CN109880620A

CN109880620A - 一种以生物质为前驱体的绿色荧光碳量子点的制备和应用

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Publication number: CN109880620A
Application number: CN201910157718.4A
Authority: CN
Inventors: 林丽清; 朱振茂; 赵成飞; 吴丽娜; 鲍巧臻
Original assignee: Fujian Medical University
Current assignee: Fujian Medical University
Priority date: 2019-03-02
Filing date: 2019-03-02
Publication date: 2019-06-14

Abstract

本发明公开一种以生物质为前驱体的绿色荧光碳量子点的制备和应用，属于荧光纳米材料制备技术领域。所述的制备方法，包括如下步骤：1）称取一定量新鲜生物质材料，剪切成小块，置于研钵中研磨处理，加水混匀，超声后取出汁液；2）取一定体积汁液和乙二胺混合，转入高压反应釜中，加热反应；3）反应后的溶液高速离心，去除不溶物沉淀，取上清液，置于透析袋中透析24h，冷冻干燥得到绿色荧光碳量子点，用超纯水溶解得绿色荧光碳量子点水溶液。本发明具有原料易得，成本低廉，工艺简单，绿色环保等优点，且所得的荧光碳量子点分散性好、粒度均匀，具有良好的稳定性，可用于酸性磷酸酶的检测，还可以适用于生物成像、光电转化、以及催化等领域。

Description

一种以生物质为前驱体的绿色荧光碳量子点的制备和应用

技术领域

本发明涉及一种以生物质为前驱体的绿色荧光碳量子点的制备和应用，属于荧光纳米材料制备技术领域。

背景技术

碳量子点（carbon quantum dots，CQDs）是粒径小于10 nm的环境友好型的一类荧光纳米材料，主要由碳元素组成，不含有重金属元素，具有良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等诸多优点，有望代替传统的量子点而被应用到医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等许多的领域，应用前景较好。

近年来，科学家们希望找到制备较为简便、造价更为低廉的方法来制备性能优异且高荧光量子产率的碳量子点，并将其应用于医学、生命科学、光电学等领域。最近研究表明碳量子点的粒径与表面特征对其性质有至关重要的影响。小粒径的碳量子点比表面积大，表面发光位点也较多。因此小粒径的碳量子点发光强于大粒径的碳量子点，进一步表明碳量子点发光是与表面相关的。另外，表面含有大量含氮基团的碳量子点具有良好的水溶性且易于实现进一步功能化。因此，荧光碳量子点具有独特的物理和化学性质，在磁学、电学、光学、催化和化学传感以及生物医学等方面具有广阔的应用前景。

碳量子点的诸多性能主要取决于所选用的合成原料、纳米材料的内部结构及表面活性，其中表面活性是决定碳量子点性能的主要因素。而碳量子点功能化是用于改善碳量子点性能的最佳方法，目前主要是通过表面修饰和掺杂元素两种方法来实现。

本发明以荷叶生物质为前驱体，采用简单的一步水热法制备水溶性的绿色荧光碳量子点。碳量子点在制备合成过程中，对设备环境要求不高、方法简单、速度快捷，以及其所选用的反应物都是绿色、安全的，对其应用普及具有推动作用。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术问题，提供一种毒性低、生物相容性好、成本低、制备工艺简单以及绿色环保的荷叶生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点的方法，适于大规模批量生产。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，选择绿色环保的生物质材料荷叶为前驱体在研钵中研磨至均匀，取出汁液，加入乙二胺的混合，转入高压反应釜中加热反应后，溶液高速离心，取出上清液置于透析袋中透析，得到绿色碳量子点。

本发明所述的一种以生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点方法，包括如下步骤：1）称取生物质材料---新鲜荷叶33g，剪切成小块，置于研钵中研磨至均匀，加水100 mL搅匀，超声后取出汁液；

2）取15 mL汁液和5 mL乙二胺混合，转入高压反应釜中，180 ℃加热反应12 h；

3）反应后的溶液15,000 rpm高速离心15 min，去除不溶物沉淀，取上清液，置于透析袋中透析24h，将所得碳量子点进行真空冷冻干燥为粉末，制备的粉末用超纯水溶解得到绿色荧光碳量子点水溶液，所述荧光碳量子点平均粒径为2.92±0.30 nm。制备的绿色荧光碳量子点的粒径分布均匀，表面富含氧、氮元素官能团，激发波长分别位于366 nm，发射波长位于509 nm。

