CN114196399A - 一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子及其制备方法与应用，为开发一种制备方法简单、工艺要求较低、可量化生产的近红外碳纳米材料，本发明由双缩脲和/或三缩脲与多羧基和/或多羟基化合物在极性非质子溶液中经脱水碳化制备得到一种碳纳米粒子，所制备得到的碳纳米粒子具有红光波段吸收、近红外波段发光的特性，并且具有高效的光热转换特性；本发明的碳纳米粒子(包括颗粒状或卷带状的粒子)具有很好的生物安全性，可制备成生物复合制剂，可应用于荧光生物成像、肿瘤光热治疗、药物载体、防伪油墨等技术领域；同时，本发明制备方法简单，价格低廉，易于大规模批量制备碳纳米粒子。

Description

一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子及其制备方法与 应用
技术领域
本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子及其制备方法与应用。
背景技术
碳纳米点(Carbon Nano Dots)，也称碳纳米粒子，是一种可发光的碳纳米材料，与有机染料和半导体量子点相比，具有分子量低、粒径小、荧光稳定性高、无光闪烁、激发光谱宽而连续、发射波长可调节、生物相容性好以及毒性低等优点。在光电材料、光催化、生物传感和生物成像等领域具有广泛的应用前景。
在生物成像领域，更长的发射波长(例如深红色至近红外波段)对于体内的物成像至关重要，它穿透能力强，并可以最大程度地减少组织自发荧光和光散射，从而提高成像对比度以及增加生物体的穿透深度。
近年来，报道了不少具有近红外发射性能的碳纳米点材料，这些材料的主要吸收峰在可见光区域，在绿光区域的光激发下，发射黄色至浅红色的光。但目前仍缺乏有效的方法制备主要吸收带在红色波段，发射深红至近红外波段的碳纳米点。此外，在仅有的关于深红色或近红外吸收/发射的碳纳米点的报道中，这些碳纳米点材料通常在近红外区域表现出卓越的光热转换性能，但光学吸收特性和生物安全性不理想。
因此，开发一种制备方法简单、工艺要求较低、可量化生产的近红外碳纳米材料显得尤为重要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法。
本发明的第二个目的是提供采用上述的制备方法制备得到的具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
本发明的第三个目的是提供上述具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的应用。
本发明的第四个目的是提供一种具有荧光增强作用的生物复合制剂。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，即由双缩脲和/或三缩脲与多羧基和/或多羟基化合物在极性非质子溶液中经脱水碳化后制备得到碳纳米粒子。
碳纳米颗粒内核的高度脱水缩聚和碳化有利于碳纳米颗粒的近红外发光。双缩脲/三缩脲是尿素分子经过缩聚形成的分子，本方案选用双缩脲/三缩脲作为原材料，用极性非质子溶剂作为脱水溶剂进行反应，有利于在碳纳米颗粒内核的高度缩聚碳化，增加了碳纳米颗粒发射光谱的进一步红移。
优选地，所述多羧基和/或多羟基化合物与双缩脲和/或三缩脲的质量比为1：0.5～6。进一步的，所述多羧基和/或多羟基化合物与双缩脲和/或三缩脲的质量比为1：2。
优选地，所述双缩脲和/或三缩脲与极性非质子溶液的料液比(g/mL)为：1：1～50。
优选地，所述多羧基和/或多羟基化合物包括但不限于柠檬酸、乙二胺四乙酸、葡萄糖、果糖、壳聚糖、蔗糖和淀粉。进一步的，所述多羧基和/或多羟基化合物为柠檬酸。
优选地，所述极性非质子溶剂包括但不限于二甲基亚砜(DMSO)、N，N二甲基甲酰胺(DMF)、N，N二甲基乙酰胺(DMAc)、N甲基吡咯烷酮(NMP)和四氢呋喃(THF)。进一步的，所述极性非质子溶剂为二甲基亚砜(DMSO)。
优选地，所述脱水碳化的温度为110～220℃，压力为2～10MPa，时间为1～12h。
本发明还提供采用上述的制备方法制备得到的具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
本发明还提供上述的具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的应用，所述应用的领域包括但不限于荧光成像、光热治疗、红外防伪、药物载体。
