CN114656959A - 一种硫掺杂双发射荧光碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硫掺杂双发射荧光碳点及其制备方法和应用，属于荧光纳米材料领域。碳点制备步骤：将茜素红和柠檬酸溶于二次水中并装入水热反应釜中，进行水热反应；得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液，冷冻干燥后得到硫掺杂双发射碳点。本发明工艺简单，制备条件要求低；而且制得的硫掺杂双发射荧光碳点毒性小、荧光量子产率高。制得的双发射荧光碳点作为比率荧光和比色双信号纳米传感器可用于水溶液中和细胞中高选择性、高灵敏度的连续检测Al3+和F‑。此外，制得硫掺杂双发射荧光碳点还可制作成试纸用于连续检测Al3+和F‑。

Description

一种硫掺杂双发射荧光碳点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及荧光纳米材料，具体涉及一种硫掺杂双发射荧光碳点及其制备方法，以及硫掺杂双发射荧光碳点在连续检测Al3+和F-中的应用。
背景技术
碳点是2004年美国克莱蒙森大学Xu等(J.Am.Chem.Soc.,2004,126,12736-12737)在研究碳纳米管时意外发现的一种以碳为骨架结构的发荧光的碳纳米材料。作为新兴的荧光碳纳米材料，碳点在化学/生物传感、生物成像、药物传递和光催化等方面具有独特的优势。
碳点的制备方法目前主要通过自上而下和自下而上方法合成。自上而下法是指使用电弧放电、激光烧蚀和电化学方法从较大的碳结构剥落制备碳点。自下而上法是指热解或碳化合适的前驱体直接合成碳点，包括水热法、溶剂热法、超声法、高温热解法和微波法。
目前，绝大多数碳点基荧光探针是基于单波长荧光强度的变化，很容易受到许多不可避免因素(如光源强度波动、仪器灵敏度、探针分布不均匀)的影响而使检测精度降低。碳点基比率荧光探针是通过测量探针材料两个不同波长处的荧光强度，以其比值作为信号参量来测定目标物，从而可以对环境干扰进行自校准，提高检测的准确度和灵敏度。因此，构建碳点基比率荧光探针在化学/生物传感领域具有重要的意义。
发明内容
本发明目的在于提供一种硫掺杂双发射荧光碳点及其制备方法，该方法原料简单、制备条件要求低，制得的硫掺杂双发射荧光碳点毒性小、荧光量子产率高、水溶性以及生物相容性好，可用于比率荧光、比色和纸基连续检测Al3+和F-中。
为实现上述目的本发明提供的技术方案为：
一种硫掺杂双发射荧光碳点的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量比1:9.5～10.5:350～850将茜素红和柠檬酸加入二次水中，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到目标硫掺杂双发射荧光碳点。
所述步骤(1)中茜素红、柠檬酸和二次水按质量比为1:10:400～800。
所述步骤(2)中水热反应的温度为180～220℃，时间为2～7h。
所述步骤(3)中的透析是用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析12h。
本发明方法制备的硫掺杂双发射荧光碳点可用于比率荧光、比色和纸基连续检测Al3+和F-中。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)制得的硫掺杂双发射荧光碳点具有良好的发光性能，将其用作比率荧光探针检测Al3+和F-中，可以避免基于单波长荧光强度变化探针所带来的浓度变化、探针分布不均匀以及仪器效率等不可避免因素的影响。
(2)制得的硫掺杂双发射荧光碳点因其稳定性强、毒性小、水溶性以及生物相容性好，在生物传感、细胞成像和纸基传感等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点的透射电镜图和尺寸分布图
图2为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点的原子力显微镜图
图3为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点的红外光谱图
图4为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点的X射线光电子能谱图
图5为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点的紫外-可见吸收光谱图
图6为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱图
图7为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点对Al3+选择性的图
图8为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点溶液随Al3+浓度变化的荧光发射光谱图
图9为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的混合液随F-浓度变化的荧光发射光谱图
图10为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点溶液、硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的混合液和硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+及F-的混合液(依次为：左、中、右)在日光灯下的颜色变化图
图11为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点标记的人正常肝细胞LO2细胞的激光共聚焦图
图12为实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点浸染的滤纸纸基传感图
具体实施方式
以下实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
硫掺杂双发射荧光碳点的制备：
