CN110205122A

CN110205122A - 一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点及应用

Info

Publication number: CN110205122A
Application number: CN201910491688.0A
Authority: CN
Inventors: 霍峰; 刘宇航; 蒋志; 胡猛; 李文琼
Original assignee: Sichuan Zhongke Weina Technology Co Ltd
Current assignee: Sichuan Zhongke Weina Technology Co Ltd
Priority date: 2019-06-06
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: CN110205122B

Abstract

一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点及应用，以1，5‑二氨基萘溶于水和无水乙醇为原料，历经化学反应，沉淀结晶，纯水洗涤，常温干燥工序，在控制水与乙醇重量比为22:18以及26:14时，分别制得两种碳纳米晶：发芽型晶体和针叶松型晶体；取上述两种晶体在常温下溶于50％乙醇、二甲基亚砜或者四氢呋喃，即获得对应超亮全色碳点。在较低波长660nm激发下，具有独特的上转换发光特性，本发明多色碳点可用于体内、体外多色生物医学成像、金属离子传感领域研究等，具有易产业化的价值。

Description

一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点及应用

技术领域

本发明涉及荧光纳米碳点技术领域，特别是超亮、全色纳米碳点的制备方法及其在多色活体生物标记、生物医学成像和金属离子传感领域方面的应用。

背景技术

近几年荧光碳纳米材料因其诸多独特的优点吸引了研究者的广泛关注。这些碳纳米材料包括碳量子点，碳纳米管，石墨烯，碳聚合点、镧系参杂纳米材料。与传统的纳米荧光材料半导体量子点相比，这些碳基纳米发光材料更具有潜在的应用前景：如化学传感，生物传感、生物成像，纳米医学，催化等。其中荧光碳点倍受广大研究者的青睐，源于制备简单和有着独特的光学特性，良好的生物相溶性以及低毒性等。

目前，纳米荧光碳点的制备方法有多种多样，目前所报道的碳点制备思路中，设计方法简单、相对温和的实验条件或方案已成为研究热点。如电化学合成方法、激光消融法、电弧放电法、湿法氧化、高温热解法等。上述这些制备方法均存在实验条件苛刻，操作复杂，成本高等缺点。其中传统的水热法等制备方法具有简单、一锅法，快速便捷，近年来受到研究者特别的专注。

中国专利文献公开如下：“一种水热法制备荧光纳米碳点的方法”(CN201310669241.0)，采用无毒或低毒的酒石酸和六次甲基四胺做反应原料，酒石酸和六次甲基四胺的反应摩尔比为1：1～2之间，加入去离子水的量以酒石酸和水的质量比在1：5～10之间，加热温度在100～150摄氏度，加热时间在30～120分钟之间。只有一个蓝色发光波长，且未报道荧光量子产率为多高。

但传统的水热法通过反应釜合成后，经过除去沉淀，然后透析袋透析后，才能制备碳点。所制备出的碳量子点发光效率较低，碳点纯度难以提升，如果用于实际生物医学样品的生物标记，难以避免纳米粒子聚集而导致荧光猝灭。另外，普遍难以长时间保存，因此更难以实现其工业应用价值。如何利用简单、可控的合成方法制备出高纯、超亮的全色碳点仍是制约该领域研究的瓶颈。

发明内容

本发明目的是提供一种可工业化生产、可长久存放不被氧化变质、活体生物医学成像应用、呈现多激发、多发射全色荧光效应的超亮全色碳点。

本发明的目的是这样实现的：一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点及应用，前驱体(极性环境控制：水：乙醇V：V＝22:18和26:14)，极性调控、反应、冷却、沉淀结晶、纯水洗涤、常温干燥工序，分别制得两种不同形貌的碳纳米晶：发芽型晶体和针叶松型晶体；取上述两种形貌的晶体在常温下溶于相应极性的溶剂乙醇、二甲亚砜或者四氢呋喃，即获得相应的超亮全色碳点。

所述两种晶体的X线衍射数据为：晶体均属于体心正交，晶胞参数为：a＝1.053nm，b＝0.9739nm，c＝1.189nm，α＝β＝γ＝90°；所述碳纳米晶溶于溶剂50％乙醇所制备的超亮全色碳点在透射电镜图中显示为：超亮全色碳点的纳米颗粒呈分散状态，分布均匀且颗粒的形状规则，呈圆球状，分布在9nm附近的颗粒粒径最多，晶格间距为0.19～0.22nm；所述碳纳米晶溶于溶剂二甲亚砜所制备的超亮全色碳点在原子力显微镜的数据表明：碳纳米晶溶于DMSO后变成了分散的小颗粒物碳点，直径范围在5-15nm左右。

