CN110408389B - 一种碳量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种荧光碳量子点，由质量比为1:5的2,4‑二氟苯甲酸和甘氨酸经反应、提纯得到。与现有技术相比本发明的碳量子点具备良好的水溶性，且在水中的荧光量子产率很高。另外本发明的碳量子点具有多个荧光发射峰，发光不受pH盐度等的影响，且具备低细胞毒性，是一种适用于细胞成像以及分子检测的荧光碳量子点，且尤其在水环境下的检测具备优势。

Description

一种碳量子点及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于量子点材料领域，具体涉及一种碳量子点及其制备方法和应用。
背景技术
在过去的十年里，由于荧光半导体量子点具有独特的光学和生物化学的性质而受到广泛的关注。基于其自身的特性使得它们在光电子器件、生物标记和生物成像等方面均有应用，但这类半导体量子点存在一些严重的问题，如重金属对健康和环境的影响，严重的限制了它们在不同领域的应用。所以，我们需要开发一种具有类似光学性能的新型纳米材料来替代半导体量子点。由于碳量子点具有制备方法简单、低毒性、环境友好、高化学稳定性、抗光漂白等优点而倍受关注，且它已广泛应用于生物成像和光学领域，逐渐成为替代半导体量子点的候选材料。尽管如此，目前制备的大多数碳量子点其荧光量子产率较低，而具有较高荧光量子产率的碳量子点往往是溶于有机试剂中，这又大大限制了碳量子点在成像和光学领域的应用。因此，需要发明一种具有良好水溶性且其在水溶液中具有较高荧光量子产率的碳量子点。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳量子点及其制备方法，以解决现有碳量子点在水溶液中具有低荧光量子产率的技术问题。
为了解决上述技术问题本发明一方面提供了一种碳量子点，由质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸经水热反应提纯得到。
优选地，所述的碳量子点的平均粒径为3.5～6.5nm。
进一步优选地，超过80％的所述碳量子点的平均粒径为5nm。
优选地，所述碳量子点的晶格间距为0.21nm。
优选地，所述的碳量子点在水溶液中的荧光量子产率为56％。
本发明另一方面提供了所述的碳量子点的制备方法，包括如下步骤：
将质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸溶于溶剂，并水热反应，得到反应液；
待反应液冷却至室温后，将反应液透析纯化，得到碳量子点的溶液。
优选地，所述溶剂为水和乙醇混合溶剂，且水和乙醇的比例为10:1-13:1。
优选地，所述加热反应的条件为在160-220℃下反应24-50h。
优选地，所述纯化方法为透析法，所述透析法采用透析袋进行，所述透析袋的规格为500Da。
本发明还一方面提供了所述的碳量子点在细胞成像以及分子检测方面的应用。
与现有技术相比本发明的碳量子点具备良好的水溶性，且在水中的荧光量子产率很高。另外本发明的碳量子点具有多个荧光发射峰，发光不受pH盐度等的影响，且具备低细胞毒性，是一种适用于细胞成像以及分子检测的碳量子点，且尤其在水环境下的检测具备优势。
附图说明
图1为本发明一实施例所述碳量子点的制备方法的示意图；
图2为本发明一实施例所述碳量子点的透射电镜图；
图3为本发明一实施例所述碳量子点的粒径分布图；
图4为本发明一实施例所述碳量子点的红外图谱；
图5为本发明一实施例所述碳量子点的X射线光电子能的全谱谱图；
图6为本发明一实施例所述碳量子点的碳元素的X射线光电子能的窄谱谱图；
图7为本发明一实施例所述碳量子点的溶液的紫外可见吸收光谱(左侧第一条线)；和碳量子点的最佳激发光谱和发射光谱(左侧第二条线和第三条线)；
图8为本发明一实施例所述碳量子点的溶液在不同激发波长下的荧光光谱；
图9为本发明一实施例所述碳量子点的紫外光电子能谱；
图10为本发明一实施例所述碳量子点的荧光寿命；
图11为本发明一实施例所述碳量子点的荧光量子产率；
图12为本发明一实施例所述碳量子点的溶液在不同温度下的荧光强度变化；
