CN114684807B - 一种室温驱动的长波长发射荧光碳点及其制备方法和应用 - Google Patents

一种室温驱动的长波长发射荧光碳点及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种室温驱动的长波长发射荧光碳点及其制备方法和应用，属于发光纳米材料制备和药物分析技术领域。以三亚乙基四胺和甲基对苯醌为反应前驱体，室温下反应制得所述的长波长发射碳点。本发明合成方法简单有效、原料易得、反应条件温和可控，所制备的碳点具有激发依赖的发射性质，当用460nm激发光激发时，最大发射波长约为580nm。基于碳点和维生素B12的内滤效应，该碳点纳米材料能够用于高灵敏的检测维生素B12，检测范围为0.05‑200μM，检测限达到10nM。

Description

一种室温驱动的长波长发射荧光碳点及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及发光纳米材料制备和药物分析技术领域，具体涉及一种基于室温驱动的长波长发射荧光碳点及其制备方法以及在维生素B12分析测定中的应用。
背景技术
碳点(carbon dots,CDs)是一种具有荧光性质的碳基零维纳米材料，尺寸介于1～10nm之间。近年来，荧光碳点作为碳基纳米聚集体引起了人们极大的兴趣。由于其独特的光学和电学性质，碳点已在细胞成像、分析检测和光催化等领域得到应用。
碳点的合成方法有两大类，一是从上到下的方法，将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点，包括电弧放电、激光辐射法、电化学氧化法等；二是从下到上的方法，采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇等，包括模板法、热解法、水热法、微波法等。但是上述方法或操作条件苛刻，或需要强酸强碱、高温高压条件，具有一定危险性。
目前，大多数报道的碳点的荧光发射位于短波长区域，例如蓝色发射。尤其是在室温下合成的碳点，更难实现长波长发射。由于生物样品具有明显的蓝色自荧光，碳点的短波发射极大地限制了其应用。此外，短波长发光也会损害活细胞和生物系统。与此同时，制备的碳点的发光效率通常较低，这不利于碳点作为光学纳米探针用于分析和传感。有大量研究发现通过在碳点上掺杂别的原子可以使发射峰红移并且提高荧光量子效率，但是掺杂方法主要采用水热/溶剂热等高温条件。因此，在室温下合成具有长波长发射的高发光碳点是非常理想的，也是一个巨大的挑战。
维生素B12对碳水化合物代谢、DNA合成和细胞维持等具有重要影响。维生素B12是一种水溶性维生素，人体无法合成，存在于各种食物来源中，包括肉和蛋。维生素B12摄入量与人类健康密切相关。缺乏维生素B12可导致多种疾病，如疲劳、神经损伤和心脏病，而过量的维生素B12可导致叶酸缺乏，导致巨幼细胞性贫血和口腔炎症。在过去几十年中，维生素B12的检测越来越受到关注。与其他常规方法相比，荧光检测方法简便、快速、成本低，为维生素B12样品的检测提供了良好的平台。
因此，开发一种采用一锅室温法来合成长波长发射的荧光碳点，用于维生素B12的荧光检测，是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
针对现有技术中室温下合成的碳点难于实现长波长发射的问题，本发明提供了一种通过一锅室温法制备得到高稳定性的长波长发射荧光的碳点。
本发明采用如下技术方案：
一种室温驱动的长波长发射荧光碳点的制备方法，包括：以三亚乙基四胺和甲基对苯醌为反应前驱体，室温下反应制得所述的长波长发射碳点。
本发明以三亚乙基四胺和甲基对苯醌为反应前驱体，基于席夫碱交联反应，在室温下形成三亚乙基四胺/甲基对苯醌链状化合物，链状化合物进一步相互缠绕，从而形成直径约5nm的碳点。该碳点在460nm激发光激发时，最大发射波长约为580nm，呈现橙色发光。
所述室温为温度20～25℃。所述甲基对苯醌的甲基取代数为1～4个。
优选的，反应体系以水为反应介质，其中甲基对苯醌的浓度为2mg/mL。
优选的，所述三亚乙基四胺和甲基对苯醌的混合比为：50～300μL：10mg。研究表明，上述比例条件下均能合成长波长橙色发射碳点。
更为优选，所述三亚乙基四胺和甲基对苯醌的混合比为：150～200μL：10mg。
优选的，反应时间为6～96h。
更为优选，反应时间为24～48h。
反应后的碳点溶液中可能存在未反应完全的小分子，为获得纯度高、质量好的碳点，产物需经过分离提纯，所述分离提纯方法为：反应产物经截留分子量100-500的透析袋充分透析，去除未反应的小分子，透析袋内溶液即为长波长发射荧光碳点溶液。
本发明还提供了一种由上述制备方法制得的室温驱动的长波长发射荧光碳点。所制备的碳点具有激发依赖的发射性质，当用460nm激发光激发时，最大发射波长约为580nm。重要的是，碳点的相对量子产率达到6.56％，从而产生明亮的橙色荧光发射。
基于内滤效应，本发明制备的碳点纳米材料能够用于高灵敏的检测维生素B12。具体的，本发明提供了所述的室温驱动的长波长发射荧光碳点在制备维生素B12检测试剂盒中的应用。
研究表明，基于碳点和维生素B12之间的强内滤效应，碳点的橙色荧光发射可以被有效地猝灭。在0.05～200μM范围内，碳点的发射强度比(F/F0)与维生素B12浓度呈线性相关。该纳米探针对维生素B12的测定具有高灵敏度，最低检测限为10nM。