所述通过调控两种形貌的晶体所制备的碳点在X射线光电子能谱(XPS)数据总谱上显示均由C，N，O三种元素组成，分别C_1S在284.8eV，N_1S在399.3eV，O_1S在532.41eV，其中发芽型晶体所制备的碳点所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量分别为80.55％,5.82％and 13.62％，而针叶松型晶体所制备的碳点所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量分别为84.81％，11.14％，4.05％。

上述碳点呈现多激发、多发射效应(从蓝色到红色)；在较低波长660nm激发下，具有独特的上转换发光特性。上转换发光的有绿色λ_ex＝660nm和黄绿色λ_ex＝660nm，下转换发光有红λ_ex＝470nm橙λ_ex＝470nm黄λ_ex＝400nm绿λ_ex＝400nm蓝λ_ex＝360nm紫λ_ex＝380nm，紫外光谱中表明了红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，紫色碳点的最佳激发波长在470nm，450nm，450nm，450nm，360nm，380nm左右，荧光分光光谱中荧光为红色的波峰在597nm，橙光在592nm，黄光在563nm，绿光在533nm，蓝光在385nm，紫光在378nm，左右处。

本发明的另一目的是提供上述碳点的制备方法。

本发明的另一目的是这样实现的：超亮全色碳点的制备方法，包括以下步骤：

1)发芽型晶体CM-1以及针叶松型晶体CM-2的合成

取1，5-二氨基萘溶于水和无水乙醇加入反应釜中，控制极性环境条件(水与乙醇的反应比例)，封好反应釜置于150-200℃的烘箱中反应12h，反应结束后取出生成物于烧杯中并进行密封，室温中冷却，得到沉淀，等到烧杯中晶体不再析出且长度和数量趋于稳定时，即晶体沉淀老化时，取下面的晶体沉淀，然后用超纯水沿壁洗涤晶体3-5次，除水后置于表面皿常温下干燥，即可得到两种不同形貌的晶体：在水：乙醇的反应比例为22：18时，所制得发芽型晶体CM-1，在反应比例水：乙醇为26：14时，制得针叶松型晶体CM-2；

2)超亮全色碳点的制备

取上述干燥晶体CM-1和晶体CM-2在常温下分别溶于不同极性的溶剂，即可获得多种超亮全色碳点；

上述溶剂为乙醇、二甲基亚砜或者为四氢呋喃，所述干燥晶体CM-1溶解于50％乙醇所获得的碳点，该碳点在Ag⁺作用下具有明显的猝灭效应。

所述干燥晶体CM-1和CM-2溶于乙醇的量子产率分别为48.80％和78.00％。

本发明的再一目的是提供上述碳点的应用。

本发明的再一目的是这样实现的：所述碳点在活体生物标记、体内外生物医学成像以及金属离子传感方面的应用。用Hela细胞为实验对象，将10-50mg/ml的碳点分别作用于Hala细胞培育24h，Hela细胞的存活率超过90％，证实了碳点的良好生物相容性和低毒性，然后用50μg/ml的碳点与Hela细胞培育6小时，用扫面激光共聚焦成像，在激发波长为405nm,458nm,546nm激发下呈现出蓝色，绿色，红色，该碳点能穿过细胞膜进入细胞质，在细胞之内显现出明亮的荧光，碳点不仅能穿过细胞膜还能进入细胞核，在整个细胞区域即细胞质区域和细胞核中均能显现出明亮的荧光。所制备的上述碳点具有全色荧光，有良好的生物相容性，在多色生物标记，生物成像等方面有着潜在的应用；

本发明的再一目的是这样实现的：所述碳点在活体生物标记、体内外生物医学成像的应用。通过对斑马鱼幼虫进行显微镜注射并在体内完成共聚焦显微镜成像来探究。首先将培养了5天将由胚胎转变为幼虫的斑马鱼幼体通过显微注射浓度为50μgml^-1的CDs，注射体积为50nl。即CDs在斑马鱼受精后第5天注入幼体的心室。选择这个阶段的斑马鱼是因为该阶段斑马鱼正在发育椎骨，这有益于实验观察。然后将幼体放于28.5℃下培养24小时后，用激光扫描共焦显微镜在546nm激发波长下拍摄图像。图像表明整个斑马鱼包括脊椎部分均呈现出明亮的蓝、绿、红色荧光。

