CN114455567B - 一种碳纳米粒子的制备方法及应用 - Google Patents

一种碳纳米粒子的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米粒子的制备方法及应用，为开发一种制备方法简单、可量化生产的近红外碳纳米材料，本发明由氨水或/和铵盐与多羧基/多羟基化合物在极性非质子溶剂中经脱水碳化后制备得到一种碳纳米粒子，该碳纳米粒子具有近红光波段吸收、近红外波段发射的特性，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纳米粒子)具有很好的生物安全性，可应用于生物荧光成像、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，工艺成本低，易于大规模批量制备碳纳米粒子。

Description

一种碳纳米粒子的制备方法及应用
技术领域
本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米粒子的制备方法及应用。
背景技术
随着纳米技术的产生与发展，碳材料大家庭不断壮大。碳纳米粒子作为碳材料大家庭中的新成员，是一种性质独特的发光纳米材料，因其具有粒径小(尺寸小于10nm)，毒性低，水溶性好，荧光性能优异和光稳定性强等优点而备受研究者的关注。碳纳米粒子(Carbon Nanoparticles，CNPs)自2004年首次发现以来，一直受到科研工作者的青睐，相对于传统的量子点(QDs)及荧光小分子体现出了一些特有的优势：(1)与QDs相比，CNPs具有较好的生物相容性和环境友好性；(2)相比于有机荧光染料，CNPs具有荧光稳定、激发波谱宽和成本低等优点。
在生物成像领域，更长的发射波长(例如深红至近红外波段)对于CNP体内的生物成像至关重要，它穿透能力强，并可以最大程度地减少细胞组织自发荧光和光散射噪音干扰，从而提高成像对比度以及增加生物体的穿透深度。近些年有报道发现，氮掺杂碳纳米粒子有助于实现高效的光发射。氨水是常用的氮掺杂原料，使用氨水为原料制备的碳纳米材料表现出在蓝光波段的强荧光发射，但目前在红光和近红外波段具有高效吸收和发射特征的碳纳米粒子的制备方法还鲜有报道。
因此，开发一种制备方法简单、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制备方法制备得到的碳纳米粒子。
本发明的第三个目的是提供上述的碳纳米粒子的应用。采用本发明方法制备得到的碳纳米粒子具有近红外光吸收和发射特性，并且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。
本发明的第四个目的是提供一种具有荧光增强效果的生物复合制剂。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
本发明提供一种碳纳米粒子的制备方法，即由氨水或/和铵盐与多羧基/多羟基化合物在极性非质子溶剂中经脱水碳化后制备得到。
碳纳米内核的高度脱水缩聚和碳化有利于碳纳米的近红外发光。本发明选用氨水或铵盐和多羧基/多羟基化合物作为原材料，用极性非质子溶剂作为脱水溶剂进行脱水碳化反应，有利于提高碳纳米的氮掺杂含量以及碳纳米内核的高度缩聚碳化，从而使所制备得到的碳纳米吸收及发射光谱进一步红移，使其具有近红外光吸收和发射特性。
优选地，所述多羧基/多羟基化合物与氨水或/和铵盐的质量比为1:(0.5～10)。
优选地，所述多羧基/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。
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)。
优选地，所述氨水或/和铵盐与极性非质子溶剂的料液比(g/mL)为1:(1～50)。
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。
优选地，所述铵盐包括但不限于醋酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵和硝酸铵。
本发明还提供了采用上述制备方法制备得到的碳纳米粒子。
本发明还提供了上述碳纳米粒子的应用，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、药物载体等。
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，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，其特征在于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。
本发明还提供了一种具有荧光增强效果的生物复合制剂，所述生物复合制剂包括上述的碳纳米粒子以及生物大分子、细胞或细胞碎片。
优选地，所述生物复合制剂通过热复合的方式形成。进一步地，所述热复合的方式包括但不限于激光光热、热辐射、电磁加热等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供一种碳纳米粒子的制备方法，由氨水或/和铵盐与多羧基/多羟基化合物在极性非质子溶剂中经脱水碳化后制备得到。所获得的碳纳米粒子具有近红光波段吸收、近红外波段发射的特性，并且具有高效的光热转换特性(可通过热作用对细胞进行标记染色；可以通过热作用与生物大分子或细胞或细胞碎片形成具有显著荧光增强效果的复合制剂)；本发明的碳纳米粒子(包括颗粒状或卷带状的纳米粒子)具有很好的生物安全性，可应用于生物荧光成像、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，工艺成本低，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TEM形貌图；
图2为实施例1的碳纳米粒子的AFM形貌图；
图3为实施例1的碳纳米粒子的AFM形貌的颗粒高度分布图；
图4为实施例1的碳纳米粒子的EDS能谱；
图5为实施例1的碳纳米粒子的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。
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。
实施例1碳纳米粒子的制备
