CN112745837B - 碳量子点及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳量子点及其应用点，该碳量子点通过以下方法制备得到：1)将邻苯二胺、L‑半胱氨酸溶于超纯水中，再加入乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；2)将步骤1)得到的溶液转移至聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热条件下反应；3)反应结束后，冷却至室温，将溶液离心，离心液再用水相滤膜过滤，得到的滤液用透析袋透析；4)收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。本发明提供了一种碳量子点，其具有制备简单、水溶性好、生物相容性好、无毒副作用等特点；该碳量子点能有效检测氯离子浓度，且检测方法操作简便、精确度高、成本低；进一步的，本发明的碳量子点还可用于银离子浓度检测以及作为绿色荧光染料应用于荧光成像。

Description

碳量子点及其应用

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别涉及一种碳量子点及其应用。

背景技术

氯离子(Cl-)是生活中最常见的阴离子之一，也是细胞外液中含量最多的阴离子，在调节细胞外液和维持渗透压中起着至关重要的作用；同时，氯离子还与保持体液的酸碱平衡密切相关。此外，氯离子还参与细胞增殖、调节、兴奋和免疫应答过程，可以稳定细胞膜中的膜电位。如果氯离子浓度失衡，将对人体造成严重疾病，如囊性纤维化，镰状细胞性贫血和不良的肌肉收缩等。因此，检测氯离子浓度(特别是体内的氯离子浓度)具有非常重要的意义。

目前已有的氯离子检测方法有离子选择电极法、离子色谱法、原子吸收法、比浊法、滴定法等。这些方法要么需要昂贵的仪器支持，要么检测准确度和精度不够。因此，开发新型的氯离子检测方法很有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳量子点及其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种碳量子点，其通过以下方法制备得到：

1)将邻苯二胺、L-半胱氨酸溶于超纯水中，再加入乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2)将步骤1)得到的溶液转移至聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热条件下反应；

3)反应结束后，冷却至室温，将溶液离心，离心液再用水相滤膜过滤，得到的滤液用透析袋透析；

4)收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。

优选的是，该碳量子点通过以下方法制备得到：

1)称取500mg邻苯二胺和500mg L-半胱氨酸溶于30mL超纯水中，再加入200uL乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2)将步骤1)得到的溶液转移至50mL的聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热至180℃下持续反应8小时；

3)反应结束后，冷却至室温，将溶液在10000转/分钟下离心，离心液再用0.22μm的水相滤膜过滤，得到的滤液用截断分子量为500Da的透析袋透析12小时；

4)收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。

本发明还提供一种如上所述的碳量子点的应用，其用于氯离子浓度的检测。

优选的是，该碳量子点用于氯离子浓度检测的方法包括以下步骤：

1)制定标准曲线：称取干燥的所述碳量子点，加入超纯水配制成浓度为C的碳量子点溶液，在溶液中加入硝酸银，使碳量子点的荧光强度降低；然后将得到的溶液等分为若干份，并按一定的浓度梯度分别加入不同浓度的氯离子，在400nm激发条件下，测试每份溶液在500nm处的荧光强度，将测得的荧光强度作为y轴，对应的氯离子浓度作为x轴，制作曲线图，拟合得到氯离子浓度与荧光强度关系的标准曲线；

2)对待测溶液的氯离子浓度进行检测：配制浓度为C的碳量子点溶液，向其中加入银离子，再向得到的碳量子点与银离子的共存溶液中加入待测溶液，在荧光光谱仪下，检测得到的混合溶液在400nm激发下500nm位置处的荧光强度，对照标准曲线，计算得到待测溶液的氯离子浓度。

优选的是，该碳量子点用于氯离子浓度检测的方法包括以下步骤：

1)制定标准曲线：称取干燥的所述碳量子点，加入超纯水配制成浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，在溶液中加入100μM的硝酸银，使碳量子点的荧光强度降低；然后将得到的溶液等分为22份，对22份溶液分别加入10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220μM的氯离子，测试每份溶液在500nm处的荧光强度，将测得的荧光强度作为y轴，对应的氯离子浓度作为x轴，制作曲线图，拟合得到氯离子浓度与荧光强度关系的标准曲线；

2)对待测溶液的氯离子浓度进行检测：取2mL浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，向其中加入银离子，再向得到的碳量子点与银离子的共存溶液中加入50μL待测溶液，在荧光光谱仪下，检测得到的混合溶液在400nm激发下500nm位置处的荧光强度，对照标准曲线，计算得到待测溶液的氯离子浓度。