所述发芽型晶体溶解于50％乙醇所制备的碳点中添加Ag⁺后，Ag⁺对该碳点具有明显的猝灭作用，该特性在银离子传感方面具有潜在的应用价值。

所述银离子传感为银离子探针，或者银离子荧光开关。

本发明利用一种简单的化合物，通过一种简单而温和的可控合成方法，精细调控制备出两种不同形貌的碳纳米晶，即发芽型-Ⅰ，针叶松型-Ⅱ，且晶体形貌易于调控。并探索了两种形貌晶体支链生长的机理。然后将该碳纳米晶分别溶解于相应极性的溶剂中，即可制备出超亮、高纯的全色碳点(HPMCCD)。当溶剂挥发了，晶体再次形成,当把晶体溶于溶剂后，又可制备出超亮碳点，可反复循环多次，而荧光强度没有明显的衰减。该碳点具有多激发、多发射的光致发光性质，以及上转换发光的特点。该碳纳米晶纯度高、本身不发光(从可见到紫外)，冷藏箱及常温下均可长期保存20个月以上，所制备的超亮全色碳点的荧光发光强度几乎不衰减，纳米晶长期存放，不易被氧化导致变质等突出优点。所制备出的全色CDs发光强度较高，易于产业化。

本发明的有益效果是：

1.本发明使用简单的合成方法制备了不通形貌的碳纳米晶CNCs，即支链发芽型和针叶松型。然后利用精细调控晶体形貌即可制备出超亮高纯全色碳点，且量子产率较高，高达78％。而现有水热法弃去宝贵的沉淀然后透析,所制备的碳点量子产率只有69.0％。

2.探索利用单一种化合物，精细调控制备出两种不通晶体形貌的碳纳米晶机理。该纳米晶还可长时间放置不易被氧化,溶于溶剂制备碳点，当溶剂挥发了，又恢复为晶体，可来回多次循环，荧光强度几乎不衰减。

3.通过精细极性调控碳纳米晶形貌，制备出超亮全色碳点该碳点呈现多激发、多发射效应(从蓝色到红色)。

4.同等条件下，该法所制备的超亮全色碳点比传统水热法通过透析所制备的碳点量子产率高，具有独特的上转换发光特性。且充分利用了原子经济模式。

5.该多色碳点可用于活体多色生物医学体内、体外成像、金属离子传感领域等。尤其是，冷藏箱及常温下放置，均不易变质、被氧化，具有产业化意义

附图说明

图1为两种形貌的晶体在紫外和可见光下数码照。

图2为所制备的超亮全色碳点的荧光发光强度(溶剂挥发之后，再次添加，循环多次；a、b分别为CM-1和CM-2)。

图3为利用碳纳米晶新制备的碳点的荧光强度与放置20个月之后的碳纳米晶体所制备的碳点的荧光强度比较数据图(a、b分别对应为CM-1和CM-2)。

图4为所制备的两种不同形貌的碳纳米晶的落射显微镜图(a-b)和扫描电镜图(c-d)。

图5为所制备的超亮全色碳点的荧光衰减谱图和荧光寿命的拟合曲线图(a、b分别对应为CM-1和CM-2)。

图6是本发明超亮全色碳点的荧光发光图及紫外光谱图(a是所制备的超亮全色碳点的荧光发光图，1-7这些碳点是通过精细调控碳纳米晶型制备的，晶型CM1(1、4、5、6)，晶型CM2(2、3/7)。然后分别分散到二甲亚砜(1、5)、乙醇(2、3)、四氢呋喃(4、6)、丙酮溶剂中(7)，在相应的LED激发下；b～e是紫外和荧光谱图；8～9是晶型CM1分别溶解于四氢呋喃和二甲亚砜溶剂中，所获得的上转换发光数据图在LED(Ex 660nm)激发下)。

