生物成像探針和氧還原催化劑的材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于催化材料技術領域，具體涉及一種生物成像探針和氧還原催化劑的材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]2008年，下村修等人因為發現熒光蛋白的細胞標記作用而獲得了諾貝爾化學獎。近年來，人們發現有非常多的量子點可以替代熒光蛋白作為生物領域細胞成像的標記物。相比于熒光蛋白，量子點具有更小的粒徑，從而更加容易進入到細胞中。然而傳統具有熒光作用的量子點多為無機物，其一般含有鎘等有毒金屬，因而對于細胞以及生物體的毒害作用非常大。隨著科學研宄的發展，人們逐漸制備得到了一些主體為碳的量子點，相比于無機量子點，這類碳量子點制備方法非常簡單，其具有非常小的細胞毒性，而且也非常容易進入到細胞中。例如，《德國應用化學》(Angewandte Chemie Internat1nal Edit1n2013，52，8151)和《先進材料》(Advanced Materials 2014，24，2037)就報道了使用一些自然界常見的有機物如草、蠶繭等物質通過水熱的方法就能得到熒光非常強的碳量子點。而《美國化學會志》(Journal of American Chemistry Society 2009, 131, 11308)則證明了了碳量子點可以直接用于活體標記，而且具有非常好的生物相容性和細胞標記效果。然而，這些方法在得到量子點的同時，往往會有大量的碳顆粒產生，因而制備效率并不是很高，而且提取過程復雜。《顆粒與顆粒物系統性質》(Particle and Particle SystemCharacterizat1n 2014, 32, 176 )就報道了可以在反應中加入一定量的雙氧水來部分解決這一問題，但是效果也不是特別好。本發明就巧妙地利用溶劑在加熱過程中的自聚合以及溶劑熱切割的方法，非常方便地制備得到了非常均勻的碳量子點，而且反應過程中沒有任何的副產物產生。制備得到的碳量子點具有非常強的熒光和非常優異的細胞標記效果O
[0003]另一方面，化石能源地廣泛地使用不僅造成能源的短缺也帶來了非常嚴重的環境污染問題。如何提高能源的利用效率以減少能源在利用過程中產生的污染成為了人們非常關注的問題。到目前為止，除了積極開發新能源外，燃料電池成為了人們研宄的熱點。燃料電池可以使用新能源一一氫氣來取代傳統的化石燃料，而且對于能源的轉化效率非常高，理論上能達到85 %以上，因而燃料電池被認為是以后的生活中非常有前途的能源裝置。在燃料電池中，最為關鍵的是氧氣還原過程，這個過程必須要在催化劑的存在下才能順利發生，傳統的氧還原反應催化劑是基于金屬鉑的。金屬鉑價格昂貴而且抗污染能力以及使用壽命都很差，這就造成了燃料電池的成本比較高。最近，人們發現含有雜原子摻雜的碳材料對于氧還原催化具有非常好的效果。例如，《美國化學會志》(Journal of AmericanChemistry Society 2012, 134, 15)和《化學簡訊》(Chemical Communicat1n 2012, 48,9367)就報道了含有氮摻雜的石墨烯和碳量子點對于氧還原反應都有非常強的催化作用。但是比較遺憾的是，這些催化劑的催化能力相比于金屬鉑還是有些差距。本發明的另一部分就巧妙地將溶劑制備得到的含氮量非常高的量子點通過高溫進一步碳化將氮原子穩定地摻雜到碳材料中，制備得到非常高效的氧還原催化劑。實驗結果表明這些催化劑具有非常好的氧還原反應催化性能，其性能優于商業化的金屬鉑催化劑。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種催化性能優異的氧還原催化劑和標記性能高效的生物成像探針的材料及其制備方法。
[0005]本發明提供的生物成像探針和氧還原催化劑的材料的制備方法，其步驟為:
(1)將30-50mL溶劑置于50-100 mL圓底燒瓶中，加熱到90-200。。，持續3-72小時，形成含氮的碳量子點分散液；
(2)將制備得到的含氮的碳量子點分散液置于去離子水中透析2-3天，然后用液氮冷凍，最后置于冷凍干燥機中干燥3-5天，得到量子點干燥粉末成品；
(3)取0.5-1.5 g量子點粉末置于管式爐中，通入氬氣，然后在氬氣環境中，加熱到500~1100°C，持續1-6小時，最后在氬氣環境中冷卻，即得到最終的材料。
[0006]本發明中，所述的溶劑為N-甲基吡咯烷酮，2-吡咯烷酮，I, 3- 二甲基-2-咪唑啉酮中的一種，或其中幾種的混合物。
[0007]本發明方法制備的材料，可用作生物成像探針和氧還原催化劑。本發明通過直接加熱溶劑的方法將溶劑分子自聚合后碳化切割得到碳量子點作為高效的生物成像探針；通過在管式爐中加熱進一步碳化后得到性能優異的氧還原催化劑，這個過程不僅能提高催化劑的電子傳導效率，還能增加碳材料中石墨化氮的含量，并最終提高該種材料在氧還原中的催化活性。
[0008]本發明操作過程方便，制備條件簡單，生產成本較低，易于批量化生產；且普適性強，可適用于氧還原反應催化劑以及生物成像探針領域，具有廣闊的工業化應用前景。
【附圖說明】
[0009]圖1.使用N-甲基吡咯烷酮制備得到的碳量子點的透射電鏡圖片。
[0010]圖2.使用N-甲基吡咯烷酮制備得到的碳量子點的高溫碳化后得到的產物的照片。
[0011]圖3.使用N-甲基吡咯烷酮制備得到的碳量子點的高溫碳化后得到的產物的透射電鏡圖片。
[0012]圖4.使用N-甲基吡咯烷酮制備得到的碳量子點的細胞熒光標記的暗場(a)和明場(b)圖。
[0013]圖5.使用N-甲基吡咯烷酮制備得到的碳量子點的高溫碳化后得到的產物和金屬鉑的氧還原反應的催化性能圖。
[0014]圖6.使用1，3-二甲基-2-咪唑啉酮制備得到的碳量子點的透射電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0015]以下通過實施例進一步詳細說明本發明生物成像探針和氧還原催化劑的材料的制備方法及其催化氧還原反應和生物熒光成像中的性能。然而，該實施例僅僅是作為提供說明而不是限定本發明。
[0016]實施例1
取30 mL N-甲基吡咯烷酮置于50 mL的圓底燒瓶中，加熱到200°C持續3小時。反應完成后冷卻，取出產物，置于水中透析3天以除去溶劑。最后將產物置于液氮中冷凍，再使用冷凍干燥機凍干3天得到量子點粉末。
[0017]取0.5 g量子點粉末置于管式爐中，在氬氣保護下加熱到800°C，持續2小時，