如需得到绿色碳量子点固体粉末，将置于冷冻干燥箱中冷冻干燥，即可得到，得固体粉末可避免造成发光中心的破坏。

生物质材料如步骤1)主要选择绿色植物荷叶、蔬菜和绿色草本植物。

反应温度如步骤2)中的选取范围在150~180℃，反应时间的范围15-12 h。超出此范围时，碳点的碳化程度和产率无法均衡。

离心机的转速如步骤3）中在10,000~15,000 r/min，离心10-15 min;

如步骤3）中透析袋截留分子量的选取范围在300-800 Da，透析1-2天，在此范围内，有利于将未反应的生物质溶液透析出，截留分子量过大会使得截留的碳量子点粒径过大，散射现象严重，不利于发光稳定。

本发明得到的荧光碳量子点的粒径分布均匀，表面富含含氧官能团，最佳激发波长位于366 nm，最佳发射波长位于509nm，呈现发射波长不依赖激发波长。

本发明所述的一种以生物质为前驱体制备的绿色荧光碳量子点，其特征在于用于检测酸性磷酸酶。

本发明所述的一种以生物质为前驱体制备的绿色荧光碳量子点的应用，其特征在于将碳量子点用于细胞培养后，能进入细胞，并在366nm激发光下发出较强的荧光，并用碳量子点与(NaPO₃)₆作用后进行细胞成像，荧光强度急剧下降，说明碳量子点的荧光被(NaPO₃)₆淬灭，碳量子点对于癌细胞具有显著荧光成像。

本发明的有益结果是：1）生物质前驱体荷叶来源广泛；2）所制备的荧光碳量子点的最佳激发波长为366nm，在509nm有较强的发射波长，现有报道几乎未被看到，且发射波长不依赖激发波长，发射波长不发生偏移；3）制备绿光碳量子点的无毒、成本低、周期短、制备工艺简单、绿色环保；4）是一种绿色可行的制备绿光碳量子点的新方法，有助于加快其在荧光生物成像、环境监测、化学分析等领域的应用步伐。

生物质为前驱体是制备绿光碳量子点的新方法，碳源主要来源于大自然，绿色环保。制备过程中加入的溶剂乙二胺，利于生物质成碳外，在其表面起到N-掺杂作用，而且生物质本身是富碳和富氮类物质，在制备绿光碳量子点方面有着得天独厚的优势，不需要对碳量子点进行后续修饰处理。

利用本发明方法制备工艺简单、成本低、绿色环保，一种以生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点形貌规则，粒度均匀，水溶性好，溶液稳定性高，易于储藏，便于大规模批量生产。

附图说明

图1为一种以生物质荷叶为前驱体制备绿色荧光碳量子点水溶液在366 nm紫外灯照射下的照片，可观察到绿色荧光。

图2为一种以生物质荷叶为前驱体制备绿色荧光碳量子点水溶液的荧光激发、发射光谱图。

图3为以生物质荷叶为前驱体制备绿色荧光碳量子点水溶液透射电镜图。

图4为以生物质荷叶为前驱体制备绿色荧光碳量子点尺寸分布图。

图5为以生物质荷叶为前驱体制备绿色荧光碳量子点水溶液的X 射线光电子能谱图。

图6为不同浓度酸性磷酸酶荧光光谱图。

图7本发明实施例1制备的碳量子点在HepG2内培养2h后，用366nm激发波长激发光激发所得的荧光图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐述，本发明并不限于此。

实施例1

生物质前驱体的制备：称取生物质材料---新鲜荷叶33g，剪切成小块，置于研钵中研磨至均匀，加水100 mL搅匀，超声后取出汁液；2）取15 mL汁液和5 mL乙二胺混合，转入高压反应釜中，180 ℃加热反应12 h；3）反应后的溶液15,000 rpm高速离心15 min，去除不溶物沉淀，取上清液，置于透析袋中透析24h，将所得碳量子点进行真空冷冻干燥为粉末，制备的粉末用超纯水溶解得到绿色荧光碳量子点水溶液。该溶液在366 nm紫外灯照射下的照片，可观察到绿色荧光（见图1）。