图7为红外光谱和XRD谱图。

图8为所制备的超亮全色碳点的拉曼光谱图。

图9为用碳纳米晶制备的超亮全色碳点的透射电镜图以及原子力显微镜数据图。

图10为两种形貌的晶体的XRS总谱、分峰谱图。

图11为Hela细胞用超亮全色碳点孵育14小时(37℃)的成活率。

图12为所制备的超亮全色碳点在活体斑马鱼及Hela细胞中的激光共聚焦成像图。

图13为所制备的超亮全色碳点对11种金属离子(10^-2M)的传感荧光开关效应(a是在激发波长365nm下，b是碳点对Ag⁺的荧光开关相应数据)。

具体实施方式

实验部分:

精细可控合成两种晶体形貌的晶体：

取0.18g 1，5-二氨基萘溶于(40-22ml)水和(0-18ml)无水乙醇共40ml液体于反应釜中，控制水与乙醇的反应比例，封好反应釜置于(150-200℃)的烘箱中反应12h。待反应结束后取出生成物于烧杯中并进行密封。室温中冷却，可得到沉淀，等到烧杯中晶体不再析出且长度和数量趋于稳定时，即晶体沉淀老化时，取下面的晶体沉淀(上清液仍然可按照常规的水热法，透析后制备常规的碳点，但量子产率远不如由晶体制备出的碳点纯度高、量子产率高)，然后用超纯水沿壁洗涤晶体(3-5次)，除水后置于表面皿常温下干燥，即可得到两种不同形貌的晶体：晶体相貌ⅰ-发芽型(水：乙醇22：18)and晶体形貌ⅱ-针叶松型(水：乙醇，26：14)。如Figure 2所示。

超亮全色碳点的制备：

取上述的干燥晶体1和晶体2常温下，分别溶于不同极性的溶剂，即可获得多种超亮全色碳点。

细胞毒性分析：

通过MTT和活体体内、体外成像，我们证实了所制备的超亮碳点的全色荧光有着良好的生物相容性在生物标记，生物成像等方面有着潜在的应用。用Hela活细胞为实验对象，将10-50mg/ml的超亮全色碳点分别作用与Hala细胞培育24h，Hela细胞的存活率超过90％，证实了碳点的良好生物相容性和低毒性。然后用50μg/ml的碳点与Hela活细胞培育6小时，用激光扫描共聚焦成像，在激发波长为405nm，458nm，546nm激发下呈现出蓝色，绿色，红色。值得注意的是该碳点能穿过细胞膜进入细胞质，在细胞之内显现出明亮的荧光。碳点不仅能穿过细胞膜还能进入细胞核，在整个细胞区域能显现出明亮的荧光。

体内成像：

体内成像：50nl的50μg/mlCDs的注射到5天的斑马鱼体内培育24小时后，同样用激光扫描共聚焦成像，在405，458，546nm激发下分别呈蓝色，绿色，红色。CDs还有较低激发波长下的上转换发光特征，此现象更有利于深度或浅层组织成像。证实CDs在生物标记，生物成像方面有着潜在的应用。

斑马鱼孵育和胚胎收集：

斑马鱼的孵育和胚胎收集。斑马鱼的孵育和胚胎采集是根据标准的孵育和饲养协议进行的。简单地说，野生型成年斑马鱼在28.5℃条件下，以14:10的光/暗循环培养。这些鱼每天用新鲜孵化的盐水虾(盐水虾，美国)喂养两次。一只雄性和两只雌性斑马鱼在开始繁殖前的晚上被转移到繁殖池。第二天早上，在开灯后30分钟内，从繁殖箱中收集到足够的胚胎，然后用去离子水清洗胚胎。在受精后4小时，在解剖光学显微镜(SZ760)下检查胚胎，并选择正常发育的胚胎进行进一步的实验。

幼虫显微注射和体内成像：

经过三天的发育，胚胎转变为幼虫，分别用电动微注射器(Femtojet 4i)和SZ760系列立体显微镜(重庆奥普特仪器有限公司)进行显微注射。在无菌去离子水中制备50μg/ml材料溶液，在高温(拉拔压力55pa，拉拔时间10s)下，用毛细管作注射针。针尖刻在0.05毫米左右。在琼脂糖上注入96个HPF的30个胚胎，注射显微镜(2x10)放大后，注入体积约为50nL。将幼虫在28.5℃孵育3小时，然后用激光扫描共聚焦显微镜LSCM(OLMPUS)拍照。8小时后，用去离子水冲洗后，尼康SMZ18拍摄幼虫图像。

