CN111088043A - 一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点及其制备方法和应用。采用的技术方案是：室温下，将槲皮素和甘氨酸在乙醇体系下放入内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，首先于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温，然后再加入钝化剂，在160℃下，加热12小时，自然冷却至室温后，过滤、离心、透析，得荧光碳点。本发明采用溶剂热法，一步合成出荧光碳点，并且改性增强其荧光性能。本发明制备碳点原料易得、方法简单、合成条件温和可控，获得的荧光碳点具有可见光激发、发射波长长、稳定性好、荧光量子产率高的优点。

Description

一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及碳纳米材料技术领域，具体涉及一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点。
背景技术
碳点(carbon dots,CDs)是近几年来出现的一种直径小于10nm的新型碳纳米粒子。荧光性能是碳点最为突出的性能。碳点具有荧光稳定、耐光漂白且无光闪烁现象等优异的荧光性能。此外，荧光碳点具有生物相容性好、毒性低，是一种非常好的荧光标记与成像材料，并已成功地应用在细胞与活体成像中。荧光碳点已经在细胞成像、分析检测和光催化等领域显示出广泛的应用前景。
虽然有关荧光碳点的制备方法和应用研究已有很多的文献报道，但现有制备方法还存在荧光量子产率低、大部分得到的碳点都需采用紫外光激发，并且发射波长短，使其在生物医学应用中易产生背景荧光和穿透性差等问题，从而限制了其应用。因此，寻找简单、方便、快速的制备可见光激发，发射波长长的碳点的方法是非常必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备方法简单，长波长的荧光碳点。
本发明目的是通过以下技术方案实现的：一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点，制备方法包括如下步骤：室温下，将槲皮素和甘氨酸在乙醇体系下放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温，加入钝化剂，重新放回反应釜中，160℃下，加热12小时，自然冷却至室温，过滤、离心，对上清液进行透析，得可见光激发、长波长发射的荧光碳点。
优选地，所述的荧光碳点，按重量比，槲皮素：甘氨酸：钝化剂＝1:4:15。
优选地，所述的荧光碳点，每0.1g槲皮素加入10mL乙醇。
优选地，所述的荧光碳点，所述钝化剂为PEG(聚乙二醇)、PEI(聚乙烯亚胺)、三聚氰胺或尿素。
上述的荧光碳点在光催化降解有机污染物中的应用。方法如下：于含有有机污染物的溶液中，加入上述的荧光碳点，于黑暗环境下搅拌吸附，随后加入H2O2，于可见光下照射。
上述的荧光碳点在生物成像中的应用。方法如下：将上述的荧光碳点与细胞共培养，用荧光显微镜观察细胞的成像效果。
上述的荧光碳点在检测Hg+中的应用。方法如下：将上述的荧光碳点与含有Hg+的溶液混合，用荧光光谱仪测定荧光淬灭情况。
上述的荧光碳点在检测甲基紫染料中的应用。方法如下：将上述的荧光碳点与含有甲基紫的溶液混合，用荧光光谱仪测定荧光淬灭情况。
本发明的有益效果是：本发明，采用一步高温固相反应法即可得到碳点溶液，并在其基础上改性，所制备的荧光碳点激发波长470nm，发射波长552nm。本发明合成方法简单有效、原料易得、反应条件温和可控，在一般的实验室均能完成。采用本发明方法制备的碳点荧光量子产率可达32％以上。
附图说明
图1是实施例1制备的荧光碳点的透射电镜图。
图2是实施例1制备的荧光碳点的X射线衍射图。
图3是实施例1制备的荧光碳点的红外光谱。
图4是实施例1制备的荧光碳点溶液的紫外-可见吸收光谱。
图5是实施例1制备的荧光碳点溶液的荧光激发和发射光谱。
图6是不同波长光激发下的实施例1制备的荧光碳点溶液荧光发射光谱(激发波长由440nm至490nm，步长为10nm)。
图7是实施例1制备的荧光碳点溶液的光催化降解图。
