CN110980696A - 一种松木基石墨烯量子点及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种绿色高效的松木基石墨烯量子点的制备方法。本发明以松木作为原料，采用水热法对松木进行水热碳化，在一定固液比、水热温度、水热保温时间下，制备得到石墨烯量子点及其副产物混合液，然后使用离心法和透析法对石墨烯量子点进行分离和提纯，冷冻干燥后得到松木基石墨烯量子点固体粉末。本发明制备的松木基石墨烯量子点具有制备方法简单、发光稳定性好、生物相容性高等优势，在水体重金属检测、细胞荧光探针等领域具有广阔的荧光潜力。

Description

一种松木基石墨烯量子点及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物质基石墨烯量子点制备技术领域，具体涉及一种松木基石墨烯量子点的制备方法及其应用。
背景技术
随着世界工业化进程的不断加深，高效节能环保的生物质精炼技术受到了越来越多的重视，石墨烯量子点是生物质精炼技术发展下探索出的新型纳米荧光材料，作为准零维碳材料，石墨烯量子点具有生物相容性好、发光性能稳定、原料来源广泛、制备技术简单等优点，在生物荧光探针、药物运输、光电器件、水体重金属检测、生物成像技术等领域有着不可估量的前景。目前，研究者们已经利用不同种类生物质原料对石墨烯量子点的制备进行了探索，在不同碳前体物中得到了不同发光性能和结构的石墨烯量子点，但是制备石墨烯量子点的生物质前体物仍然有待探索，特别是针对经济作物或者人工繁育的大型植物原料等。因此，利用原料产地广泛、产量丰富的生物质原料制备石墨烯量子点，对石墨烯量子点的量产和工业化具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种松木基石墨烯量子点的制备方法及其在水体重金属检测、细胞荧光探针中的应用。本发明以马尾松松木材为原料，以环境友好的水热法制备松木基石墨烯量子点，该松木基石墨烯量子点具有制备方法简便、发光性能稳定、生物相容性高的优点，在水体重金属检测中的应用，与传统的检测方法相比，操作简便，误差小，耗时短，可根据重金属浓度和荧光强度的线性方程一步得出结果，简单高效；在细胞荧光探针领域，因松木基石墨烯量子点具有良好的生物相容性，松木基石墨烯量子点荧光探针在活细胞的成像方面具有巨大的应用前景。
本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现：
一种松木基石墨烯量子点，以松木为原料，采用水热法制备松木基石墨烯量子点溶液，然后采用离心法和透析法对获得的松木基石墨烯量子点溶液进行分离和提纯，最后通过冷冻干燥法制得松木基石墨烯量子点固体粉末。
所述的松木基石墨烯量子点，包括以下步骤的方法制备得到：
(1)以松木为原料，将其粉碎磨成固体松木粉末，并过200～800目筛，移入水热反应釜中，加入超纯水混匀，加热至一定温度，保温反应一段时间后，对反应釜进行冰水浴以停止水热反应，获得松木固液混合物；
(2)去除松木固液混合物中的松木粗渣得到上清液，采用离心法对上清液进行分离提纯，得到松木基石墨烯量子点溶液；
(3)采用透析袋对松木基石墨烯量子点溶液进行透析分离，期间定期更换透析液；
(4)将透析后的松木基石墨烯量子点溶液进行冷冻干燥，得到松木基石墨烯量子点固体粉末。
所述步骤(1)中松木粉末与超纯水的固液比为1g:(3～8)mL；所述加热温度为140～200℃；所述保温时间为0～5h。
所述步骤(2)中离心法的离心转速为10000～24000r/min，离心时间为5～10min。
所述步骤(3)中透析袋规格为500～2000Da；所述透析液为超纯水；所述透析时间为1～3天；所述透析液更换周期为6～12h。
所述步骤(4)中冷冻干燥温度为-52℃；所述冷冻干燥时间为1～2天。
所述的松木基石墨烯量子点在水体重金属检测和细胞荧光探针方面的应用也在本发明的保护范围内。
在水体重金属检测中的应用是应用于检测水体中Fe3+的浓度，具体操作为：将松木基石墨烯量子点固体粉末配制成一定浓度的松木基石墨烯量子点水溶液，然后与待测水体样品混合，室温下反应15min，于330nm的激发波长下检测松木基石墨烯量子点水溶液前后荧光强度值，依据公式F0/F＝0.00285CFe 3++0.9141或F0/F＝0.02257CFe 3++0.9141，其中两个公式分别对应Fe3+浓度为0～1000μmol/L及Fe3+浓度为1000～2000μmol/L，式中F0表示与待测水体样品混合前松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，F表示与待测水体样品混合反应后松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，CFe 3+表示待测水体样品中Fe3+浓度值，计算待测水体样品中Fe3+的浓度。