多模态金属离子传感：

实验设计为，把晶体形貌-1晶体溶解于50％的乙醇中，然后研究添加十一种金属离子Na⁺，K⁺，Mn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni⁺，Fe²⁺，Mg²⁺后，探究该碳点能对哪种金属离子具有传感作用。如图所示，Ag⁺对其具有明显的猝灭效应。因此，可设计开发银离子的传感探针具有潜在的意义。

结果与机理讨论:

本研究首先用一种简单的化合物1，5-二氨基萘，通过简单而新颖的合成方法，通过精细调控合成过程，得到两种晶体形貌：发芽型和针叶松型(图1a-b)。该两种晶体形貌的晶体可控支链生长。然后取干燥的两种形貌的晶体分别溶于相应的溶剂，即可获得超亮全色碳点(图6.)。两种晶体本身不发光，当分别溶于不同溶剂后则呈现多激发、多发射的全色荧光，其中还有上转换发光特征。

所制备的该两种晶体形貌，如图4所示，从图中的光学显微镜图片和SEM图片，可明显看出CM-Ⅰ为发芽型，and CM-Ⅱ为针叶松型。而两种晶型在可见光及紫外光下均不发光，如图1所示；晶体溶于溶剂调控成碳点溶液发光，当溶剂挥发后，碳点溶液又恢复形成晶体，可来回循环多次以上，如图2.所示。经过多次循环之后，所制备的碳点荧光仍然几乎没有明显衰减，可能在智能光控材料、智能探针开发和智能传感应用领域具有重要作用。同时也非常易于工业化生产。另外，冷藏箱开放放置时间近20个月，仍然不被氧化，而且荧光衰减很小，不易漂白等优点，如图3.所示，虽经近20个月的耐心等待，实验结果可以看出该晶体的化学性质较为稳定。

图1.两种形貌的晶体在紫外和可见光下数码照；

图2.所制备的超亮全色碳点的荧光发光强度；溶剂挥发之后，再次添加，循环多次；a-b)CM-1和CM-2。

图3.利用新制备的碳纳米晶所制备的新碳点的荧光强度与放置20个月之后的碳纳米晶体所制备的碳点的荧光强度比较数据图：a-b)CM-1和CM-2。

图4所制备的两种不同形貌的碳纳米晶的落射显微镜图(a-b)和扫描电镜图(c-d)；

从图6可看出，所制备的碳点经过优化条件后，获得的最佳荧光：上转换的绿色(λ_ex＝660nm)和黄绿色(λ_ex＝660nm)，下转换有红(λ_ex＝470nm)，橙(λ_ex＝470nm)，黄(λ_ex＝400nm)，绿(λ_ex＝400nm)，蓝(λ_ex＝360nm)，紫(λ_ex＝380nm)。该碳点的，光谱中表明了红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，紫色碳点的最佳激发波长在470nm，450nm，450nm，450nm，360nm，380nm左右。荧光为红色的波峰在597nm，橙光在592nm，黄光在563nm，绿光在533nm，蓝光在385nm，紫光在378nm左右处。最后一张图(8-9)表明了上转换的荧光光谱最强的波峰位置在530nm附近，显示出明亮的绿色荧光。图6中插图(8-9)所示，该CDs在660nm激发光下，在四氢呋喃和二甲亚砜溶剂中分别呈现出绿色和黄绿色的上转换发光特性。该特征表明该量子点除了可用于深部组织荧光成像(包括双光深组织荧光成像)外，还可用于表层生物成像。

两种碳点的荧光寿命和衰减曲线如图5和表1所示。其荧光量子产率分别为：48.8％and 78.0％。而传统的水热法通过除去宝贵的沉淀和透析之后，所制备的碳点量子产率为：41.5％and 69.0％。如图表2所示。

图5.所制备的碳点的荧光衰减谱图和拟合曲线图

表1.由两种晶型制备的碳点的荧光寿命数据；

表2.新方法与传统制备方法的比较:两种晶型溶于乙醇的量子产率；

Compounds	CD1	CD2	Remark column
				λ<sub>Ex</sub>/λ<sub>Em</sub>(mm)	360/430	400/570
Φ<sub>QY</sub>	48.80％	78.00％	Novel method
				Φ<sub>QY</sub>	41.50％	69.00％	Conventional method

图6.a)所制备的超亮全色碳点的荧光发光图；1-7)这些碳点是通过精细调控碳纳米晶型制备的，在相应的LED激发下；b～e)紫外和荧光谱图；8～9)上转换发光数据图在LED(Ex 660nm)激发下.

