CN109943326A - 基于生物质的荧光碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物质的荧光碳量子点，其特征在于，所述荧光碳量子点的原料包括生物质，所述生物质选自脱镁叶绿素、熊果苷、板栗肽中的一种或几种。该荧光碳量子点在近红外区域有激发峰，且发出红色的荧光，且可以有效产生单线态氧和过高热，可很好的用于近红外成像及光动力和光热治疗中。本发明还公开了该荧光碳量子点的制备方法和应用。

Description

基于生物质的荧光碳量子点及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及碳量子点技术领域。更具体地，涉及一种基于生物质的荧光碳量子点及其制备方法和应用。

背景技术

碳量子点，简称碳点，是近年来引起广泛关注的一种碳纳米材料，由于其具有稳定的发光性能、高效的量子产率、较长的荧光寿命、较低的毒性，以及表面易修饰，体内循环周期较长和对肿瘤具有很好的被动靶向等优点，使得其在光催化、光电转换、生物成像及检测、光诊疗等方面具有广阔的应用前景。相较于半导体量子点，碳点不含有其他有毒重金属元素；相较于传统有机染料，碳点的光稳定性更优异，这都使得碳点材料在上述领域具有诱人的前景。

碳点作为一种光诊疗剂，可以通过被动靶向精确到达病灶区域，通过荧光成像检测肿瘤组织，通过产生单线态氧和过高热有效提高治疗效果，实现诊疗一体化。有些碳点的吸收发射波长可延伸至近红外区域，加强了光源的穿透深度，使碳点在光诊疗的应用不仅仅局限于浅表层的恶性肿瘤。

目前可用于制备碳点的碳源很多，生物质材料相对于人工合成的材料，来源广泛、价格低廉，但是现阶段利用生物质材料作为碳源的碳点，大多数集中在蓝光区域，例如Chang等人用绿茶茶叶为碳源制备碳点[Journal of Materials Chemistry B,2013,1,1774-1781]；Dong等人用豆奶作为碳源制备碳点，用于电催化氧还原反应[ChemistryCommunication,2012,48,9367-9369]；Yu等人用蜂蜜作为碳源制备碳点，用于多色细胞成像和均相催化[Advanced Science,2015,2,1500002]，以上这些单一的蓝色荧光碳点，波长太短，穿透深度不够，无法应用于光诊疗领域。

因此，需要提供一种激发波长在近红外区域的荧光碳点，以解决上述问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于生物质的荧光碳量子点。该荧光碳量子点在近红外区域有激发峰，且发出红色的荧光，且可以有效产生单线态氧和过高热，可很好的用于近红外成像及光动力和光热治疗中。

本发明的第二个目的在于提供一种基于生物质的荧光碳量子点的制备方法。

本发明的第三个目的在于提供一种基于生物质的荧光碳量子点的应用。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于生物质的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点的原料包括生物质，所述生物质选自脱镁叶绿素、熊果苷、板栗肽中的一种或几种。

本发明中发现，原料的不同，制备得到的荧光碳量子点的性能也不同。采用选自脱镁叶绿素、熊果苷、板栗肽中的一种或几种作为荧光碳量子点的原料，制备得到的荧光碳量子点在近红外区的激发波长的激发下，可发出红色荧光。能很好的用于近红外成像及光动力和光热治疗中。

可选地，所述荧光碳量子点的结构为所述生物质经碳化后得到的球形或大体球形颗粒。

可选地，所述荧光碳量子点在近红外区激光的激发下，发出红色荧光。

为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：

一种荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

将所述生物质进行碳化，得所述荧光碳量子点。

具体包括如下步骤：

将生物质溶于分散剂中，得均匀分散的悬浮液；

将得到的悬浮液进行碳化；

将碳化后得到的溶液冷却至室温，经过滤、透析、干燥，得所述荧光碳量子点。

可选地，所述碳化在微波加热装置中进行。采用微波加热更方便、快速，且碳化程度易于控制，大大缩短了生物质碳量子点的碳化制备时间。

可选地，所述碳化反应的温度为150-180℃，时间为20-30min，微波功率为300-500W。

可选地，所述生物质与分散剂的添加量比为10-30mg：30mL。

可选地，所述分散剂选自N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基甲酰胺与水的混合溶液。

可选地，所述N,N-二甲基甲酰胺与水的混合溶液中，水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1-1:10。

