一種熒光碳量子點的制備方法及其應用
【專利摘要】本發明提供一種熒光碳量子點的制備方法及應用，以天然的菠菜作為原料，利用一步法在水熱條件下合成了光學性能優良的熒光碳量子點，在紫外光源下呈藍光發射，熒光碳量子點的量子效率為53%，并且長期久放而不產生沉淀，熒光不易漂白，可持續6個月以上，可以用作熒光墨水，此外，我們合成的熒光碳量子點的合成方法是簡單的一次性綠色合成路線不需要任何的表面鈍化劑，因此，本發明提供的方法具備成本低、合成方法簡單、易操作的特點。利用菠菜制備的碳量子點溶液作為熒光墨水使用是一種操作既簡單又環保的方法，同時碳量子點也可作為熒光成像材料，用于細胞熒光成像。
【專利說明】
一種熒光碳量子點的制備方法及其應用
技術領域
[0001]本發明屬于納米應用技術領域，具體涉及一種熒光碳量子點的合成方法及應用。
【背景技術】
[0002]納米碳點，也稱為碳量子點(C-Dots)，是一類尺寸小于10 nm的新型碳納米材料，于2004年通過電泳法凈化單層碳納米管時首次發現。由于其原材料資源豐富和廉價，且優異的水溶性，化學惰性，低毒性，易官能團化和抗光漂白能力，碳點逐漸成為碳納米材料家族中的一顆新星。碳通常被認為是一種黑色材料，且熒光較弱。而碳點之所以能夠吸引廣泛的關注的原因就在于它具有很強的熒光性質，因此又稱之為熒光碳點。我們知道碳元素是地球和宇宙中含量較為豐富的元素，重要的是地球上的生命都是以碳元素為基礎的，所以碳的納米材料與其它元素的納米材料相比，對生物體的毒性要低很多，生物安全性也較高，基本不會帶來環境問題。
[0003]在近幾年中，己經有很多量子點的合成方法，并且在量子點的特性和應用方面有了很大的進展。由于熒光碳量子點的發射波長和激發波長光譜連續且寬，可通過改變碳點的大小來諧調發射波長和激發波長，具有很好的抗耐光漂白性、化學性質穩定等優勢的熒光特性它被廣泛的應用在分析檢測、光催化、光電轉換、生物成像等多個領域。與傳統的半導體量子點和有機染料相比，熒光碳點具有更好的水溶性、耐光漂白性、低毒、生物相容性等等。因此它可以被應用在生物標記、檢測等領域，如Chang等[Hsu P C，Shih Z Y, Lee CH， et al.Synthesis and analytical applicat1ns of photoluminescent carbonnanodots[J].Green Chem., 2012，14，917-920.]將制備的碳量子點作用于LLC-PK1 細胞，測試了其用于細胞成像的實用aCao等[Cao L，Wang X，M.Meziani J，et al.Carbon dots for multiphoton b1imaging[J].J.Am.Chem.Soc., 2007，129，11318-11319.]將PPE1-m鈍化的碳量子點成功應用于人體乳腺癌MCF-7細胞的細胞成像備碳量子點的方法有很多，如電化學合成法，Zhou等[Zhou J Q Booker C，Li R Y，etal.An electrochemical avenue to blue luminescent nanocrystals frommultiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) [J]， J.Am.Chem.Soc., 2007， 129 (4)，PP 744-745]選取四丁銨高氯酸鹽乙腈溶液為電解質溶液，以納米碳管為電極，制備出的碳點發出藍色熒光，熒光較強，粒徑大約2.8 nm ±0.5 nm，熒光光量子產率為6.4%。激光消融制備法，Li等[Haitao Li，Xiaodie He，Yang Liuj Hang Yuj Zhenhui Kang, Shuit-Tong Lee, Synfliesis of fluorescent carbon nanopartides direcdyfrm activecaibon via a ultrasonic treatmait[J].Mater.Res.Bull.2011，46，147-151.]用超聲法處理了納米碳粉，然后將處理后的顆粒放于常見溶劑中，比如:水、乙醇。最終會得到的黑色懸浮溶液，無需鈍化試劑直接用激光照射，得到熒光碳點。水熱合成法，Pan等[PanD，Zhang J.Li Z.et al.Hvdrotheimal route for cutting graphene sheets intoblue-luminescent graphene quantum dots [J].Adv.Mater..2010， 22， 734-738.]將氧化石墨稀加入到NaOH和水的混合溶液中，最后將溶液放入反應釜中加熱，從而得到能發出藍色熒光的碳量子點，粒徑為5-13 nm，它的量子產率為6.9%。還有模板法等等很多的方法，但這些方法不是操作復雜就是需要較為昂貴的材料或是儀器并且得到的碳量子點熒光量子效率較低。本發明介紹一種簡單，高效的合成碳量子點的方法，操作簡單，原材料便宜又環保就是以菠菜為碳源，采用水熱法一步加熱制備碳量子點。值得注意的是這里僅使用純水作為溶劑，不需要其它酸、堿性溶液等，因此制備的碳點省去了很多苛刻的實驗條件和復雜的實驗過程，以及繁瑣的提純過程。這種方法得到的量子點粒徑在2-6 nm，具有很好的單一分散性和良好的水溶性，在330 nm的可見光激發下可發出405 nm的光，熒光發射強度也較強，并且量子產率大約為53%，蘸取碳點寫字，字跡在紫外光源下呈現清晰的熒光字跡，可用作熒光墨水;也可用于細胞成像領域。