实施例2

取实施例1制备的溶液稀释至一定浓度，采用Cary Eclipse荧光光谱仪对所制备的绿色荧光碳量子点进行荧光表征，由图谱可知碳量子点溶液的荧光光谱最佳激发波长和发射波长分别为366 nm和509nm，且发射波长不依赖于激发波长（见图2），在现有报道中未看到此现象。

实施例3

取实施例1制备的溶液稀释至一定浓度，将所得溶液滴涂在铜网上进行透射电镜检测，以荷叶生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点水溶液呈规则的单分散球形（见图3），高分辨率的透射电镜图像显示了高分辨率的有晶格条纹（a图），并且显示制备的碳量子点为稳定的水溶液（b图），平均粒径为2.92±0.30 nm（见图4）。

实施例4

取实施例1制备的溶液进行X 射线光电子能谱测定，由图谱可知碳量子点表面含有大量的C、O、N元素（见图5中的上面曲线）。图5中的下面曲线为没有加入乙二胺即单独用荷叶汁进行X 射线光电子能谱测定结果，如图5 所示,显示出一个弱 N 1s 峰值, 这是因为荷叶含有含N的生物碱，加入乙二胺与荷叶汁在180 ℃加热反应12 h后的量子点进行X 射线光电子能谱测定，能观察到明显的 N 1s峰值, 证明乙二胺中的N成功掺杂到碳量子点中。

实施例5

将实施例1制得10 µL碳量子点加入到150 μL 10 mM pH 4.8醋酸盐缓冲液中，20 µL3mmol/L 六偏磷酸钠(NaPO₃)₆加入混匀；之后，分别加入20 µL不同浓度的酸性磷酸酶，在37℃下温浴2h后测定荧光光谱，结果如图6所示，随着酸性磷酸酶浓度的加大，荧光值越来越大，检测限为0.43 U·L^-1 (S/N = 3)。

实施例7

将实施例1制得10 µL碳量子点进行细胞成像。结果如图7中的a所示，说明了实施例1所制得的碳量子点用于细胞培养后，不仅可以进入细胞，并在366nm激发光下发出较强的荧光，而用碳量子点与六偏磷酸钠(NaPO₃)₆作用后进行细胞成像，荧光强度急剧下降（图7中的b），说明碳量子点的荧光被(NaPO₃)₆淬灭，实施例1中所制得的碳量子点对于癌细胞具有显著荧光成像，为生物成像又提供了一种新思路。

以上所述仅为本发明的典型实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种以生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点的方法，包括如下步骤：1）称取生物质材料---新鲜荷叶33g，剪切成小块，置于研钵中研磨至均匀，加水100 mL搅匀，超声后取出汁液；2）取15 mL汁液和5 mL乙二胺混合，转入高压反应釜中，180 ℃加热反应12 h；3）反应后的溶液15,000 rpm高速离心15 min，去除不溶物沉淀，取上清液，置于透析袋中透析24h，将所得碳量子点进行真空冷冻干燥为粉末，制备的粉末用超纯水溶解得到绿色荧光碳量子点水溶液。

2.根据权利要求1所述的一种以生物质为前驱体制备绿色荧光碳量子点的方法，其特征在于所述绿色荧光碳量子点平均粒径为2.92±0.30 nm。

3.根据权利要求1 - 2任一项所述的方法制得的一种以生物质为前驱体制备的绿色荧光碳量子点，其特征在于制备的绿色荧光碳量子点的粒径分布均匀，表面富含氧、氮元素官能团，激发波长分别位于366 nm，发射波长位于509 nm。

4.权利要求3所述的一种以生物质为前驱体制备的绿色荧光碳量子点，其特征在于用于检测酸性磷酸酶。

5.权利要求3所述的一种以生物质为前驱体制备的绿色荧光碳量子点的应用，其特征在于将碳量子点用于细胞培养后，能进入细胞，并在366nm激发光下发出较强的荧光，并用碳量子点与(NaPO₃)₆作用后进行细胞成像，荧光强度急剧下降，说明碳量子点的荧光被(NaPO₃)₆淬灭，碳量子点对于癌细胞具有显著荧光成像。