CN115895653B - 一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用。以3‑（丙氨基）‑三乙氧基硅烷（APTES）和邻苯二胺（OPD）为前体，利用水热法制备了一种硅掺杂碳量子点荧光探针Si‑CDs。本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si‑CDs的粒径为3.88±0.30 nm，可以用作荧光传感器，能够高选择性和高灵敏性的检测Cu²⁺；Cu²⁺线性检测范围分别为0‑120μM，检测限(LOD)为8.56 nM，具有优异的光学性能，低毒性将其应用于Hela细胞和斑马鱼中的Cu²⁺离子成像研究中，具有良好的应用前景。

Description

一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于碳纳米材料的制备、离子检测及生物成像技术领域，具体涉及一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用。

背景技术

铜(Cu²⁺)是除铁离子和锌离子之外人体内所必需的第三类的微量元素。铜离子参与了生命体内多种生理过程，铜缺乏可导致生长和代谢地紊乱。如超氧化物歧化酶、细胞关键蛋白细胞色素等的合成，对人体内的免疫功能系统至关重要，且铜离子有助于维持体内骨骼、神经和血管等器官的健康状态。研究表明铜离子浓度异常会引发包括阿尔茨海默病、帕金森病、胃肠道疾病、朊病毒病、炎症性疾病、家族遗传性脊侧索硬化、门克斯病、脂质代谢紊乱和威尔逊和肾损伤等在内的多种疾病。实时准确监测环境及生命体中铜离子的浓度具有重要意义。

当前，有关铜离子的荧光探针大部分是有机染料分子，合成过程复杂，不易规模化制备。此外目前的铜离子探针还存在灵敏度低，线性范围过窄等缺点。因此，开发具有快速、实时、高灵敏检测的新型荧光探针实现对铜离子的检测对环境保护及疾病早期预警具有重要作用。碳量子点作为一类新型纳米材料，以其低毒，光稳定，量子效率高等优点在环境，生命科学等众多领域得到了广泛的应用。急需要以碳量子点为基础，开发一种更适合于检测铜离子的新型荧光探针。

发明内容

为解决目前可用于优异性检测Cu²⁺的碳量子点荧光探针缺乏问题，本发明提供了一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用，所述硅掺杂碳量子点能够高选择性和高灵敏性的检测Cu²⁺，且Cu²⁺线性检测范围分别为0-120μM，检测限(LOD)为8.56nM。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种硅掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将邻苯二胺溶解于蒸馏水中，超声至溶解，滴加(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)，继续超声至均匀，得混合液；

步骤2，将步骤1的混合液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行反应，待反应结束后，自然冷却至室温；

步骤3，离心后，离心液用0.22μm滤膜去除大颗粒，得到纯化后滤液；

步骤4，滤液在真空条件下冷冻干燥后，得棕色固体粉末，即硅掺杂碳量子点。

作为改进的是，所述邻苯二胺与(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)的摩尔比为1：1；

作为改进的是，步骤2中反应的温度为180-210℃，反应时间为6-8小时。

作为改进的是，步骤3中离心的转速为8000-10000rpm，离心的时间为10-15分钟。

上述制备方法制备得到的硅掺杂碳量子点的粒径为3.88±0.30nm，晶格纹为0.21nm。

上述的硅掺杂碳量子点作为荧光探针在检测Cu²⁺上的应用。

作为改进的是，Cu²⁺线性检测范围分别为0-120μM，检测限(LOD)为8.56nM。

上述硅掺杂碳量子点作为荧光探针在Hela细胞中检测Cu²⁺上的应用。

上述的硅掺杂碳量子点作为荧光探针在斑马鱼体内Cu²⁺成像上的应用。

有益效果：

与现有技术相比，本发明一种硅掺杂碳量子点及其制备方法与应用，具体如下所示：

1、本发明中所用的硅掺杂试剂为3-(丙氨基)-三乙氧基硅烷，相比之前的其他硅掺杂试剂，3-(丙氨基)-三乙氧基硅烷具有两类烷基链，这在提高碳量子点荧光性能的同时，对目标检测物Cu²⁺更具有靶向性；

2、本发明硅掺杂碳量子点作为荧光探针可以实现在HeLa细胞中对浓度在10-40uM之间Cu²⁺进行成像监测；

3、本发明硅掺杂碳量子点作为荧光探针可以实现在斑马鱼中对浓度在10-40uM之间Cu²⁺进行成像研究。

附图说明

图1为本发明实施例1中所述硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的合成过程图；

图2为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的透射电镜TEM图(a)，粒径分布直方图(b)；

图3为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的傅里叶红外光谱图；

图4为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的X射线光电子能谱图；

图5为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的UV-vis吸收光谱图；

图6为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs对不同浓度Cu²⁺的荧光图；

图7为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在HeLa细胞中对Cu²⁺的成像图；

图8为本发明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在斑马鱼中对Cu²⁺的成像图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

一种硅掺杂碳量子点的制备方法，合成工艺如图1所示，具体步骤如下：

(1)将5mmol邻苯二胺溶解于10mL蒸馏水中，超声30min直至溶解，滴加5mmol(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)，再次超声至均匀，得到混合液；

(2)将上述混合物溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，将反应釜置于180℃的环境中反应8小时；

(3)然后自然冷却至室温，离心，用0.22μm滤膜去除大颗粒，得到纯化后滤液；

(4)滤液在真空条件下冷冻干燥后，得棕色固体粉末，即硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs。

实施例2实施例1制备的硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的结构表征

图2为硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的透射电镜TEM图(a)及粒径分布直方图(b)，在2.12到5.41nm的范围内可以观察到球形纳米粒子，平均尺寸为3.88±0.3nm。在HRTEM图像中观察到间距为0.21nm的清晰晶格条纹，这与石墨的(100)平面中的晶格极为相似，表明该硅掺杂碳量子点荧光探针具有优异的结晶度。