在细胞荧光探针方面的应用是作为细胞荧光探针，具体操作为：将松木基石墨烯量子点固体粉末配置成一定浓度的松木基石墨烯量子点水溶液，采用0.22μm的消毒过滤膜过滤，以海拉细胞作为观测对象，将过滤后的松木基石墨烯量子点水溶液、海拉细胞置于高葡萄糖培养基中，在二氧化碳含量为5％的恒温培养箱中培育24h，孵化结束后，用预先加热处理过的磷酸盐缓冲液清洗，然后将海拉细胞置于激光共聚焦显微镜下观察，松木基石墨烯量子点被细胞吸收后，接收激发波后发出荧光，进而显现细胞构造。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)松木是一种易于获取、成本低、来源广泛的生物质资源，对于拓宽石墨烯量子点的前体物种类具有重要意义。以松木为原料制备的石墨烯量子点为水体重金属传感器和细胞荧光探针的大规模生产提供了条件。
(2)传统的水体重金属离子检测方法包括紫外分光光度法、络合滴定法和原子吸收法等，这些方法大多存在误差大、操作困难、耗时长等缺点，本发明的松木基石墨烯量子点基于荧光淬灭机理，具有选择性识别Fe3+的能力，且Fe3+的浓度与荧光强度呈现良好的线性关系，可根据Fe3+的浓度和荧光强度的线性方程一步得出结果，操作简便，误差小，耗时短，其检测准确性高。
(3)传统的细胞荧光探针大多为化学有机物或有机染料，因其生物相容性较差导致成像模糊，无法观察细胞微细结构，或是无法实现活细胞成像，本发明的松木基石墨烯量子点具有良好的生物相容性，在保证细胞成像清晰的前提下，细胞存活率高达98.67％，在观察活细胞的细胞习性中具有广泛的应用前景。
具体实施方式
以下结合实例进一步说明本发明，但不应理解为对本发明的限制。
除非特殊说明，本发明所采用的试剂、方法、和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特殊说明，以下实施例所用的试剂和材料均为市购。
实施例1
1)水热反应：精确称取一定质量马尾松松木原料，将其粉碎磨成固体松木粉末，并过200目筛，然后将其全部移入水热反应釜中，按1g:5mL固液比加入超纯水，将其置于烘箱内加热，温度设定为140℃，该温度下反应0h，对反应釜进行冰水浴以停止水热反应，获得水热法松木固液混合物。
2)离心：利用超纯水反复冲洗水热反应后的残余固体，对得到的上清液进行离心，转速为10000r/min，离心10min后得到松木基石墨烯量子点溶液。
3)透析：将离心后的松木基石墨烯量子点溶液置于500Da规格透析袋中透析3天，透析液为超纯水，期间每隔6h更换一次透析液。
4)冷冻干燥：将透析后的松木基石墨烯量子点溶液置于-52℃下冷冻干燥2天后，得到松木基石墨烯量子点固体粉末。
5)Fe3+检测：配制5mL 800μmol/L Fe3+溶液作为待测样品，将实施例1的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL与待测样品混合，室温下反应15min，于330nm的激发波长下检测松木基石墨烯量子点水溶液前后荧光强度值，依据公式F0/F＝0.00285CFe 3++0.9141(式中F0表示与待测样品混合前松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，F表示与待测样品混合反应后松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，CFe 3+表示待测样品中Fe3+浓度值，)计算待测样品中Fe3+的浓度。实验结果表明，空白样品的荧光强度为84.064，待测样品的荧光强度为26.423，计算出样品浓度为795.57μmol/L，与已知浓度结果相近，其检测准确性高。
6)细胞荧光探针检测：将实施例1的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL，采用0.22μm的消毒过滤膜过滤，以海拉细胞作为观测对象，将过滤后的松木基石墨烯量子点水溶液、海拉细胞置于高葡萄糖培养基中，在二氧化碳含量为5％的恒温培养箱中培育24h，孵化结束后，用预先加热处理过的磷酸盐缓冲液清洗，然后将海拉细胞置于激光共聚焦显微镜下观察，松木基石墨烯量子点被细胞吸收后，接收激发波后发出荧光，进而显现细胞构造。实验结果表明，松木基石墨烯量子点具有良好的生物相容性，使用松木基石墨烯量子点培养细胞，细胞存活率高达92.89％，同时，细胞可以良好地分散在细胞内部，成像清晰。
