光是由N-CDs表面羧基或氨基的质子化和去激发引起的,这导致了碳量子点荧光探针的静电掺杂或充电。
实施例4
使用浓度为0.001g/L的实施例1制备的碳量子点荧光探针溶液评估其对各种金属离子的选择性。在N-CDs溶液中加入不同的金属离子(包括(Ag+,Al3+,Ba2+,Ca2+,Cd2+,Co2+,Cu2+,Hg2+,Li+,K+,Cr2+,Mg2+,Fe2+,Mn2+,Na+,Ni2+,Pb2+和Zn2+)最终浓度均为2.5μM。图4显示了不同金属离子和空白溶液在标准化下的荧光光谱(激发波长和发射波长分别为350nm和458nm)。很明显,Fe3+离子对所有测试金属离子的荧光猝灭影响最大,主要归因于激发的碳量子点荧光探针之间发生的电子或能量转移过程。图5A显示,当加入Fe3+离子时,碳量子点荧光探针荧光猝灭对荧光峰的影响显着降低。随着Fe3+浓度的增加,观察到峰值降低。图5B示出了在碳量子点荧光探针溶液中加入Fe3+离子时的猝灭效应。在最佳条件下,观察到峰的发光强度(A.U.)与Fe3+离子浓度成反比。得到的线性回归方程为y=-424.4[Fe3+]+225.15,相关回归的R2值为0.9958。由此可见,可通过对荧光强度进行识别与定量分析测定Fe(III)离子含量,且碳量子点荧光探针可用于检测离子浓度300μM以下的Fe3+。
实施例5
鉴于碳量子点荧光探针的低细胞毒性和生物相容性,选择大肠杆菌来研究它是否可用于生物成像。结果,如图6所示,碳量子点荧光探针具有小的粒径和良好的水溶性,因此它可以通过细胞膜容易地进入大肠杆菌。
将1x109cfu/ml大肠杆菌(购自中国微生物菌种保藏管理中心货号CICC10899)500ul和1mg/ml实施例1所得的碳量子点荧光探针1ml置于10ml1mol/L PBS缓冲溶液中,在10ml 1mol/L 37℃培养18小时,无培养基培养,如图6A所示。
将该大肠杆菌置于倒置荧光显微镜(荧光激发源)下可观察到发出明亮蓝光的大肠杆菌,(激发波长和发射波长分别为350nm和458nm)如图6B所示,证明碳量子点荧光探针进入了大肠杆菌。随后,通过向培养基中加入5μM的Fe3+离子,继续培养1h,大肠杆菌中的荧光强度大大降低(图6C),这意味着碳量子点荧光探针可用于检测大肠杆菌中的Fe3+离子。由此证明具有高荧光亮度,低细胞毒性和生物相容性的碳量子点荧光探针作为用于生物成像应用的光学纳米探针并且有希望用于检测活细菌中的Fe3+离子浓度。
Claims (9)
1.一种碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:将柠檬酸和乙二胺加热反应,将得到的混合物用水溶解后放入透析袋中透析,即可得到碳量子点荧光探针。
2.如权利要求1所述的碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的柠檬酸和乙二胺的质量比为:柠檬酸:乙二胺=1:1.5~3。
3.如权利要求1所述的碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的反应温度为160-200℃,反应时间为20min~50min。
4.如权利要求1所述的碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的透析袋的MWCO为1000,透析时间大于等于48h。
5.如权利要求1所述的碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的反应在常压下进行。
6.如权利要求1所述的碳量子点荧光探针的制备方法,其特征在于,所述的碳量子点荧光探针是水溶性的且尺寸集中在8-12nm。
7.权利要求1-6中任一项所述的碳量子点荧光探针的制备方法所制得的碳量子点荧光探针在Fe(III)离子检测或生物成像中应用。
8.一种应用权利要求1-6中任一项所述的制备方法所制得的碳量子点荧光探针检测Fe(III)离子的方法,其特征在于,包括:将Fe(III)离子加入到碳量子点荧光探针溶液中,使碳量子点荧光探针的荧光猝灭,进行识别与定量分析测定Fe(III)离子含量。
9.权利要求8所述的检测Fe(III)离子的方法,其特征在于,所述的碳量子点荧光探针溶液的pH为3~10。
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