可选地，所述过滤用的滤膜的孔径为0.22μm。

可选地，所述透析的截留分子量为3500Da，时间为48h。

可选地，所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-50℃，时间为36-48h。

为达到上述第三个目的，本发明保护如上第一个目的提供的荧光碳量子点在荧光成像或在制备光动力药物或光敏药剂中的应用。

本发明的有益效果如下：

根据本发明的一个目的，本发明中提供的基于生物质的荧光碳量子点在近红外区域有激发峰，且可以有效产生单线态氧和过高热，且其原料来源广泛、易获取且廉价，同时利用所选生物质原料成分复杂，含有杂原子，在合成碳量子点过程中，无需人工额外掺杂杂原子以获得更优异的光电性能，同时具有良好的生物相容性和低毒性。根据本发明的又一个目的，本发明中提供的基于生物质的荧光碳量子点的制备方法简单、快速易于控制。根据本发明的再一个目的，本发明中提供的基于生物质的荧光碳量子点在荧光成像或作为肿瘤的荧光探针中的应用中，该荧光碳量子点在激光照射下可以产生单线态氧，碳量子点通过被动靶向进入细胞后，可以产生细胞毒性杀死肿瘤细胞，或者产生过高热，对肿瘤细胞造成不可逆的损伤，使其用于光热治疗。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出实施例1制备得到的荧光碳量子点的高分辨率透射电镜图。

图2示出实施例1制备得到的荧光碳量子点的吸收光谱图。

图3示出实施例1制备得到的荧光碳量子点在不同波长下的激发光谱图。

图4示出实施例1制备得到的荧光碳量子点利用顺磁共振波谱仪检测单线态氧，通过对比671nm激光照射前后单线态氧的信号强度。

图5示出实施例1制备得到的荧光碳量子点经过和4T1细胞共孵育4h后，成功进入细胞质，并在635nm激光照射下发出明亮的红色荧光。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

本实施方式中，除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

实施例1

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取脱镁叶绿素粉末30mg，加入30mL N,N-二甲基甲酰胺，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体。

图1为实施例1对应的荧光碳量子点的高分辨率透射电镜图，结果显示，由脱镁叶绿素制成的荧光碳量子点是均匀分散的球形颗粒。

图2为实施例1对应的荧光碳量子点的吸收光谱图，结果显示，由脱镁叶绿素制成的生物质碳量子点在350-750nm都有吸收，有两个特征吸收峰，分别在411nm和664nm。

图3为实施例1对应的荧光碳量子点在不同波长下的激发光谱图，结果显示，碳量子点有两个分开的荧光激发带，在蓝光激发区域有一个激发带，表现出激发依赖的特性；在红光激发区域有一个激发带，表现出非激发依赖的特性。

实施例2

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取熊果苷粉末30mg，加入30mL N,N-二甲基甲酰胺，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体，该荧光碳量子点的结构及性能与实施例1相近。

实施例3

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取板栗肽粉末30mg，加入30mL N,N-二甲基甲酰胺，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体，该荧光碳量子点的结构及性能与实施例1相近。

实施例4

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取脱镁叶绿素粉末30mg，加入30mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，水和N,N-二甲基甲酰胺体积比为1:1，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体，该荧光碳量子点的结构及性能与实施例1相近。

实施例5

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取熊果苷粉末30mg，加入30mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，水和N,N-二甲基甲酰胺体积比为1:1，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体，该荧光碳量子点的结构及性能与实施例1相近。

