CN105905884A

CN105905884A - 一种荧光碳量子点的制备方法及其应用

Info

Publication number: CN105905884A
Application number: CN201610254868.3A
Authority: CN
Inventors: 柴芳
Original assignee: Harbin Normal University
Current assignee: Harbin Normal University
Priority date: 2016-04-23
Filing date: 2016-04-23
Publication date: 2016-08-31

Abstract

本发明提供一种荧光碳量子点的制备方法及应用，以天然的菠菜作为原料，利用一步法在水热条件下合成了光学性能优良的荧光碳量子点，在紫外光源下呈蓝光发射，荧光碳量子点的量子效率为53%，并且长期久放而不产生沉淀，荧光不易漂白，可持续6个月以上，可以用作荧光墨水，此外，我们合成的荧光碳量子点的合成方法是简单的一次性绿色合成路线不需要任何的表面钝化剂，因此，本发明提供的方法具备成本低、合成方法简单、易操作的特点。利用菠菜制备的碳量子点溶液作为荧光墨水使用是一种操作既简单又环保的方法，同时碳量子点也可作为荧光成像材料，用于细胞荧光成像。

Description

一种荧光碳量子点的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于纳米应用技术领域，具体涉及一种荧光碳量子点的合成方法及应用。

背景技术

纳米碳点，也称为碳量子点(C-Dots)，是一类尺寸小于10 nm的新型碳纳米材料，于2004年通过电泳法净化单层碳纳米管时首次发现。由于其原材料资源丰富和廉价，且优异的水溶性，化学惰性，低毒性，易官能团化和抗光漂白能力，碳点逐渐成为碳纳米材料家族中的一颗新星。碳通常被认为是一种黑色材料，且荧光较弱。而碳点之所以能够吸引广泛的关注的原因就在于它具有很强的荧光性质，因此又称之为荧光碳点。我们知道碳元素是地球和宇宙中含量较为丰富的元素，重要的是地球上的生命都是以碳元素为基础的，所以碳的纳米材料与其它元素的纳米材料相比，对生物体的毒性要低很多，生物安全性也较高，基本不会带来环境问题。

在近几年中，己经有很多量子点的合成方法，并且在量子点的特性和应用方面有了很大的进展。由于荧光碳量子点的发射波长和激发波长光谱连续且宽，可通过改变碳点的大小来谐调发射波长和激发波长，具有很好的抗耐光漂白性、化学性质稳定等优势的荧光特性它被广泛的应用在分析检测、光催化、光电转换、生物成像等多个领域。与传统的半导体量子点和有机染料相比，荧光碳点具有更好的水溶性、耐光漂白性、低毒、生物相容性等等。因此它可以被应用在生物标记、检测等领域，如Chang等[Hsu P C, Shih Z Y, Lee CH, et al. Synthesis and analytical applications of photoluminescent carbonnanodots[J]. Green Chem., 2012, 14, 917-920.]将制备的碳量子点作用于LLC-PK1细胞，测试了其用于细胞成像的实用。Cao等[Cao L, Wang X, M. Meziani J, et al.Carbon dots for multiphoton bioimaging[J]. J.Am. Chem. Soc., 2007, 129,11318-11319.]将PPEI-m钝化的碳量子点成功应用于人体乳腺癌MCF-7细胞的细胞成像。制备碳量子点的方法有很多，如电化学合成法，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]选取四丁铵高氯酸盐乙腈溶液为电解质溶液，以纳米碳管为电极，制备出的碳点发出蓝色荧光，荧光较强，粒径大约2.8 nm ±0.5 nm，荧光光量子产率为 6.4%。激光消融制备法，Li等[Haitao Li, Xiaodie He, Yang Liu, Hang Yu, Zhenhui Kang, Shuit-Tong Lee, Synfliesis of fluorescent carbon nanopartides direcdyfrm activecaibon via a ultrasonic treatmait[J]. Mater. Res. Bull. 2011, 46, 147-151.]用超声法处理了纳米碳粉，然后将处理后的颗粒放于常见溶剂中，比如：水、乙醇。最终会得到的黑色悬浮溶液，无需钝化试剂直接用激光照射，得到荧光碳点。水热合成法，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.]将氧化石墨稀加入到NaOH和水的混合溶液中，最后将溶液放入反应釜中加热，从而得到能发出蓝色荧光的碳量子点，粒径为5-13 nm，它的量子产率为6.9%。还有模板法等等很多的方法，但这些方法不是操作复杂就是需要较为昂贵的材料或是仪器并且得到的碳量子点荧光量子效率较低。本发明介绍一种简单，高效的合成碳量子点的方法，操作简单，原材料便宜又环保就是以菠菜为碳源，采用水热法一步加热制备碳量子点。值得注意的是这里仅使用纯水作为溶剂，不需要其它酸、碱性溶液等，因此制备的碳点省去了很多苛刻的实验条件和复杂的实验过程，以及繁琐的提纯过程。这种方法得到的量子点粒径在2-6 nm，具有很好的单一分散性和良好的水溶性，在330 nm的可见光激发下可发出405 nm的光，荧光发射强度也较强，并且量子产率大约为53%，蘸取碳点写字，字迹在紫外光源下呈现清晰的荧光字迹，可用作荧光墨水；也可用于细胞成像领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳量子点的制备方法及应用。采用天然的菠菜作为原料，利用水热法制备荧光碳点，将得到的荧光碳点作为荧光墨水应用，具有清晰的效果，并能长时间保存，荧光碳量子点还可以作为荧光标记物用于细胞荧光成像。