图13为本发明一实施例所述碳量子点的溶液在不同pH值下的荧光强度变化；
图14为本发明一实施例所述碳量子点的溶液在不同离子强度下的荧光强度变化；
图15为本发明一实施例所述碳量子点的细胞毒性图。
图16为本发明一实施例所述碳量子点的细胞成像图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例一方面提供了一种碳量子点，由质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸经反应提纯得到。
在优选实施例中，所述的碳量子点的平均粒径为3.5～6.5nm。经过纯化后取出杂质小分子，测试得到所述碳量子点粒径大小。在进一步的优选实施例中，超过80％的所述碳量子点的平均粒径为5nm。经过统计得到粒径数据。
在优选实施例中，所述碳量子点的晶格间距为0.21nm。经过测试得到数据。
在优选实施例中，经过测试所述的碳量子点在水溶液中的荧光量子产率为56％。
本发明另一方面提供了所述的碳量子点的制备方法，包括如下步骤：
S01：将质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸溶于溶剂，并水热反应，得到反应液；
S02：待反应液冷却至室温后，将反应液透析纯化，得到碳量子点的溶液。
具体的在步骤S01中，所述溶剂为水和乙醇混合溶剂，且水和乙醇的比例为10:1-13:1。加入一定量的乙醇可以帮助溶解后续透析再除去乙醇。
具体的在步骤S01中，所述加热反应的条件为在160-220℃下反应24-50h。
具体的在步骤S02中，所述纯化方法为透析法，所述透析法采用透析袋进行，所述透析袋规格为500Da。更具体的操作方式为将反应液放入透析袋，然后将透析袋放入足量的超纯水中，利用内外渗透压差除去小分子，有机溶剂等杂质，得到所述碳量子点的水溶液。
本发明还一方面提供了所述的碳量子点在疾病诊断、细胞成像以及分子检测方面的应用。
接下来结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
反应过程如图1所示:
(1)分别称取0.25g 2,4-二氟苯甲酸，1.25g甘氨酸以备用。
(2)将称量好的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸放入装有25mL超纯水(水电阻率为18.4MΩ·cm-1)和2mL无水乙醇的烧杯中，搅拌混匀。
(3)将上述混匀的溶液装入30mL的聚四氟乙烯反应釜中，并将反应釜至于烘箱中恒温200℃加热48小时后，将温度降为25℃。
(4)将反应获得的棕色溶液装入500Da的透析袋中，并将其放入装有2L超纯水的烧杯中透析，并每隔4小时换水一次以除去杂质，最终获得淡黄色碳量子点溶液。
实施例2
对实施例1所述碳量子点进行表征测试：
通过透射电镜对制备的碳量子点进行表征，可知其粒径大约为3.5-6.5nm，其晶格间距为0.21nm对应的是石墨碳的(100)晶面(如图2)。利用动态光散射粒度仪对碳量子点溶液进测试可知，制备的碳量子点粒径基本为-5nm(如图3)，这与透射电镜获得的结果相当。此外，制备的碳量子点通过红外测试表征可知(如图4)，该碳量子点含有多种化学键和基团，即–OH、–NH2、C–N和C–F。从制备碳量子点的X射线光电子能谱可知，碳量子点含有C、O、N和F三种元素，且元素含量分别为61.3％、19.2％、14.3％和5.2％(如图5)。由碳量子点中C元素的X射线光电子能谱可知，碳量子点中的化学键以C-C/C＝C、C-O/C-N、C＝O和C–F为主(如图6)。
实施例3
对实施例1所述碳量子点进行光学性能的测试：