图8是荧光倒置显微镜观察细胞对碳点的摄取情况；
其中，a:明场；b:暗场。
图9a是Hg+对碳点荧光淬灭图。
图9b是F/F0与Hg+含量之间的关系图。
图10a是甲基紫对碳点荧光淬灭图。
图10b是ΔF与甲基紫含量之间的关系图。
具体实施方法
下面结合具体实施例，对本发明作进一步详述。
实施例1
(一)制备方法
室温下，将100mg槲皮素和400mg甘氨酸加入到10mL无水乙醇中，然后将所得混合液放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温后，加入1.5gPEI600，然后重新放回反应釜中，160℃下，加热12小时，自然冷却至室温，过滤、离心，对上清液进行透析，得荧光碳点，记为荧光碳点-1。
本实施例制备的荧光碳点溶液用罗丹明B做标准物，测得荧光量子产率为32％。
激发波长为470nm，发射波长为552nm。
(二)结果
1、图1为本实施例制备的荧光碳点的透射电镜照片。由图1可以发现，制备的荧光碳点的形貌均一，平均粒径约为4.75nm，分散性良好，在细胞成像、分析检测和催化等领域具有良好的应用前景。
2、图2为本实施例制备的荧光碳点的X射线衍射图。在图2中可以观察到，在2θ＝25.7°附近有一个宽峰，这是无定形碳的特征峰。
3、图3为本实施例制备的荧光碳点的红外光谱图。由图3可见，3431cm-1为O-H/N-H的伸缩振动峰，1651cm-1为C＝O的特征峰，1479cm-1是C-H的弯曲振动峰，1116cm-1是C-O/C-N的弯曲振动峰。
4、图4为本实施例制备的荧光碳点溶液用乙醇稀释后的紫外-可见吸收光谱。由图4显示，碳点溶液在419nm左右处有一个明显的特征吸收峰。
5、图5为本实施例制备的荧光碳点溶液的荧光激发和发射光谱图。由图5可见，碳点溶液的最佳激发波长为470nm，最佳的发射波长为552nm。在本实施例中，进行荧光光谱分析时，激发波长均采用470nm。由图5中可以发现所制备的荧光碳点的Stokes shift为82nm，较大的Stokes shift更有利于利用其荧光性能进行分析与检测。
6、图6为本实施例的制备的荧光碳点溶液用乙醇稀释后再用不同波长光激发下的荧光发射光谱。由图6可见，碳点溶液略显激发波长依赖性。
实施例2
室温下，将100mg槲皮素和400mg甘氨酸加入到10mL无水乙醇中，然后将所得混合液放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温，加入1.5g尿素，然后重新放回反应釜中，160℃下，加热12h，自然冷却至室温，过滤，离心，对上清液进行透析，得荧光碳点，记为荧光碳点-2。
本实施例制备的荧光碳点溶液用罗丹明B做标准物，测得荧光量子产率为<6％。
最佳激发波长为470nm，发射波长为560nm。
可见，加入尿素作为钝化剂，得到的碳点最大激发发射波长与荧光碳点-1没有较大的变化，但是荧光量子产率较低，所以荧光碳点-1发光性能优异。
实施例3
室温下，将100mg槲皮素和400mg甘氨酸加入到10mL无水乙醇中，然后将所得混合液放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温后，加入1.5gPEG，然后重新放回反应釜中，160℃下，加热12h，自然冷却至室温，过滤、离心，最后对上清液进行透析，得到荧光碳点，记为荧光碳点-3。
本实施例制备的荧光碳点溶液用罗丹明B做标准物，测得荧光量子产率为23％。
最佳激发波长为370nm，发射波长为458nm。对比荧光碳点-1，激发和发射波长都蓝移，所以荧光碳点-1荧光性能优异。
实施例4
室温下，将100mg槲皮素和400mg甘氨酸加入到10mL无水乙醇中，然后将所得混合液放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温后，加入1.5g三聚氰胺，然后重新放回反应釜中，160℃下，加热12h，自然冷却至室温，过滤、离心，最后对上清液进行透析，得到荧光碳点，记为荧光碳点-4。
本实施例制备的荧光碳点溶液用罗丹明B做标准物，测得荧光量子产率为17％。
最佳激发波长为440nm，发射波长为516nm。对比荧光碳点-1，激发和发射波长都蓝移，所以荧光碳点-1荧光性能优异。