图3为硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的红外光谱图，从图中可以看出，在3289cm^-1处的特征吸收峰为O-H拉伸振动，1273cm^-1处的特征吸收峰属于C-O弯曲振动，1635cm^-1特征吸收峰为C＝O拉伸振动，在1591cm^-1对应于NH₂剪式振动振动。此外，3444、3386和3366cm^-1处的峰可归因于O-H拉伸振动。由此表明，该硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的表面含有羟基、羧基、羰基和氨基，表明氮掺杂碳量子点制备成功，这些官能团不仅提高了碳量子点的亲水性和水溶液的稳定性，而且可以为金属离子提供作用位点。

图4为硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的X射线光电子能谱图(XPS)，通过XPS进一步研究硅掺杂碳量子点的元素组成，从图中可以观察到四个典型的峰(532.35eV、399.1eV、284.75eV、102.9eV)，分别属于O1s、N1s、C1s和Si2p。该碳量子点对应的元素含量为：O1s占21.3％，N1s占12.7％，C1s占55％，Si2p占11％。

图5为氮掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs的UV-vis吸收光谱图，观察到Si-CDs以310nm为中心的典型吸收峰位，这和APTES的吸收峰保持一致，表明APTES已经成功作为硅掺杂前体合成碳量子点。进一步证明，实施例1合成的Si-CDs含有丰富的羟基和氨基，这些基团使得硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs具有出色的生物相容性。

实施例3

实施例1制备的硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs用于Cu²⁺的检测

荧光光谱性质测试，所用测试仪器：日立F7100型分子荧光光谱仪。

实验方法为：将制得的硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs溶解于MeCN溶液中得到1mM的探针母液，4℃冰箱保存，避光。实验测定中用MeCN将溶液稀释成0.01mM的标准液进行测试。

测量时移取3mL探针的MeCN溶液到1cm比色皿中先后进行荧光光谱测试，如图6所示，随着Cu²⁺浓度的增加(0、30、60、120μM)，碳量子点的荧光强度逐渐增强，在0-100μM范围内，Cu²⁺浓度与碳量子点荧光强度呈现线性关系，线性回归方程为F/F₀＝0.01312[Cu²⁺]+0.8536，相关系数R²＝0.9986，检测限(LOD)为8.56nM。

实施例4

硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在HeLa细胞中对Cu²⁺的成像研究

在共聚焦荧光显微镜下37℃环境中，将1×10⁵cells/mL密度的细胞孵育在96孔板中孵育24h。12h后，加入不同浓度的Si-CDs并孵育24h。将细胞先用Si-CDs(10μM)孵育30min，分成四组，第一组作为对照空白组，另外三组分别加入10、20和40μM的Cu²⁺继续孵育30min。成像实验条件相同，用PBS清洗并通过共聚焦激光扫描显微镜对细胞进行了生物荧光成像，收集绿色通道(500-550nm)和蓝色通道(425-475nm)。

显示结果如图7所示，证明硅掺杂碳量子点在生物系统的实际应用。具体为，在Si-CDs的对照组成像中，蓝色和绿色通道很难清晰地观察到明显的荧光成像，而不同浓度的Cu²⁺(10,20,40μM)进一步与Si-CDs和HeLa细胞共孵育30min后，蓝色和绿色通道的荧光均有明显的增强，可证明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs可以用于检测活细胞中Cu²⁺成像。

实施例5

硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在斑马鱼中对Cu²⁺的成像研究

基于硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在细胞内Cu²⁺成像和监测结果效果好，进一步的探索该探针在体内的应用。本实施例选择5天龄的斑马鱼作为成像模型(斑马鱼是一种典型的脊椎动物模型，被广泛的应用于活体成像领域，因此被选为活体样本。)，用于硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs在体内的影响。

将斑马鱼分为四组，一组仅添加Si-CDs并与斑马鱼共培养，另外三组添加不同浓度为10、20和40μM的Cu²⁺。30min后，通过激光共聚焦成像进行荧光成像分析。

结果如图8所示，看出蓝色和绿色通道在带有Si-CDs的斑马鱼中都未观察到荧光信号。在加入10、20和40μM的Cu²⁺30min后，蓝色和绿色通道均显示出明显的荧光增强现象，表明硅掺杂碳量子点荧光探针Si-CDs能对斑马鱼体内的Cu²⁺进行成像和监测，可为相关疾病的早期诊断提供更有利的中间信息。

需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种硅掺杂碳量子点作为荧光探针在检测Cu²⁺上，或者，在Hela细胞中Cu²⁺成像上，或者，在斑马鱼体内Cu²⁺成像中的应用，其特征在于，所述硅掺杂碳量子点的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将邻苯二胺溶解于蒸馏水中，超声至溶解，滴加(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷，继续超声至均匀，得混合液；

步骤2，将步骤1的混合液转移到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中进行反应，待反应结束后，自然冷却至室温；

步骤3，离心后，离心液用 0.22 μm 滤膜去除大颗粒，得到纯化后滤液；

步骤4，滤液在真空条件下冷冻干燥后，得棕色固体粉末，即硅掺杂碳量子点。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤1中，所述邻苯二胺与(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷的摩尔比为1：1。

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤2中反应的温度为180-210 ℃，反应时间为6-8小时。

4.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，步骤3中离心的转速为8000-10000 rpm，离心的时间为10-15分钟。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述的硅掺杂碳量子点的粒径为3.88±0.30 nm，晶格纹间距为0.21 nm。

6.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，Cu²⁺线性检测范围分别为0-120 μM，检测限为8.56 nM。