将1g柠檬酸和2g碳酸铵溶解于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，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，即得到碳纳米粒子。
通过TEM(透射电子显微镜)和AFM(原子力显微镜)观察碳纳米粒子的形貌大小，如图1-图3所示，表明本实施例合成的碳纳米粒子大小在2-15nm左右，高度约为1-15nm左右。
通过EDS(X射线能谱分析)和FTIR(傅里叶变换红外光谱仪)观察碳纳米粒子表面的元素、以及表面官能团的构成，如图4、图5所示，表明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碳纳米粒子的制备
将1g乙二胺四乙酸和10g醋酸铵溶解于10mL的DMF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1小时，反应压力为2MPa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，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，即得到碳纳米粒子。
通过TEM和AFM观察碳纳米粒子的形貌大小，其结果与实施例1相似，所合成的碳纳米粒子大小在2-15nm左右。
通过EDS和FTIR观察碳纳米粒子表面的元素、以及表面官能团的构成，其结果与实施例1相似，所合成的碳纳米粒子表面富含大量的氧以及氮官能团(羟基、羧基、氨基等)。
实施例3碳纳米粒子的制备
将2g葡萄糖和1g氯化铵溶解于50mL的THF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10Mpa，反应后的溶液经过滤后获得粉状固体，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，即得到碳纳米粒子。
通过TEM和AFM观察碳纳米粒子的形貌大小，其结果与实施例1相似，所合成的碳纳米粒子大小在2-15nm左右。
通过EDS和FTIR观察碳纳米粒子表面的元素、以及表面官能团的构成，其结果与实施例1相似，所合成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)。
实验例1碳纳米粒子的光学吸收特性测试
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630nm附近。在红色波段的光激发下有近红外的荧光发射。
另外，实施例2和实施例3的碳纳米粒子的光学吸收特性与实施例1相似。
实验例2碳纳米粒子的荧光染料特性测试
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，然后将小白鼠L02肝细胞，HePa1-6癌细胞、以及B16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复合。每组复合体系加入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40-90℃，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复合情况。
如图7所示，经过复合之后，细胞被碳纳米粒子染色(红色)。说明实施例1的碳纳米粒子通过热作用能很好地对细胞进行有效的标记染色。
另外，实施例2和实施例3的碳纳米粒子的荧光染料特性与实施例1相似。
实验例3碳纳米粒子增强荧光发射特性的测试
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)进行热复合组成复合制剂，热复合方式采用激光光热、热辐射、电磁加热等方式进行，反应时间为4小时，温度为45-95℃，然后通过Ocean分析仪观察复合前后的荧光发射情况。
如图8所示，经过热复合之后，在635nm激光线激发下，复合制剂的荧光发射显著增强。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，通过热作用形成显著荧光增强效果的复合制剂。
综合实验例1～3可知，本发明的碳纳米粒子在可见光到近红外区域都有吸收，在红色波段的光激发下有近红外的荧光发射；通过热作用能很好地对细胞进行有效的标记染色；可以与生物大分子、细胞及细胞碎片，通过热作用形成具有显著荧光增强效果的复合制剂。本发明方法制备得到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。
另外，实施例2和实施例3的碳纳米粒子的增强荧光发射特性与实施例1相似。
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 (6)

1.一种碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，由铵盐与多羧基/多羟基化合物在极性非质子溶剂中经脱水碳化后制备得到；
所述多羧基/多羟基化合物与铵盐的质量比为1:(0.5～10)；
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；
所述铵盐与极性非质子溶剂的料液比按g每mL为1:(1～50)；
所述脱水碳化的温度为110～220℃，压力为2～10MPa，时间为1～12h。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述多羧基/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。
3.根据权利要求1所述的一种碳纳米粒子的制备方法，其特征在于，所述铵盐包括但不限于醋酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵和硝酸铵。
4.采用权利要求1-3任一项所述的制备方法制备得到的碳纳米粒子。
5.权利要求4所述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。
6.一种具有荧光增强效果的生物复合制剂，其特征在于，包括权利要求4所述的碳纳米粒子以及生物大分子、细胞或细胞碎片。
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