实施例5荧光碳点在光催化降解有机污染物中的应用
方法：量取50mL亚甲基蓝溶液(浓度为10mg/L)于烧杯中，加入实施例1制备的荧光碳点-1溶液2mL，于黑暗环境下搅拌吸附1h，使其达到吸附、脱附平衡，随后加入0.1mL H2O2(30％)，接着用PL—XQ500W氙灯照射，每隔20分钟取样，通过分光光度计在波长664nm处测定亚甲基蓝溶液的吸光度，通过以下方程式计算亚甲基蓝的脱色率，结果如图7。
Figure BDA0002323769220000041
其中，A0:亚甲基蓝溶液初始吸光度
A:反应后亚甲基蓝溶液吸光度
由图7可见，碳点具有一定的光催化性能，可用于光催化降解污水中染料等有机物。
实施例6荧光碳点在生物成像中的应用
方法：将小鼠白血病巨噬细胞RAW 264.7接种在盛有含10％胎牛血清的DMEM高糖培养基的12孔板中(每孔约含有1mL细胞悬液，每孔约含有2.5×104个细胞)。细胞密度为40％-50％，培养于37℃，5％CO2培养箱中培养24h。弃去培养基并用磷酸盐缓冲溶液(PBS10mmol/L，pH 7.4)冲洗2次，向12孔板中加入适当浓度的实施例1制备的荧光碳点-1置于培养箱中继续孵育2-3h后，用磷酸盐缓冲溶液冲掉碳点溶液，并用细条滤纸将孔周围液体吸干，然后用荧光倒置显微镜观察并采集图像。
结果如图8所示，由图8可见，细胞对CDs摄取效果越好，显示出良好的细胞成像效果。
实施例7荧光碳点在检测重金属离子中的应用
方法：将实施例1制备的荧光碳点-1原液加乙醇稀释15倍，取3mL稀释后的碳点，用微量注射器取浓度为1mg/mL的Hg+标准溶液10μL～160μL加入碳点中，孵化3min，用荧光光谱仪测定荧光碳点-1荧光发射光谱，结果如图9a和图9b所示。由图9a可见，Hg+的加入使碳点荧光强度明显降低。由图9b可见，Hg+的加入量与碳点荧光淬灭效率(F/F0)呈良好的线性关系。
实施例8荧光碳点在检测染料中的应用
方法：将实施例1制备的荧光碳点-1原液加乙醇稀释15倍，取3mL稀释后的碳点，用微量注射器取浓度为1mg/mL的甲基紫标准溶液0.4μL～15μL加入碳点中，孵化3min，用荧光光谱仪测定荧光碳点-1荧光发射光谱，结果如图10a和图10b所示。由图10a可见，甲基紫的加入使碳点荧光强度明显降低。由图10b可见，甲基紫的加入量与碳点荧光强度降低值(ΔF)呈良好的线性关系。

Claims (10)

1.一种可见光激发、长波长发射的荧光碳点，其特征在于，制备方法包括如下步骤：室温下，将槲皮素和甘氨酸在乙醇体系下放入内衬聚四氟乙烯的反应釜中，于180℃下，加热7小时，自然冷却至室温，加入钝化剂，重新放回反应釜中，160℃下，加热12小时，自然冷却至室温，过滤、离心，最后对上清液进行透析，得到可见光激发、长波长发射的荧光碳点。
2.根据权利要求1所述的荧光碳点，其特征在于，按重量比，槲皮素：甘氨酸：钝化剂＝1:4:15。
3.根据权利要求1所述的荧光碳点，其特征在于，每0.1g槲皮素加入10mL乙醇。
4.根据权利要求1所述的荧光碳点，其特征在于，所述钝化剂为PEG、PEI、三聚氰胺或尿素。
5.权利要求1-4任一项所述的荧光碳点在光催化降解有机污染物中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，方法如下：于含有有机污染物的溶液中，加入权利要求1-4任一项所述的荧光碳点，于黑暗环境下搅拌吸附，随后加入H2O2，于可见光下照射。
7.权利要求1-4任一项所述的荧光碳点在生物成像中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，方法如下：将权利要求1-4任一项所述的荧光碳点与细胞共培养，用荧光显微镜观察细胞的成像效果。
9.权利要求1-4任一项所述的荧光碳点在检测Hg+中的应用，其特征在于，方法如下：将权利要求1-4任一项所述的荧光碳点与含有Hg+的溶液混合，用荧光光谱仪测定荧光淬灭情况。
10.权利要求1-4任一项所述的荧光碳点在检测甲基紫中的应用，其特征在于，方法如下：将权利要求1-4任一项所述的荧光碳点与含有甲基紫的溶液混合，用荧光光谱仪测定荧光淬灭情况。
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