从红外谱图图7所示，从图中能清晰看到1，5-NDA结构中主要含有N-H，C＝C键，而水热反应后得到晶体含有的键主要有N-H，O-H，C-O键。拉曼光谱所示：正如所知道的D带的相对强度是结晶结构紊乱程度的反映，代表了晶格的缺陷；而G带代表一阶的散射E2g，是一个单晶石墨烯表面内相邻两个碳原子发生反方向运动的振动模式。D/G强度比是无序石墨的测量手段，且D带在1350cm^-1左右，G带在1590cm^-1左右处。如图8拉曼光谱所示，样品中没有明显的G带和D带，这就表明原子晶体的缺陷较少，混乱程度较小，说明晶体中不含碳碳双键或碳碳三键。

图7.红外光谱和XRD谱图

利用Jade6.5软件对两种晶形样品的粉末X线衍射数据进行指标化图7，样品的晶体都属于体心正交，晶胞参数为：a＝1.053nm，b＝0.9739nm，c＝1.189nm，α＝β＝γ＝90°。我们通过调节溶剂极性得到两种晶形。但为什么会形成两种不同的晶体形貌，我们做了深入的探究，一般而言，对于极性晶体，晶体界面的极性不同。不同的溶剂与生长晶体的界面相互作用不同，即使同种溶剂对晶体不同界面上的作用也不同，从而改变了生长界面的性质，影响了生长基元在晶体界面，特别是晶体正、负极面上的叠合速率，从而导致了晶体形貌的变化。溶剂极性小对极性晶体两个极面的生长影响很小，因而此时晶体1沿晶轴C的两个方向生长，所以晶体1呈发芽状。水的极性强，偶极矩大，还可以与有机晶体形成氢键，溶剂中水含量的增加抑制晶体(002)和(200)晶面生长，晶体2的(002)衍射峰的强度不到晶体1的一半，晶体2的(200)衍射峰的相对强度由晶体1的42.2％降低为38.3％。溶剂中水含量的增加促进晶体(011)，(112)和(220)晶面生长，CM2的衍射峰的相对强度分别由晶体1的19％，9.9％和13.9％增加为22.5％，17.6％和24.8％图7。

图8.所制备的碳点的拉曼光谱图；

由透射电镜图图9所示，可见到所制备的碳点的纳米颗粒成分散状态，分布均匀且颗粒的形状规则，呈圆球状。通过统计得知分布在9nm附近的颗粒粒径最多。高分辨透射电镜图像可以清晰看到晶格条纹且晶面的间距为0.22nm。原子力显微镜的成像表明晶体溶于DMSO后变成了分散系的小颗粒物，直径范围在5-15nm左右，如图9所示。

图9.a-b)用碳纳米晶精细调控所制备的超亮全色碳点的透射电镜图；原子力显微镜数据图；

如图10所示，总谱上有三个明显的峰，说明由两种晶体形貌CM1和CM 2所制备的碳点，均是由C，N，O三种元素组成，分别C_1S在284.8eV，N_1S在399.3eV，O_1S在532.41eV。然而，两种晶体形貌所含的C，N，O三种元素的百分比不同。其中晶体形貌1所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量为80.55％,5.82％and 13.62％.然而，晶体形貌2所制备的碳点所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量为84.81％，11.14％，4.05％。而C_1S处又可以在284.7eV，285.5eV，286.2eV可以分为C-C,C-N,C-O，那么同样的N_1S处也可以分为398.2eV，399.3eV，400.2eV分别对应吡啶氮，氨基氮，吡咯氮，而O_1S处也可分为531.0eV，532.6eV，对应的是C＝O,X-OH/C-OC键，如图10中CM1and2中C_1S，N_1S，O_1S，分峰所示。

以上FT-IR图谱以及XPS图谱分析有助于了解CDs的光致发光特性，但是其更深层次的发光机理仍需做进一步的研究。因此，我们利用拉曼光谱对该多色CDs进行分析，更深入揭示其相关机理。如图7所示，在532nm激发下，该量子点在1390cm^-1和1575cm^-1处有两个宽的特征峰，分别属于D波段(sp3杂化)和G波段(sp2杂化)。D带与无序石墨或玻璃碳的端面上有悬空键的碳原子的振动有关。G带相当于石墨的E_2g模式，与二维六边形晶格中sp2杂化碳原子的振动有关。