试验表明，本发明制备的碳纳米粒子在可见光到近红外区域都有吸收，并且具有光激发依赖特性，而且在红色波段的光激发下有近红外的荧光发射，可以通过热作用能很好地对细胞进行标记染色，也可以与生物大分子、细胞及细胞碎片，通过热作用形成复合制剂，表现出显著增强的荧光发射，可应用于荧光成像、光热治疗、红外防伪、药物载体等技术领域。
本发明还提供一种具有荧光增强作用的生物复合制剂，包括上述的碳纳米粒子以及生物大分子和/或细胞和/或细胞碎片。
优选地，所述生物复合制剂通过热复合的方式形成。比如常用的烘箱加热。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子，该碳纳米粒子是由双缩脲和多羧基/多羟基化合物在极性非质子溶液中经脱水碳化后形成；所制备得到的碳纳米粒子具有红光波段吸收、近红外波段发光的特性，并且具有高效的光热转换特性；本发明的碳纳米粒子(包括颗粒状或卷带状的粒子)具有很好的生物安全性，可制备成生物复合制剂，可应用于荧光生物成像、肿瘤光热治疗、药物载体、防伪油墨等技术领域；同时，本发明制备方法简单，价格低廉，易于大规模批量制备碳纳米粒子。
附图说明
图1为实施例1的碳纳米粒子的透射电镜(TEM)形貌图；
图2为实施例1的碳纳米粒子的原子力显微镜(AFM)形貌图；
图3为实施例1的碳纳米粒子的碳纳米粒子的高度分布图；
图4为实施例1的碳纳米粒子的透射电镜能谱分析(EDS)图谱；
图5为实施例1的傅里叶红外(FTIR)吸收光谱；
图6为实施例1的碳纳米粒子的可见-紫外吸收光谱以及在690nm激光线激发下的荧光光谱图；
图7为实施例1的碳纳米粒子与细胞经热复合后的荧光场图；
图8为实施例1的碳纳米粒子与HER2/ErbB2蛋白经热复合前后的荧光光谱图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到的。
实施例1具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备
将1g柠檬酸和2g双缩脲溶解于30mL的DMSO溶剂中得到透明溶液,然后置于50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，160℃下反应4小时，反应压力为7Mpa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，经水洗、离心(8000rpm，5min)、干燥等工艺程序，得到深蓝色粉末，即为具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
通过TEM和AFM观察碳纳米粒子的形貌大小，如图1-图3所示，本实施例合成的碳纳米粒子大小在1-30nm左右，高度约为1-15nm左右。
通过EDS和FTIR观察碳纳米粒子的表面元素、以及表面官能团的构成，如图4、图5所示，本实施例制备的碳纳米粒子表面富含大量的含氧以及含氮官能团(羟基、羧基、氨基等)。
实施例2具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备
将1g柠檬酸和0.5g双缩脲溶解于30mL的DMSO溶剂中得到透明溶液,然后置于50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，110℃下反应12小时，反应压力为2Mpa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，经水洗、离心(8000rpm，5min)、干燥等工艺程序，得到深蓝色粉末，即为具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
实施例3具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备
将1g柠檬酸和6g双缩脲溶解于30mL的DMSO溶剂中得到透明溶液,然后置于50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，220℃下反应2小时，反应压力为10Mpa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，经水洗、离心(8000rpm，5min)、干燥等工艺程序，得到深蓝色粉末，即为具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
实施例4具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备