对碳量子点水溶液品荧光性质的研究发现，制备的碳量子点溶液在235、284和464nm处有三个吸收峰，分别对应了C＝C的π-π*跃迁、C＝O/C–O/C–N/C–F的n-π*跃迁和激发吸收带。此外，碳量子点水溶液的最佳激发波长和发射波长分别为466nm和513nm(如图7)，且在365nm的紫外灯下成绿色。对其在不同激发波长(390-480nm)下的荧光光谱的研究发现，碳量子点在300-450nm和450-650nm处含有两个发射峰，其中对于300-450nm处的发射峰而言，发射峰的位置会随着激发峰的改变而改变，且出现了大约53nm的红移。但是对于450-650nm处的发射峰位置无变化，这说明前者的发射峰是由碳量子点的表面缺陷引起的，而后的发射峰是由于碳量子点的带隙所引起的(如图8)。并且图7中的紫外吸收峰和激发峰的重合也说明的了这一点。因此，通过Eg opt＝1240/λedge(λedge为紫外吸收的峰的带隙吸收峰位置)公式，可以计算获得碳量子点的带隙能级为2.67eV，再结合紫外光电子能谱分析表明，FNCDs的最高占据分子轨道(HOMO)能级为5.46eV(如图9)。此外，利用带隙能级和HOMO能级来计算最低的未占据分子轨道能级是2.79eV。对碳量子点的荧光寿命和荧光量子产率的测试，可知其荧光寿命约为4.89ns(如图10)，而其在水溶液的荧光量子产率高达56％(如图11)。
实施例3
对实施例1所述碳量子点抗干扰能力的测试：
对碳量子点荧光稳定性的研究可以发现，测试了不同温度、pH值和在不同离子强度下的碳量子点的荧光强度。如图12，当碳量子点溶液的温度由25℃升高到100℃时，发现碳量子点的荧光强度随着温度的升高逐渐降低，但是其荧光强度值降低了16％，说明温度对碳量子点荧光强度影响不大。图13显示了不同pH值对碳量子点荧光强度的影响。结果表明碳量子点的荧光强度变化不随着pH的变化成线性变化且碳量子点的荧光强度无明显改变。接下来，测试了不同离子强度(即加入不同浓度的NaCl的)对碳量子点荧光强度的影响。结果发现碳量子点的荧光强度无明显的变化(图14)。对碳量子点的细胞毒性研究表明，当碳量子点浓度为300μg/mL时，细胞的存货率大约为90％，说明制备的碳量子点基本无毒(如图15)。基于此，该碳量子点有作为细胞荧光探针的潜质。
实施例4
对实施例1所述碳量子点细胞成像的测试。
对碳量子点细胞成像的研究发现，制备的碳量子溶液与4T1细胞共孵育30分钟后(碳量子点浓度：50μg·mL-1)，用pH＝7.0的PBS溶液洗涤3次后，将细胞培养液加入碳量子点染色后的细胞培养皿中，再将培养皿放在激光共聚焦显微镜下进行观察(激光的激发波长：488nm，收谱范围：500-550nm),发现制备的荧光碳量子点可以进入细胞，并达到细胞核，进而与核仁结合。如图16，经碳量子处理的4T1细胞，在488nm激光下发出明亮的绿色荧光，且细胞形貌清晰可见，甚至可以观察到细胞的核仁。实验结果暗示制备的具有高荧光量子产率的碳量子点可以作为细胞核仁染料，并有望取代商用染料。

Claims (9)

1.一种碳量子点，其特征在于：由质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸经反应、提纯得到；其中，所述碳量子点在水溶液中的荧光量子产率为56％。
2.如权利要求1所述的碳量子点，其特征在于：所述的碳量子点的平均粒径为3.5～6.5nm。
3.如权利要求2所述的碳量子点，其特征在于：超过80％的碳量子点的平均粒径为5nm。
4.如权利要求1所述的碳量子点，其特征在于：所述的碳量子点的晶格间距为0.21nm。
5.一种如权利要求1-4任一所述的碳量子点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将质量比为1:5的2,4-二氟苯甲酸和甘氨酸溶于溶剂，并水热反应，得到反应液；
待反应液冷却至室温后，将反应液透析纯化，得到碳量子点的溶液。
6.如权利要求5所述的碳量子点的制备方法，其特征在于：所述溶剂为水和乙醇混合溶剂，且水和乙醇的比例为10:1-13:1。
7.如权利要求5所述的碳量子点的制备方法，其特征在于：所述加热反应的条件为在160-220℃下反应24-50h。
8.如权利要求5所述的碳量子点的制备方法，其特征在于：所述纯化方法为透析法，所述透析法采用透析袋进行，所述透析袋的规格为500Da。
9.一种如权利要求1-4所述的碳量子点在细胞成像以及分子检测方面的应用。
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