图10.两种形貌的晶体的XRS总谱、分峰谱图；

为了证明该新方法所制备的CDs具有良好生物相容性，本文初步研究了该高亮全色CDs的细胞毒性以及在体内外的成像作用。结果表明，该量子点可作为多色生物标记试剂。该量子点的细胞毒性通过基于Hela细胞的标准MTT分析检验。如图11.所示，将Hela细胞分别置于浓度范围为2至10μg/ml的CDs中孵育24小时后，细胞活性仍保持在80％以上，证明该CDs细胞毒性低。为了探究该CDs在多重生物成像中的应用，初步研究了其在体外细胞和斑马鱼体内成像的潜在应用，如图12所示。

图11.Hela细胞用超亮全色碳点孵育14小时(37℃)的成活率；

图12所制备的超亮全色碳点在活体斑马鱼及Hela细胞中的激光共聚焦成像图；

将Hela活细胞在50μg/ml CDs中孵育6小时，用共聚焦显微镜分别在405nm、458nmand 546nm三个激发光下成像。如图12共聚焦显微图像所示，在Hela细胞内该CDs在激发光激发下发射出蓝、绿、红光，在细胞质区域和细胞核中均有明显的发光。这表明，该量子点不仅可以通过细胞膜进入到细胞质也可以进入细胞核，使整个细胞区域显示出来明亮的荧光。这证明该CDs可用于多色生物标记。

同时，为了研究CDs的生物相容性及其对斑马鱼活体组织的作用，我们通过对斑马鱼幼虫进行显微镜注射并在体内完成共聚焦显微镜成像来探究。首先将培养了5天将由胚胎转变为幼虫的斑马鱼幼体通过显微注射浓度为50μgml^-1的CDs，注射体积为50nl。即CDs在斑马鱼受精后第5天注入幼体的心室。选择这个阶段的斑马鱼是因为该阶段斑马鱼正在发育椎骨，这有益于实验观察。然后将幼体放于28.5℃下培养24小时后，用激光扫描共焦显微镜在546nm激发波长下拍摄图像，如Figure 6A所示。图像表明整个斑马鱼包括脊椎部分均呈现出明亮的蓝、绿、红色荧光。

除此之外，该碳点还可用于金属离子传感作用，实验设计为把晶型-1，溶解于50％的乙醇中，试验添加十一种金属离子Na⁺，K⁺，Mn²⁺，Ag⁺，Cd²⁺，Pb²⁺，Zn²⁺，Co²⁺，Ni⁺，Fe²⁺，Mg²⁺后，研究其是否有荧光猝灭或荧光增强作用。如图13.所示，研究发现Ag⁺对碳点的荧光有明显的猝灭效果。由此可验证该碳点对于银离子传感具有潜在的应用价值。

图13.所制备的超亮全色碳点对11种金属离子(10^-2M)的传感荧光开关效应：在激发波长365nm(a)，碳点对Ag⁺的荧光开关相应数据(b)。

Claims

1.一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点，其特征在于，以1，5-二氨基萘为前驱体，极性调控、反应、冷却、沉淀结晶、纯水洗涤、常温干燥工序，在极性环境控制下即在水：乙醇V：V＝22:18和26:14条件下，分别制得两种不同形貌的碳纳米晶：发芽型晶体和针叶松型晶体；取上述两种形貌的晶体在常温下溶于相应极性的溶剂乙醇、二甲亚砜或者四氢呋喃，即获得相应的超亮全色碳点。

2.根据权利要求1所述的一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点及应用，其特征在于，所述两种晶体的X线衍射数据为：晶体均属于体心正交，晶胞参数为：a＝1.053nm，b＝0.9739nm，c＝1.189nm，α＝β＝γ＝90°；所述碳纳米晶溶于溶剂50％乙醇所制备的超亮全色碳点在透射电镜图中显示为：超亮全色碳点的纳米颗粒呈分散状态，分布均匀且颗粒的形状规则，呈圆球状，分布在9nm附近的颗粒粒径最多，晶格间距为0.19～0.22nm；所述碳纳米晶溶于溶剂二甲亚砜所制备的超亮全色碳点在原子力显微镜的数据表明：碳纳米晶溶于DMSO后变成了分散的小颗粒物碳点，直径范围在5-15nm左右。