将1g柠檬酸和2g三缩脲溶解于30mL的DMSO溶剂中得到透明溶液,然后置于50mL聚四氟乙烯高压反应釜中，160℃下反应4小时，反应压力为7Mpa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，经水洗、离心(8000rpm，5min)、干燥等工艺程序，得到深蓝色粉末，即为具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
实验例1光学吸收特性
以实施例1的碳纳米粒子为例，通过紫外吸收光谱观察碳纳米粒子的光学吸收特性。
从图6可以看出，碳纳米粒子在可见光到近红外区域都有吸收，主要吸收峰在660nm附近。同时也可以看出本实施例的碳纳米粒子具有光激发依赖特性，而且在红色波段的光激发下有近红外的荧光发射。说明实施案例1所制备的碳纳米粒子，是一种激发依赖发光的碳纳米粒子，它在红光激发下可以产生近红外的荧光发射。
实验例2荧光染料特性
以实施例1的碳纳米粒子为例，将碳纳米粒子配制成浓度为20-200ppm的碳纳米粒子溶液，然后将体细胞L02肝细胞，肿瘤细胞231癌细胞、以及miapaca癌细胞置于碳纳米粒子溶液中，与碳纳米粒子以热复合的方式在培养皿中进行共孵育，每组共孵育体系加入100-300uL细胞培养液，热复合采用激光光热、热辐射、电磁加热等方式进行，加热时间为5-20分钟，温度为55-90℃，加热结束后，用PBS多次清洗培养皿表面的碳点溶液，将碳点清洗干净后，通过荧光显微镜观察碳点对细胞的染色情况。
如图7的观察结果所示，经过孵育之后，细胞被碳纳米粒子染色。说明实施例1的碳纳米粒子是一种低生物毒性的荧光染料，通过热作用能很好地对细胞进行标记染色。
实验例3增强荧光发射特性
以实施例1的碳纳米粒子为例，将碳纳米粒子和肿瘤抗原蛋白(HER2/ErbB2)进行热复合，热复合方式采用烘箱加热，反应时间为4小时，温度为55-95℃，然后通过Ocean分析仪观察复合前后的荧光情况。
如图8所示，发现经过热复合之后，复合制剂在635nm激光线激发下的荧光显著增强。说明实施例1的碳纳米粒子可以与生物大分子、细胞及细胞碎片，通过热作用形成复合制剂，并表现出显著增强的荧光发射。
另外，实施例2～4的碳纳米粒子的光学吸收特性、荧光染料特性以及增强荧光发射特性的试验结果与实施例1的碳纳米粒子相同或相似。
综合实验例1～3可以看出，本发明的碳纳米粒子具有很好的生物安全性，可应用于荧光成像、光热治疗、红外防伪、药物载体等技术领域。
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，由双缩脲和/或三缩脲与多羧基和/或多羟基化合物在极性非质子溶液中经脱水碳化后制备得到碳纳米粒子。
2.根据权利要求1所述的一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述多羧基和/或多羟基化合物与双缩脲和/或三缩脲的质量比为1：0.5～6。
3.根据权利要求1所述的一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述双缩脲和/或三缩脲与极性非质子溶液的料液比(g/mL)为：1：1～50。
4.根据权利要求1所述的一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述多羧基和/或多羟基化合物包括但不限于柠檬酸、乙二胺四乙酸、葡萄糖、果糖、壳聚糖、蔗糖和淀粉。
5.根据权利要求1所述的一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述极性非质子溶剂包括但不限于二甲基亚砜、N，N二甲基甲酰胺、N，N二甲基乙酰胺、N甲基吡咯烷酮和四氢呋喃。
6.根据权利要求1所述的一种具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述脱水碳化的温度为110～220℃，压力为2～10MPa，时间为1～12h。
7.采用权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的具有近红外光发射特性的碳纳米粒子。
8.权利要求7所述的具有近红外光发射特性的碳纳米粒子的应用，其特征在于，所述应用的领域包括但不限于荧光成像、光热治疗、红外防伪、药物载体。
9.一种具有荧光增强作用的生物复合制剂，其特征在于，包括权利要求7所述的碳纳米粒子以及生物大分子和/或细胞和/或细胞碎片。
10.根据权利要求9所述的一种具有荧光增强作用的生物复合制剂，其特征在于，所述生物复合制剂通过热复合的方式形成。
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