实施例6

基于生物质的荧光碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

称取板栗肽粉末30mg，加入30mL水和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中，水和N,N-二甲基甲酰胺体积比为1:1，超声震荡30分钟后转移进入微波消解反应器中，在500W功率下，150℃加热30分钟，待溶液冷却至室温后，用孔径为0.22μm的滤膜过滤，再经截留分子量为3500的透析袋透析48h后除去N,N-二甲基甲酰胺，得到碳量子点的水溶液，最后经冻干机冷冻干燥36-48h后得到基于生物质的荧光碳量子点固体，该荧光碳量子点的结构及性能与实施例1相近。

实施例7

基于生物质的荧光碳量子点在制备光动力药物或光敏药剂中的应用：

将上述实施例所制备的荧光碳量子点分散在水中，配置成200μg/mL溶液，将其和TEMP或DMPO混合，后用近红外激光进行照射，利用电子顺磁波谱仪测试其照射前后的信号，判断所得荧光碳量子点是否能产生单线态氧或者羟基自由基，用于肿瘤的光动力治疗。

图4为实施例1对应的荧光碳量子点利用顺磁共振波谱仪检测单线态氧，通过对比671nm激光照射前后单线态氧的信号强度，发现碳量子点经激光照射后可以产生单线态氧，可用于制备光动力药物或光敏药剂，从而用于肿瘤的光动力治疗。

将上述实施例2-6制备得到的荧光碳量子点按照上述方法用于光动力药物或光敏药剂的制备中，结果与实施例1的荧光碳量子点的结果相似。

实施例8

基于生物质的荧光碳量子点在荧光成像领域中的应用，将所制备的荧光碳量子点分散在水中，配置成200μg/mL溶液，加入HeLa或者4T1细胞中，共同孵育4h后，利用激光共聚焦显微镜在近红外激光通道下观察细胞能否顺利进入细胞并发出红色荧光，用于细胞内的荧光成像。

图5为实施例1对应的荧光碳量子点经过和4T1细胞共孵育4h后，成功进入细胞质，并在635nm激光照射下发出明亮的红色荧光。说明其可以用于近红外光激发的荧光成像。

将上述实施例2-6制备得到的荧光碳量子点按照上述方法用于细胞内的荧光成像中，结果与实施例1的荧光碳量子点的结果相似。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种基于生物质的荧光碳量子点，其特征在于，所述荧光碳量子点的原料包括生物质，所述生物质选自脱镁叶绿素、熊果苷、板栗肽中的一种或几种。

2.根据权利要求1所述的荧光碳量子点，其特征在于，所述荧光碳量子点的结构为所述生物质经碳化后得到的球形或大体球形颗粒。

3.根据权利要求1或2所述的荧光碳量子点，其特征在于，所述荧光碳量子点在近红外区激光的激发下，发出红色荧光。

4.如权利要求1-3任一项所述的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将所述生物质进行碳化，得所述荧光碳量子点。

5.根据权利要求4所述的荧光碳量子点的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

将生物质溶于分散剂中，得均匀分散的悬浮液；

将得到的悬浮液进行碳化；

将碳化后得到的溶液冷却至室温，经过滤、透析、干燥，得所述荧光碳量子点。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述碳化在微波加热装置中进行；优选地，所述碳化反应的温度为150-180℃，时间为20-30min，微波功率为300-500W。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述生物质与分散剂的添加量比为10～30mg：30mL；所述分散剂选自N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基甲酰胺与水的混合溶液；优选地，所述N,N-二甲基甲酰胺与水的混合溶液中，水与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为1:1-1:10。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述过滤用的滤膜的孔径为0.22μm；所述透析的截留分子量为3500Da，时间为48h；所述干燥为冷冻干燥，所述冷冻干燥的温度为-50℃，时间为36-48h。

9.如权利要求1-3任一项所述的荧光碳量子点在荧光成像或在制备光动力药物或光敏药剂中的应用。