本发明还提供一种如上所述的碳量子点的应用，其用于银离子浓度的检测。

本发明还提供一种如上所述的碳量子点的应用，其作为绿色荧光染料用于荧光成像。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种碳量子点，其具有制备方法简单、水溶性好、生物相容性好、无毒副作用等特点，可实现规模化生产；该碳量子点能有效检测氯离子浓度，且检测方法操作简便、精确度高、成本低；进一步的，本发明的碳量子点还可用于银离子浓度检测以及作为绿色荧光染料应用于荧光成像。

附图说明

图1为碳量子点的透射电镜照片；

图2为碳量子点的吸收光谱及荧光光谱；

图3为碳量子点的红外图谱；

图4为银离子对碳量子点的淬灭结果；

图5为碳量子点对氯离子的检测结果；

图6为碳量子点用于氯离子检测时其他离子的干扰实验结果；

图7为碳量子点对细胞的毒性实验结果；

图8为碳量子点在斑马鱼胚胎(a)和成鱼(b)中的荧光成像结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1

本实施例提供一种碳量子点，其通过以下方法制备得到：

1)称取500mg邻苯二胺和500mg L-半胱氨酸溶于30mL超纯水中，再加入200uL乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2)将步骤1)得到的溶液转移至50mL的聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中180℃下持续反应8小时；

3)反应结束后，冷却至室温，将溶液在10000转/分钟下离心，去除大颗粒沉淀，离心液再用0.22μm的水相滤膜过滤，得到的滤液用截断分子量为500Da的透析袋透析12小时，去除未反应的原料小分子；

4)收集透析袋内溶液，二次冷冻干燥，得到碳量子点。

其中，乙二胺作为钝化剂，其添加可显著提高所制备碳量子点的荧光强度。

对制得的碳量子点进行了如下性能测试：

参照图1，为碳量子点的透射电镜照片，从图中可以看出，该碳量子点呈完美的球形，粒径较为均一，单个尺寸约为3-7nm，且在水中的分散性非常好、水溶性好、生物相容性好。左上角的超分辨TEM照片显示，碳量子点具有明显的晶格结构。

参照图2，为碳量子点的吸收光谱及荧光光谱，左侧为吸收光谱，右侧为荧光光谱；从图中可以看出，碳量子点在200-400nm区间都有吸收，主吸收峰位于275nm处；碳量子点的荧光发射峰位于500nm处。因此，其良好的荧光性能(绿色荧光)使其能够在荧光显微镜下被观察到是否进入生物体或者细胞内。

参照图3，为碳量子点的红外图谱，分析透射峰强度可知，碳量子点表面富含羟基、氨基、羰基、羧基以及巯基等基团。正是由于碳量子点表面含有大量的巯基基团，使其可与溶液中游离的银离子络合，从而导致碳量子点的荧光淬灭。

参照图4，为银离子对碳量子点的淬灭结果，如图中箭头所示，曲线所表示的银离子溶液的浓度从上至下依次为：0、50、100、150、200、250、400μM。可以看出，在碳量子点溶液中加入银离子溶液，碳量子点的绿色荧光强度会随着银离子浓度的增加而逐步下降，在0.01mg/mL的碳量子点溶液中，当银离子浓度达到400μM时，碳量子点的荧光几乎完全淬灭。碳量子点的该性能使得其可用于检测银离子浓度。

参照图5，为碳量子点对氯离子的检测结果，其中左图为在被银离子淬灭荧光的碳量子点溶液中加入氯离子，检测得到的荧光恢复曲线，如图中箭头所示，曲线所表示的碳量子点溶液的浓度从下至上依次为：0、200、250、300、350、400μM；右图为氯离子浓度与碳量子点的荧光恢复强度之间的线性关系。从左图可以看出，在被银离子淬灭荧光的碳量子点溶液中，随着氯离子浓度的增加，碳量子点的荧光强度显著增加，当加入的氯离子浓度达到400μM时，碳量子点的荧光强度大约恢复到未淬灭前的50％。结合右图可以看出，在氯离子浓度为200-400μM区间，碳量子点的荧光恢复呈线性关系，相关系数R²达到0.993，说明该碳量子点能够应用于溶液中氯离子浓度的检测。