实施例2
1)水热反应：精确称取一定质量马尾松松木原料，将其粉碎磨成固体松木粉末，并过200目筛，然后将其全部移入水热反应釜中，按1g:3mL固液比加入超纯水，将其置于烘箱内加热，温度设定为170℃，该温度下反应4h，对反应釜进行冰水浴以停止水热反应，获得水热法松木固液混合物。
2)离心：利用超纯水反复冲洗水热反应后的残余固体，对得到的上清液进行离心，转速为10000r/min，离心10min后得到松木基石墨烯量子点溶液。
3)透析：将离心后的松木基石墨烯量子点溶液置于500Da规格透析袋中透析3天，透析液为超纯水，期间每隔6h更换一次透析液。
4)冷冻干燥：将透析后的松木基石墨烯量子点溶液置于-52℃下冷冻干燥2天后，得到松木基石墨烯量子点固体粉末。
5)Fe3+检测：配制5mL 1200μmol/L Fe3+溶液作为待测样品，将实施例2的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL与待测样品混合，室温下反应15min，于330nm的激发波长下检测松木基石墨烯量子点水溶液前后荧光强度值，依据公式F0/F＝0.02257CFe 3++0.9141(式中F0表示与待测样品混合前松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，F表示与待测样品混合反应后松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，CFe 3+表示待测样品中Fe3+浓度值，)计算待测样品中Fe3+的浓度。实验结果表明，根据空白样品的荧光强度为84.064，待测样品的荧光强度为3.012，计算出样品浓度为1196.08μmol/L，与已知浓度结果相近，其检测准确性高。
6)细胞荧光探针检测：将实施例2的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL，采用0.22μm的消毒过滤膜过滤，以海拉细胞作为观测对象，将过滤后的松木基石墨烯量子点水溶液、海拉细胞置于高葡萄糖培养基中，在二氧化碳含量为5％的恒温培养箱中培育24h，孵化结束后，用预先加热处理过的磷酸盐缓冲液清洗，然后将海拉细胞置于激光共聚焦显微镜下观察，松木基石墨烯量子点被细胞吸收后，接收激发波后发出荧光，进而显现细胞构造。实验结果表明，松木基石墨烯量子点具有良好的生物相容性，使用松木基石墨烯量子点培养细胞，细胞存活率高达96.24％，同时，细胞可以良好地分散在细胞内部，成像清晰。
实施例3
1)水热反应：精确称取一定质量马尾松松木原料，将其粉碎磨成固体松木粉末，并过200目筛，然后将其全部移入水热反应釜中，按1g:8mL固液比加入超纯水，将其置于烘箱内加热，温度设定为200℃，该温度下反应5h，对反应釜进行冰水浴以停止水热反应，获得水热法松木固液混合物。
2)离心：利用超纯水反复冲洗水热反应后的残余固体，对得到的上清液进行离心，转速为10000r/min，离心10min后得到松木基石墨烯量子点溶液。
3)透析：将离心后的松木基石墨烯量子点溶液置于500道尔顿规格透析袋中透析3天，透析液为超纯水，期间每隔6h更换一次透析液。
4)冷冻干燥：将透析后的松木基石墨烯量子点溶液置于-52℃下冷冻干燥2天后，得到松木基石墨烯量子点固体粉末。
5)Fe3+检测：配制5mL 1600μmol/L Fe3+溶液作为待测样品，将实施例3的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL与待测样品混合，室温下反应15min，于330nm的激发波长下检测松木基石墨烯量子点水溶液前后荧光强度值，依据公式F0/F＝0.02257CFe 3++0.9141(式中F0表示与待测样品混合前松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，F表示与待测样品混合反应后松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，CFe 3+表示待测样品中Fe3+浓度值，)计算待测样品中Fe3+的浓度。实验结果表明，根据空白样品的荧光强度为84.064，待测样品的荧光强度为2.230，计算出样品浓度为1629.72μmol/L，与已知浓度结果相近，其检测准确性高。