(1)将0.05g茜素红和0.5g柠檬酸加入30mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃下水热反应7h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到硫掺杂双发射荧光碳点。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点的透射电镜图和尺寸分布图见图1。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点的原子力显微镜图见图2。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点的红外光谱图见图3。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点的X射线光电子能谱图见图4。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点的紫外-可见吸收光谱见图5。
制备的硫掺杂双发射荧光碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图6，其中1～8分别是激发波长为340nm、350nm、365nm、380nm、385nm、390nm、395nm和400nm激发下的荧光光谱图。
实施例2
硫掺杂双发射荧光碳点的制备：
(1)将0.05g茜素红和0.5g柠檬酸加入20mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在180℃下水热反应3h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到硫掺杂双发射荧光碳点。
实施例3
硫掺杂双发射荧光碳点的制备：
(1)将0.05g茜素红和0.5g柠檬酸加入20mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃下水热反应7h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到硫掺杂双发射荧光碳点。
实施例4
硫掺杂双发射荧光碳点的制备：
(1)将0.05g茜素红和0.5g柠檬酸加入40mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃水热反应4h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到硫掺杂双发射荧光碳点。
实施例5
硫掺杂双发射荧光碳点的制备：
(1)将0.05g茜素红和0.5g柠檬酸加入30mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃水热反应6h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心30min除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到硫掺杂双发射荧光碳点。
实施例6
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点对Al3+选择性实验：
用pH＝7.0的0.01mol·L-1的Tris-HCl缓冲液和CoCl2、CdCl2、CuCl2、CaCl2、FeCl3、BaCl2、MgCl2、ZnCl2、MnCl2、KCl、AlCl3、NaCl、PbCl2、NiCl2、CrCl3、BiCl3、HgCl2分别配制金属离子浓度为262μmol·L-1的溶液。分别将2.06mg实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点溶解到1mL上述含不同金属离子的溶液中，固定激发波长为365nm，在20℃下进行荧光光谱检测，根据(I620/I506)，进而达到对Al3+选择性的检测。
硫掺杂双发射荧光碳点对Al3+选择性的图见图7：硫掺杂双发射荧光碳点溶液对Al3+有最大的响应。
实施例7
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点作为Al3+探针的灵敏度实验：
用pH＝7.0的0.01mol·L-1的Tris-HCl缓冲液和AlCl3分别配制Al3+浓度为25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、175μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1水溶液，分别将2.06mg实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点溶解到1mL上述含不同浓度Al3+的水溶液中，固定激发波长为365nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
硫掺杂双发射荧光碳点溶液随Al3+浓度变化的荧光发射光谱图见图8，其中1～17分别是Al3+浓度为0μmol·L-1、25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、175μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1的溶有硫掺杂双发射荧光碳点的Tris-HCl缓冲溶液的荧光发射光谱图；从图中可以看出随着Al3+浓度的增加，506nm处的荧光强度逐渐降低，而620nm处的荧光强度逐渐增加。
实施例8