参照图6，为碳量子点用于氯离子检测时其他离子的干扰实验结果，本实验中，检测了其他离子和小分子对被银离子淬灭荧光的碳量子点溶液的荧光恢复情况，具体包括氟离子、氨水、磷酸氢根离子、硝酸根离子、硫酸根离子、硫氰根离子、草酸、乙酸和柠檬酸，从图中结果可以看出，氯离子对碳量子点荧光的恢复效果达到了55％，其他只有氨水、磷酸氢根离子、硫酸根离子、硫氰根离子略有恢复，且最高的恢复效果都低于25％。因此，可以说氯离子对碳量子点的荧光恢复是特异性的，几乎不受其他离子的干扰，可以说明，该碳量子点用于氯离子检测时不会受上述其他离子的影响。

通过以上检测结果可以看出，该碳量子点既可以检测银离子浓度又可以检测氯离子的浓度，对于碳量子点对银离子和氯离子的双重检测机理分析如下：首先，碳量子点是由邻苯二胺和L-半胱氨酸合成的，L-半胱氨酸中的巯基引入了碳量子点的表面，使其非常容易与银离子络合，由于银离子是重金属，跟碳量子点结合之后，由于激发态电子转移和能量转移，导致碳量子点的绿色荧光淬灭；而当溶液中再加入氯离子后，由于氯离子与银离子有更强的结合能力，且生成的氯化银是不溶物，沉降后脱离了碳量子点溶液，使碳量子点表面吸附的银离子解离，从而使碳量子点的荧光得到恢复。因此，该碳量子点既可以检测银离子的浓度又可以检测氯离子的浓度。

参照图7，为碳量子点对细胞的毒性实验结果，本实施例中，使用MTT试剂盒以NCI-H1299细胞作为实验对象，横坐标代表加入碳量子点的浓度，纵坐标代表细胞活力。从图7中可以看出，即使在高浓度下(300μg/mL)，碳量子点对细胞的毒性也非常小(细胞活性仍高于95％)；在低浓度下(100μg/mL以下)，碳量子点对细胞几乎是无毒的。事实上，正常实验用的碳量子点浓度都低于0.1mg/mL，因此可以认为该碳量子点本身是无毒的。

参照图8，为碳量子点在斑马鱼胚胎(a)和成鱼(b)中的荧光成像，上图为荧光照片，下图为明场照片。碳量子点可以容易的进入斑马鱼的胚胎和成鱼，在荧光显微镜下呈现绿色的荧光。说明该碳量子点可作为一种无毒、水溶性、生物相容性的绿色荧光染料，有望在荧光成像方面得到更多的应用。

基于对实施例1制得的碳量子点的以上性能检测与分析，以下还提供该碳量子点的多种应用。

实施例2

本实施例提供碳量子点在氯离子浓度检测上的应用。

在一种优选的实施例中，该碳量子点用于氯离子浓度检测的方法包括以下步骤：

1)制定标准曲线：称取一定量的干燥的所述碳量子点，加入超纯水配制成浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，在溶液中加入100μM的硝酸银，使碳量子点的荧光强度降低；然后将得到的溶液等分为22份，对22份溶液分别按以下浓度加入等体积的氯离子溶液：10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220μM，在400nm激发条件下，测试每份溶液在500nm处的荧光强度，将测得的荧光强度作为y轴，对应的氯离子浓度作为x轴，制作曲线图，拟合得到氯离子浓度与荧光强度关系的标准曲线(可适当剔除不在趋势线上的点)；

2)对待测溶液的氯离子浓度进行检测：取2mL浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，向其中加入银离子，置于石英比色皿中，再用移液枪向得到的碳量子点与银离子的共存溶液中加入50μL待测溶液，在荧光光谱仪下，检测得到的混合溶液在400nm激发下500nm位置处的荧光强度，对照标准曲线，计算得到待测溶液的氯离子浓度。

其中，若以上步骤所测得的荧光强度高于标准曲线的范围，则应适当稀释未知溶液的浓度再测；若以上步骤所测得的荧光强度低于标准曲线范围，表明未知溶液的氯离子浓度过低，无法检测。