6)细胞荧光探针检测：将实施例3的松木基石墨烯量子点固体粉末配置成浓度为1mg/mL的松木基石墨烯量子点水溶液，取松木基石墨烯量子点水溶液5mL，采用0.22μm的消毒过滤膜过滤，以海拉细胞作为观测对象，将过滤后的松木基石墨烯量子点水溶液、海拉细胞置于高葡萄糖培养基中，在二氧化碳含量为5％的恒温培养箱中培育24h，孵化结束后，用预先加热处理过的磷酸盐缓冲液清洗，然后将海拉细胞置于激光共聚焦显微镜下观察，松木基石墨烯量子点被细胞吸收后，接收激发波后发出荧光，进而显现细胞构造。实验结果表明，松木基石墨烯量子点具有良好的生物相容性，使用松木基石墨烯量子点培养细胞，细胞存活率高达98.67％，同时，细胞可以良好地分散在细胞内部，成像清晰。

Claims (10)

1.一种松木基石墨烯量子点，其特征在于，以松木为原料，采用水热法制备松木基石墨烯量子点溶液，然后采用离心法和透析法对获得的松木基石墨烯量子点溶液进行分离和提纯，最后通过冷冻干燥法制得松木基石墨烯量子点固体粉末。
2.根据权利要求1所述的松木基石墨烯量子点，其特征在于，包括以下步骤的方法制备得到：
(1)以松木为原料，将其粉碎磨成固体松木粉末，并过200～800目筛，移入水热反应釜中，加入超纯水混匀，加热至一定温度，保温反应一段时间后，对反应釜进行冰水浴以停止水热反应，获得松木固液混合物；
(2)去除松木固液混合物中的松木粗渣得到上清液，采用离心法对上清液进行分离提纯，得到松木基石墨烯量子点溶液；
(3)采用透析袋对松木基石墨烯量子点溶液进行透析分离，期间定期更换透析液；
(4)将透析后的松木基石墨烯量子点溶液进行冷冻干燥，得到松木基石墨烯量子点固体粉末。
3.根据权利要求2所述的松木基石墨烯量子点，其特征在于，所述步骤(1)中松木粉末与超纯水的固液比为1g:(3～8)mL；所述加热温度为140～200℃；所述保温时间为0～5h。
4.根据权利要求2所述的松木基石墨烯量子点，其特征在于，所述步骤(2)中离心法的离心转速为10000～24000r/min，离心时间为5～10min。
5.根据权利要求2所述的松木基石墨烯量子点，其特征在于，所述步骤(3)中透析袋规格为500～2000Da；所述透析液为超纯水；所述透析时间为1～3天；所述透析液更换周期为6～12h。
6.根据权利要求2所述的松木基石墨烯量子点，其特征在于，所述步骤(4)中冷冻干燥温度为-52℃；所述冷冻干燥时间为1～2天。
7.权利要求1～6任一项所述的松木基石墨烯量子点在水体重金属检测和细胞荧光探针方面的应用。
8.根据权利要求7所述的松木基石墨烯量子点的应用，其特征在于，在水体重金属检测中的应用是应用于检测水体中Fe3+的浓度。
9.根据权利要求8所述的松木基石墨烯量子点的应用，其特征在于，应用于检测水体中Fe3+的浓度具体操作为：将松木基石墨烯量子点固体粉末配制成一定浓度的松木基石墨烯量子点水溶液，然后与待测水体样品混合，室温下反应15min，于330nm的激发波长下检测松木基石墨烯量子点水溶液前后荧光强度值，依据公式F0/F＝0.00285CFe 3++0.9141或F0/F＝0.02257CFe 3++0.9141，其中两个公式分别对应Fe3+浓度为0～1000μmol/L及Fe3+浓度为1000～2000μmol/L，式中F0表示与待测水体样品混合前松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，F表示与待测水体样品混合反应后松木基石墨烯量子点水溶液荧光强度值，CFe 3+表示待测水体样品中Fe3+浓度值，计算待测水体样品中Fe3+的浓度。
10.根据权利要求7所述的松木基石墨烯量子点的应用，其特征在于，在细胞荧光探针方面的应用是作为细胞荧光探针，具体操作为：将松木基石墨烯量子点固体粉末配置成一定浓度的松木基石墨烯量子点水溶液，采用0.22μm的消毒过滤膜过滤，以海拉细胞作为观测对象，将过滤后的松木基石墨烯量子点水溶液、海拉细胞置于高葡萄糖培养基中，在二氧化碳含量为5％的恒温培养箱中培育24h，孵化结束后，用预先加热处理过的磷酸盐缓冲液清洗，然后将海拉细胞置于激光共聚焦显微镜下观察，松木基石墨烯量子点被细胞吸收后，接收激发波后发出荧光，进而显现细胞构造。
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