进一步的，所述应用包括：将待测样品加入含有所述室温驱动的长波长发射荧光碳点的缓冲体系中，在460nm激发光下测定480nm至750nm之间的荧光发射光谱，再根据发射强度比与维生素B12浓度标准曲线，得出待测样品中维生素B12含量。
本发明具备有益效果：
(1)本发明以三亚乙基四胺和甲基对苯醌为反应原料，通过简单的一步室温法，合成最大发射波长为580nm的长波长发射碳点。本发明合成方法简单有效、原料易得、反应条件温和可控。
(2)基于碳点和维生素B12的内滤效应，该碳点纳米材料能够用于高灵敏的检测维生素B12，检测范围为0.05-200μM，检测限达到10nM。
附图说明
图1为橙色发光碳点的合成及其维生素B12传感机制。
图2为碳点的形貌，其中(a)为橙色碳点的TEM图像，内插图为尺寸分布图；(b)为橙色碳点的高分辨率TEM图像。
图3为三亚乙基四胺用量对碳点光学性质的影响，其中(a)100μL；(b)150μL；(c)200μL；(d)250μL；(e)300μL。
图4为反应时间对碳点光学性质的影响，其中(a)6h；(b)12h；(c)24h；(d)48h，(e)72h；(f)96h。
图5为维生素B12检测的灵敏度和选择性，其中(a)为添加不同浓度维生素B12后碳点的荧光发射变化；(b)为碳点的F/F0值与维生素B12浓度之间的关系，F值为加入维生素B12后的碳点荧光强度值，F0值为加入维生素B12前的碳点荧光强度值，pH值：7.4。激发：460nm；(c)为加入其他维生素后，碳点在维生素B12存在下的荧光响应，所有维生素的浓度：100μM；(d)为添加其他常见离子后，在维生素B12存在下碳点荧光强度的变化，1、空白；2、Na+；3、Al3+；4、Cd2+；5、Mg2+；6、Li+；7、Zn2+；8、HCO3 -；9、H2PO4 -；10、Cl-；维生素B12浓度：100μM；离子浓度：100μM；激发：460nm；pH:7.4。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明，不用来限制本发明的适用范围。在不背离本发明精神和本质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所做的修改或替换，均属于本发明的范围。
下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
三亚乙基四胺，CAS号：112-24-3；甲基对苯醌，CAS号：553-97-9。
实施例1
一、制备橙色发光碳点
1、橙色发光碳点的合成
将10mg甲基对苯醌溶于4.8mL水中，再加入200μL三亚乙基四胺混合，室温下静置反应2天，基于席夫碱缩合反应，得到长波长橙色发射的碳点。
取反应产物装入截留分子量100-500的透析袋中，进行透析纯化，去除未反应的小分子，取透析袋内溶液即为长波长发射荧光碳点溶液。
2、性能表征
如图2所示，TEM结果显示所得到的碳点粒径约为5nm。
所制备的碳点具有激发依赖的发射性质，当用460nm激发光激发时，最大发射波长约为580nm。碳点的相对量子产率(罗丹明6G作为参考)达到6.56％。
改变不同的反应物比例，三亚乙基四胺的体积从100μL、150μL、200μL、250μL和300μL，其他条件不变，取反应产物在460nm激发时测定荧光光谱，并在480至750nm之间记录荧光发射光谱。结果如图3所示，同样能够合成长波长橙色发射碳点，仅仅是发光强度的微小差异。
改变室温反应时间，分别于反应6h、12h、24h、48h、72h、96h后取反应产物进行荧光检测，结果如图4所示，从6小时开始便出现强烈的橙色发光，橙色发射碳点的反应时间最优为两天。
二、维生素B12检测方法
1、将0.1mL碳点溶液和0.2mL不同浓度(0.05,0.1,0.5,1,2.5,5,10,25,35,50,75,100,125,150,175,200μM)的维生素B12溶液混合，并用含有磷酸盐缓冲盐的超纯水(pH＝7.4)稀释至2mL。在测试荧光强度之前，将获得的溶液培养数分钟。在460nm激发时测定荧光光谱，并在480至750nm之间记录荧光发射光谱。
结果如图5a所示，随着维生素B12的浓度从0增加到0.2mM，碳点的荧光强度逐渐降低。基于碳点和维生素B12之间的强内滤效应，碳点的橙色荧光发射可以被有效地猝灭。
基于此，建立了维生素B12的传感方法，如图5b所示，在0.05-200μM范围内，碳点的发射强度比(F/F0)与维生素B12浓度呈线性相关。维生素B12的线性检测范围为0.05-200μM，最低检测限为10nM。
2、考察其他维生素对维生素B12检测的影响
具体操作：在步骤1维生素B12的检测方法基础上，分别加入100μM的维生素A，维生素B1，维生素C，维生素D3，维生素E和维生素H，结果如图5c所示，上述维生素均不能干扰维生素B12的测定。
3、考察不同金属离子对维生素B12检测的影响
具体操作：在步骤1维生素B12的检测方法基础上，分别加入100μM的Na+，Al3+，Cd2+，Mg2+，Li+，Zn2+，HCO3 -，H2PO4 -和Cl-，结果如图5d所示，上述金属离子也不能干扰维生素B12的测定。
因此，本实施例制备的橙色发光碳点对维生素B12的检测具有高灵敏和高特异性。