实施例3

本实施例提供碳量子点在银离子浓度检测上的应用。通过实施例1中对碳量子点的性能测试结果可知，在碳量子点溶液中加入银离子溶液，碳量子点的绿色荧光强度会随着银离子浓度的增加而逐步下降，故可将该碳量子点用于银离子浓度的检测。检测方法为：首先绘制银离子浓度与碳量子点的绿色荧光强度的标准关系曲线，然后使用碳量子点检测未知浓度的银离子溶液，再通过检测碳量子点的绿色荧光强度，利用标准关系曲线计算得到银离子的浓度。

实施例4

本实施例提供碳量子点作为绿色荧光染料在荧光成像中的应用。通过实施例1中对碳量子点的性能测试结果可知，碳量子点的荧光发射峰位于500nm处，其良好的荧光性能(绿色荧光)；且通过图8可以看出碳量子点可以容易的进入斑马鱼的胚胎和成鱼，在荧光显微镜下呈现绿色的荧光。说明该碳量子点可作为一种无毒、水溶性、生物相容性的绿色荧光染料应用于荧光成像。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (5)

1.一种碳量子点的应用，其特征在于，其用于氯离子浓度的检测，所述碳量子点通过以下方法制备得到：

1）将邻苯二胺、L-半胱氨酸溶于超纯水中，再加入乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2）将步骤1）得到的溶液转移至聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热条件下反应；

3）反应结束后，冷却至室温，将溶液离心，离心液再用水相滤膜过滤，得到的滤液用透析袋透析；

4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。

2.根据权利要求1所述的碳量子点的应用，其特征在于，所述碳量子点通过以下方法制备得到：

1）称取500mg邻苯二胺和500mg L-半胱氨酸溶于30mL超纯水中，再加入200uL乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2）将步骤1）得到的溶液转移至50mL的聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热至180℃下持续反应8小时；

3）反应结束后，冷却至室温，将溶液在10000转/分钟下离心，离心液再用0.22μm的水相滤膜过滤，得到的滤液用截断分子量为500Da的透析袋透析12小时；

4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。

3.根据权利要求2所述的碳量子点的应用，其特征在于，该碳量子点用于氯离子浓度检测的方法包括以下步骤：

1）制定标准曲线：称取干燥的所述碳量子点，加入超纯水配制成浓度为C的碳量子点溶液，在溶液中加入硝酸银，使碳量子点的荧光强度降低；然后将得到的溶液等分为若干份，并按一定的浓度梯度分别加入不同浓度的氯离子，在400nm激发条件下，测试每份溶液在500nm处的荧光强度，将测得的荧光强度作为y轴，对应的氯离子浓度作为x轴，制作曲线图，拟合得到氯离子浓度与荧光强度关系的标准曲线；

2）对待测溶液的氯离子浓度进行检测：配制浓度为C的碳量子点溶液，向其中加入银离子，再向得到的碳量子点与银离子的共存溶液中加入待测溶液，在荧光光谱仪下，检测得到的混合溶液在400nm激发下500nm位置处的荧光强度，对照标准曲线，计算得到待测溶液的氯离子浓度。

4.根据权利要求3所述的碳量子点的应用，其特征在于，该碳量子点用于氯离子浓度检测的方法包括以下步骤：

1）制定标准曲线：称取干燥的所述碳量子点，加入超纯水配制成浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，在溶液中加入100 μM的硝酸银，使碳量子点的荧光强度降低；然后将得到的溶液等分为22份，对22份溶液分别加入10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、220μM的氯离子，测试每份溶液在500nm处的荧光强度，将测得的荧光强度作为y轴，对应的氯离子浓度作为x轴，制作曲线图，拟合得到氯离子浓度与荧光强度关系的标准曲线；

2）对待测溶液的氯离子浓度进行检测：取2mL浓度为5μg/mL的碳量子点溶液，向其中加入银离子，再向得到的碳量子点与银离子的共存溶液中加入50μL待测溶液，在荧光光谱仪下，检测得到的混合溶液在400nm激发下500nm位置处的荧光强度，对照标准曲线，计算得到待测溶液的氯离子浓度。

5.一种碳量子点的应用，其特征在于，其用于银离子浓度的检测，所述碳量子点通过以下方法制备得到：

1）将邻苯二胺、L-半胱氨酸溶于超纯水中，再加入乙二胺，超声搅拌至溶液澄清；

2）将步骤1）得到的溶液转移至聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，加热条件下反应；

3）反应结束后，冷却至室温，将溶液离心，离心液再用水相滤膜过滤，得到的滤液用透析袋透析；

4）收集透析袋内溶液，冷冻干燥，得到碳量子点。

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