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的混合液(碳点浓度2.06g·L-1，Al3+浓度为400μmol·L-1)用于F-探针的灵敏度实验：将不同质量的F-加入到硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的混合液中，使F-浓度分别为40μmol·L-1、80μmol·L-1、120μmol·L-1、160μmol·L-1、220μmol·L-1、240μmol·L-1、280μmol·L-1、320μmol·L-1、360μmol·L-1、400μmol·L-1、440μmol·L-1、480μmol·L-1、520μmol·L-1、560μmol·L-1、600μmol·L-1、650μmol·L-1、700μmol·L-1、750μmol·L-1、800μmol·L-1、900μmol·L-1、1100μmol·L-1和1200μmol·L-1水溶液，固定激发波长为365nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的混合液随F-浓度变化(1～23)的荧光发射光谱图见图9，其中1～23分别是F-浓度为0μmol·L-1、40μmol·L-1、80μmol·L-1、120μmol·L-1、160μmol·L-1、220μmol·L-1、240μmol·L-1、280μmol·L-1、320μmol·L-1、360μmol·L-1、400μmol·L-1、440μmol·L-1、480μmol·L-1、520μmol·L-1、560μmol·L-1、600μmol·L-1、650μmol·L-1、700μmol·L-1、750μmol·L-1、800μmol·L-1、900μmol·L-1、1100μmol·L-1和1200μmol·L-1时溶液的荧光发射光谱图；从图中可以看出随着F-浓度的增加，506nm处的荧光强度逐渐增强，而620nm处的荧光强度逐渐降低。
实施例9
将实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点溶液置于比色皿中，日光下硫掺杂双发射荧光碳点溶液为黄色(左)，加入Al3+(浓度为400μmol·L-1)后变为橙红(中)，再加入F-(浓度为1200μmol·L-1)后，恢复为黄色(右)，如图10。
实施例10
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点用于标记人正常肝细胞LO2细胞。激发波长为405nm，发射波长设置为450nm～550nm(通道1)和550nm～685nm(通道2)。图11A显示了硫掺杂双发射荧光碳点标记的细胞图，450nm～550nm处呈现明亮的绿色荧光，550nm～685nm处分别呈现微弱的红色荧光。保持所有上述设置不变的情况下，在加入Al3+后，450nm～550nm处的绿色荧光明显变暗，而550nm～685nm处的红色荧光同时显著变强(如图11B)。继续加入F-，450nm～550nm处的绿色荧光变强，而550nm～685nm处的红色荧光同时显著减弱(如图11C)。
实施例11
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点在Al3+纸基传感方面的应用实验：
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点用于纸基传感检测Al3+。将制备的碳点溶液充分浸透滤纸，干燥，压平，得到含有硫掺杂双发射荧光碳点的试纸。将不同浓度(100μmol·L-1、200μmol·L-1、300μmol·L-1、400μmol·L-1)的Al3+溶液均匀喷洒在含有硫掺杂双发射荧光碳点的试纸上，在紫外灯下观察并记录纸基条荧光颜色的改变。图12A显示了在紫外灯下，含有硫掺杂双发射荧光碳点的试纸随着Al3+浓度的增加由绿色逐渐变为红色。
实施例12
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点在F-纸基传感方面的应用实验：
实施例1制备的硫掺杂双发射荧光碳点用于纸基传感检测F-。将制备的碳点溶液充分浸透滤纸，得到含有硫掺杂双发射荧光碳点的试纸，再将400μmol·L-1的Al3+均匀喷洒在含有硫掺杂双发射荧光碳点的纸基条上，干燥，压平，得到含有硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的试纸。将不同浓度(300μmol·L-1、600μmol·L-1、900μmol·L-1、1200μmol·L-1)的F-溶液均匀喷洒在含有硫掺杂双发射荧光碳点与Al3+的试纸上，在紫外灯下观察并记录试纸荧光颜色的改变。图12B显示了在紫外灯下，试纸荧光随着F-浓度的增加由红色逐渐变为绿色。

Claims (9)

1.一种硫掺杂双发射荧光碳点的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)按质量比1:9.5～10.5:350～850将茜素红和柠檬酸加入二次水中，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物，用透析袋透析除去杂质，得到澄清的硫掺杂双发射荧光碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的硫掺杂双发射荧光碳点溶液冷冻干燥后得到目标硫掺杂双发射荧光碳点。
2.如权利要求1所述的一种硫掺杂双发射荧光碳点的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中茜素红、柠檬酸和二次水的质量比为1:10:400～800。
3.如权利要求1所述的一种硫掺杂双发射荧光碳点的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中水热反应的温度为180～220℃，时间为2～7h。
4.如权利要求1-3任一所述方法制备的硫掺杂双发射荧光碳点。
5.如权利要求4所述的硫掺杂双发射荧光碳点在水溶液中比率荧光连续检测Al3+和F-的应用。
6.如权利要求4所述的硫掺杂双发射荧光碳点在水溶液中比色连续检测Al3+和F-的应用。
7.如权利要求4所述的硫掺杂双发射荧光碳点在制备活细胞中连续检测Al3+和F-的试剂中的应用。
8.如权利要求4所述的硫掺杂双发射荧光碳点制备成的试纸。
9.如权利要求8所述的试纸在连续检测Al3+和F-的应用。
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