3.根据权利要求1所述的一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点，其特征在于，所述通过调控两种形貌的晶体所制备的碳点在X射线光电子能谱(XPS)数据总谱上显示均由C，N，O三种元素组成，分别C_1S在284.8eV，N_1S在399.3eV，O_1S在532.41eV，其中发芽型晶体所制备的碳点所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量分别为80.55％,5.82％and13.62％，而针叶松型晶体所制备的碳点所含C_1S，N_1S，O_1S原子的含量分别为84.81％，11.14％，4.05％。

4.根据权利要求1所述的一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点，其特征在于，所述碳点呈现多激发、多发射效应(从蓝色到红色)；在较低波长660nm激发下，具有独特的上转换发光特性。上转换发光的有绿色λ_ex＝660nm和黄绿色λ_ex＝660nm，下转换发光有红λ_ex＝470nm橙λ_ex＝470nm黄λ_ex＝400nm绿λ_ex＝400nm蓝λ_ex＝360nm紫λ_ex＝380nm，紫外光谱中表明了红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，紫色碳点的最佳激发波长在470nm，450nm，450nm，450nm，360nm，380nm左右，荧光分光光谱中荧光为红色的波峰在597nm，橙光在592nm，黄光在563nm，绿光在533nm，蓝光在385nm，紫光在378nm处。

5.根据权利要求1所述的一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点，其特征在于，本发明所制备的超亮全色碳点量子产率较高(78.0％),而其它条件一致的条件下，采用传统水热法弃去宝贵沉淀然后透析,所制备的碳点量子产率69.0％。

6.一种如权利要求1～5任一权利要求所述一种精细调控晶体形貌可控合成超亮全色碳点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)发芽型晶型CM-1以及针叶松型晶型CM-2的合成

2)超亮全色碳点的制备

上述溶剂为乙醇、二甲基亚砜或者为四氢呋喃，所述干燥晶体CM-1溶解于50％乙醇所获得的碳点，该碳点在Ag⁺作用下具有明显的荧光猝灭效应。

7.根据权利要求6所述的超亮全色碳点的制备方法，其特征在于，所述干燥晶体CM-1和CM-2溶于乙醇的量子产率分别为48.80％和78.00％。

8.根据权利要求6所述的超亮全色碳点的制备方法，其特征在于，所述溶于溶剂的碳点，当溶剂挥发了，又恢复为晶体，来回多次循环，荧光强度几乎不衰减。

9.根据权利要求6所述的超亮全色碳点的制备方法，其特性在于，所述碳点即碳纳米晶在冷藏箱开放放置时间近20个月，仍然不被氧化，而且荧光衰减很小，不易漂白等优点。

10.一种如权利要求1～5任一权利要求所述碳点在生物标记、活体生物成像以及金属离子传感方面的应用，其特征在于，用Hela细胞为实验对象，将10-50mg/ml的碳点分别作用于Hala细胞培育24h,Hela细胞的存活率超过90％，证实了碳点的良好生物相容性和低毒性，然后用50μg/ml的碳点与Hela细胞培育6小时，用扫面激光共聚焦成像，在激发波长为405nm,458nm,546nm激发下呈现出蓝色，绿色，红色，该碳点能穿过细胞膜进入细胞质，在细胞之内显现出明亮的荧光，碳点不仅能穿过细胞膜还能进入细胞核，在整个细胞区域即细胞质区域和细胞核中均能显现出明亮的荧光，所制备的上述碳点具有全色荧光，有良好的生物相容性，在多色生物标记，生物成像等方面有着潜在的应用；

所述碳点在活体生物标记、体内外生物医学成像的应用还通过了对斑马鱼幼虫进行显微镜注射并在体内完成共聚焦显微镜成像来探究；首先将培养了5天将由胚胎转变为幼虫的斑马鱼幼体通过显微注射浓度为50μgml^-1的CDs，注射体积为50nl；即CDs在斑马鱼受精后第5天注入幼体的心室；选择这个阶段的斑马鱼是因为该阶段斑马鱼正在发育椎骨，这有益于实验观察；然后将幼体放于28.5℃下培养24小时后，用激光扫描共焦显微镜在546nm激发波长下拍摄图像；图像表明整个斑马鱼包括脊椎部分均呈现出明亮的蓝、绿、红色荧光；

11.根据权利要求10所述的碳点在活体生物标记、生物成像以及金属离子传感方面的应用，其特征在于，所述银离子传感为银离子探针，或者银离子荧光开关。