[0004]
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種碳量子點的制備方法及應用。采用天然的菠菜作為原料，利用水熱法制備熒光碳點，將得到的熒光碳點作為熒光墨水應用，具有清晰的效果，并能長時間保存，熒光碳量子點還可以作為熒光標記物用于細胞熒光成像。
[0006]
一種熒光碳量子點制備方法，其特征在于包括以下步驟:
首先將3-10 g菠菜搗碎，加入20-25 mL的去離子水混合后放入高壓釜中進行加熱到180°C_200°C持續10-24 h，待反應結束后，自然冷卻至室溫，靜置沉淀，去除大的殘留物質后再用0.22 Mi的過濾膜進行過濾得到較為純凈的碳量子點溶液。
[0007]所制得的碳量子點在紫外光源下呈現藍光發射，測其熒光光譜，在330nm的波長下激發，熒光碳量子點在405 nm有強的發射峰，所制得的碳量子點的熒光發射隨濃度的變化而變化(如圖1所示)，圖A表示將溶液分別稀釋5到60倍后在Ex=360 nm處的熒光發射譜圖，圖B表示將溶液稀釋5到60倍后在Ex=390 nm處的熒光發射譜圖，其熒光光譜圖都是隨著濃度的減小，熒光強度呈現先增大后減小的趨勢，圖C對應為日光燈下和紫外燈下不同濃度的碳量子點溶液照片，從熒光照片可看到碳量子點呈現出強的藍光發射(附圖1)。所述熒光碳量子點的粒子直徑大小為2-6 nm，晶格間距為0.34 nm (附圖2)，對應于石墨的(002)晶面;充分證明碳納米量子點的成份是碳元素(附圖2)。
[0008]碳量點熒光發射峰位置和強度也具有激發波長相關性，即隨著激發波長的改變，發射峰也發生相應的改變，并伴隨著強度的變化。將激發波長由290 nm增加到430 nm，發射波長逐漸紅移，同時強度先增大后減小(附圖3)。由菠菜制備的碳量子點熒光量子效率為53%，這比之前報道的碳量子點的熒光量子產率要較高一些，在激發波長為370 nm時測得熒光衰減曲線，通過擬合熒光衰減曲線可以得到碳量子點的平均熒光壽命值為6.51 ns (附圖4)；
焚光碳量子點的應用:
1、用作熒光墨水
所述合成熒光碳量子點的方法，可用作制備熒光墨水，應用于熒光噴墨打印、鋼筆水手寫等方面。我們用制備的碳量子點溶液作為熒光墨水在沒有熒光的試紙上寫上“HRBNU”，每隔一段時間拍攝一次，發現熒光的強度并沒有發生明顯的變化(附圖5)。于是我們將碳量子點溶液吸到鋼筆中作為鋼筆水使用(如圖6所示)，A B圖表示墨水與碳量子點溶液比為1:8-1: 15混合后，使用鋼筆寫字放在日光燈下與紫外燈下的照片，C D圖為只用碳量子點溶液作為鋼筆水寫字后在日光燈下與紫外燈下的照片。進一步的將不同濃度的碳點墨水裝入噴墨打印機的墨盒中，并將電腦與打印機相連即可進行熒光打印。這些特性表明，菠菜制備的熒光碳量子點可以作為新型的熒光墨水，應用于信息的存儲、加密、防偽、照明顯示、傳感等多種領域。并且基于碳量子點的熒光墨水具有成本低，方法簡單、綠色環保等特點，方便大規模的生產，具有重要的市場應用價值。
[0009]2、用于細胞熒光成像
細胞培養及細胞毒理學實驗:肺癌細胞(A549)待細胞生長至50-60%時，受試物處理，將處理后的細胞培養24 h后，每孔加入20 yL MTT(5 mg/mL)，37°C孵育4 h，棄去上清液，每孔加入150 yL DMSO，室溫下振蕩儀振蕩10 min，用酶標儀讀數儀測定光吸光度值(A值)，測定波長570 nm，參照波長為630 nm，每個實驗設復孔8個。利用碳量子點進行細胞毒性分析(MTT)測試，測試出碳量子點進行細胞成像的最佳濃度，以最佳的碳量子點的濃度與人肺癌細胞(A549)細胞共培養進行熒光成像實驗。
[0010]根據圖7(A)我們可以觀察到將不同濃度(0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL)的碳量子點與A549細胞培養24 h，完成培養之后，進行A549細胞的生存能力測試，其細胞的生存能力均較強，說明碳量子點對細胞的毒性較低，與其他生物探針相比較，碳量子點有著很好的細胞相容性，說明該熒光碳量子點無毒性，圖7(B)是熒光碳量子點用作細胞成像的熒光圖。
[0011]
有益效果:
1、本發明提供了熒光碳量子點制備方法，制得的熒光碳量子點具有強的藍光發射，并且可用作熒光墨水。
[0012]2、本發明易制備和保存;在4° C條件下可保存8?15個月不發生變化。
[0013]3、本發明所用試劑和操作過程均無毒副作用。
[0014]4、本發明方法簡單、快速、易操作、實用性強。