Claims (5)

1.一种室温驱动的长波长发射荧光碳点，其特征在于，所述荧光碳点的制备方法包括：将甲基对苯醌溶于水中，再加入三亚乙基四胺混合，其中甲基对苯醌的浓度为2mg/mL，三亚乙基四胺和甲基对苯醌的混合比为：100～300μL：10mg，20～25℃的室温下静置反应6～96h，反应产物经截留分子量100-500的透析袋充分透析，去除未反应的小分子，透析袋内溶液即为长波长发射荧光碳点溶液，该碳点在460nm激发光激发时，最大发射波长为580nm，呈现橙色发光。
2.如权利要求1所述的室温驱动的长波长发射荧光碳点，其特征在于，所述三亚乙基四胺和甲基对苯醌的混合比为：150～200μL：10mg。
3.如权利要求1所述的室温驱动的长波长发射荧光碳点，其特征在于，反应时间为24～48h。
4.如权利要求1-3任一项所述的室温驱动的长波长发射荧光碳点在制备维生素B12检测试剂盒中的应用。
5.如权利要求4所述的应用，其特征在于，所述应用包括：将待测样品加入含有所述室温驱动的长波长发射荧光碳点的缓冲体系中，在460nm激发光下测定480nm至750nm之间的荧光发射光谱，再根据发射强度比与维生素B12浓度标准曲线，得出待测样品中维生素B12含量。
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