【附圖說明】
[0015]下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明:
附圖1是不同濃度碳量子點的熒光光譜圖；
附圖2是碳量子點的高分辨率透射電鏡照片；
附圖3是不同激發條件下碳量子點的發射光譜圖；
附圖4是熒光碳量子點的熒光衰退曲線和擬合曲線；
附圖5是熒光碳量子點作為熒光墨水的應用，A B C D四張圖片分別于2015年12月、2016年I月、2016年2月、2016年3月進行拍攝；
附圖6是熒光碳量子點作為鋼筆水的實際應用，A B分別為混合墨水后在日光燈下和紫外燈下的字跡照片;C D為只用碳量子點溶液作為墨水在日光燈下和紫外燈下的字跡照片；附圖7(厶)不同濃度(0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL)的碳量子點的24 h體外細胞存活率的考察，采用A549細胞對碳量子點的細胞毒性進行評估；(B)細胞成像熒光圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。
[0017]1、一種基于碳量子點熒光墨水的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
首先將3 g菠菜搗碎，加入20 mL的去離子水混合后放入高壓釜中進行加熱到180°C持續10 h，待反應結束后，自然冷卻至室溫，靜置沉淀，去除大的殘留物質后再用0.22 μπι的過濾膜進行過濾得到較為純凈的碳量子點溶液。
[0018]2、一種基于碳量子點熒光墨水的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
首先將10 g菠菜搗碎，加入25 mL的去離子水混合后放入高壓釜中進行加熱到200°C持續24 h，待反應結束后，自然冷卻至室溫，靜置沉淀，去除大的殘留物質后再用0.22 μπι的過濾膜進行過濾得到較為純凈的碳量子點溶液。
[0019]所制得的碳量子點在紫外光源下呈現藍光發射，其熒光光譜隨著濃度的減小，熒光強度是先增大后減小的趨勢(附圖1)，所述熒光碳量子點的粒子直徑大小為2-6 nm，晶格間距為0.34 nm (附圖2)。
[0020]2、所述合成熒光碳量子點可用作制備熒光墨水。我們用制備的碳量子點溶液作為熒光墨水在沒有熒光的試紙上寫上“HRBNU”，每隔一個月拍攝一次，發現熒光的強度并沒有發生減弱(附圖5)。于是我們將碳量子點溶液吸到鋼筆中作為鋼筆水使用(如圖6所示)，A，B圖表示墨水與碳量子點溶液比為1: 8-1: 15混合后，使用鋼筆寫字放在日光燈下與紫外燈下的照片，C，D圖為碳量子點溶液作為墨水寫字后放在在日光燈下與紫外燈下拍攝的照片。這些特性表明，菠菜制備的熒光碳量子點可以作為新型的熒光墨水，應用于信息的存儲、加密、防偽、照明顯示、傳感等多種領域。
[0021]3、所述合成熒光碳量子點用于細胞熒光成像
細胞培養及細胞毒理學實驗:肺癌細胞(A549)待細胞生長至50-60%時，受試物處理，將處理后的細胞培養24 h后，每孔加入20 yL MTT(5 mg/mL)，37°C孵育4 h，棄去上清液，每孔加入150 yL DMSO，室溫下振蕩儀振蕩10 min，用酶標儀讀數儀測定光吸光度值(A值)，測定波長570 nm，參照波長為630 nm，每個實驗設復孔8個。利用碳量子點進行細胞毒性分析(MTT)測試，測試出碳量子點進行細胞成像的最佳濃度，以最佳的碳量子點的濃度與人肺癌細胞(A549)細胞共培養進行熒光成像實驗。
[0022]根據圖7(A)我們可以觀察到將不同濃度(0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL)的碳量子點與A549細胞培養24 h，完成培養之后，進行A549細胞的生存能力測試，其細胞的生存能力均較強，說明碳量子點對細胞的毒性較低，與其他生物探針相比較，碳量子點有著很好的細胞相容性。圖7(B)是細胞成像的熒光圖。
【主權項】
1.一種熒光碳量子點的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 將3-10 g菠菜搗碎，加入20-25 mL的去離子水混合后放入高壓釜中進行加熱到180°c-200°C，持續10-24 h，待反應結束后，自然冷卻至室溫，靜置沉淀，去除大的殘留物質后再用0.22 Mi的過濾膜進行過濾得到較為純凈的碳量子點溶液。2.—種熒光碳量子點的應用，其特征在于所述熒光碳量子點溶液用作熒光墨水在試紙上寫字，在紫外光源下，呈現清晰的字跡，并能持續保存12個月以上，應用于信息的存儲和加密，還能夠作為熒光成像材料，用于細胞熒光成像。
【文檔編號】G01N21/64GK105905884SQ201610254868
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月23日
【發明人】柴芳
【申請人】哈爾濱師范大學