一种荧光碳量子点制备方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将3-10 g菠菜捣碎，加入20-25 mL的去离子水混合后放入高压釜中进行加热到180℃-200℃持续10-24 h，待反应结束后，自然冷却至室温，静置沉淀，去除大的残留物质后再用0.22 μm的过滤膜进行过滤得到较为纯净的碳量子点溶液。

所制得的碳量子点在紫外光源下呈现蓝光发射，测其荧光光谱，在330 nm的波长下激发，荧光碳量子点在405 nm有强的发射峰，所制得的碳量子点的荧光发射随浓度的变化而变化（如图1所示），图A表示将溶液分别稀释5到60倍后在Ex=360 nm处的荧光发射谱图，图B表示将溶液稀释5到60倍后在Ex=390 nm处的荧光发射谱图，其荧光光谱图都是随着浓度的减小，荧光强度呈现先增大后减小的趋势，图C对应为日光灯下和紫外灯下不同浓度的碳量子点溶液照片，从荧光照片可看到碳量子点呈现出强的蓝光发射（附图1）。所述荧光碳量子点的粒子直径大小为2-6 nm，晶格间距为0.34 nm (附图2)，对应于石墨的（002）晶面；充分证明碳纳米量子点的成份是碳元素(附图2)。

碳量点荧光发射峰位置和强度也具有激发波长相关性，即随着激发波长的改变，发射峰也发生相应的改变，并伴随着强度的变化。将激发波长由290 nm增加到430 nm，发射波长逐渐红移，同时强度先增大后减小（附图3）。由菠菜制备的碳量子点荧光量子效率为53%，这比之前报道的碳量子点的荧光量子产率要较高一些，在激发波长为370 nm时测得荧光衰减曲线，通过拟合荧光衰减曲线可以得到碳量子点的平均荧光寿命值为6.51 ns (附图4)；

荧光碳量子点的应用：

1、用作荧光墨水

所述合成荧光碳量子点的方法，可用作制备荧光墨水，应用于荧光喷墨打印、钢笔水手写等方面。我们用制备的碳量子点溶液作为荧光墨水在没有荧光的试纸上写上“HRBNU”，每隔一段时间拍摄一次，发现荧光的强度并没有发生明显的变化（附图5）。于是我们将碳量子点溶液吸到钢笔中作为钢笔水使用（如图6所示），A B图表示墨水与碳量子点溶液比为1:8-1: 15混合后，使用钢笔写字放在日光灯下与紫外灯下的照片，C D图为只用碳量子点溶液作为钢笔水写字后在日光灯下与紫外灯下的照片。进一步的将不同浓度的碳点墨水装入喷墨打印机的墨盒中，并将电脑与打印机相连即可进行荧光打印。这些特性表明，菠菜制备的荧光碳量子点可以作为新型的荧光墨水，应用于信息的存储、加密、防伪、照明显示、传感等多种领域。并且基于碳量子点的荧光墨水具有成本低，方法简单、绿色环保等特点，方便大规模的生产，具有重要的市场应用价值。

2、用于细胞荧光成像

细胞培养及细胞毒理学实验：肺癌细胞（A549）待细胞生长至50-60%时，受试物处理，将处理后的细胞培养24 h后，每孔加入20 μL MTT（5 mg/mL），37℃孵育4 h，弃去上清液，每孔加入150 μL DMSO，室温下振荡仪振荡10 min，用酶标仪读数仪测定光吸光度值（A值），测定波长570 nm，参照波长为630 nm，每个实验设复孔8个。利用碳量子点进行细胞毒性分析（MTT）测试，测试出碳量子点进行细胞成像的最佳浓度，以最佳的碳量子点的浓度与人肺癌细胞（A549）细胞共培养进行荧光成像实验。

根据图7（A）我们可以观察到将不同浓度（0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL）的碳量子点与A549细胞培养24 h，完成培养之后，进行A549细胞的生存能力测试，其细胞的生存能力均较强，说明碳量子点对细胞的毒性较低，与其他生物探针相比较，碳量子点有着很好的细胞相容性，说明该荧光碳量子点无毒性，图7（B）是荧光碳量子点用作细胞成像的荧光图。

有益效果：

1、本发明提供了荧光碳量子点制备方法，制得的荧光碳量子点具有强的蓝光发射，并且可用作荧光墨水。

2、本发明易制备和保存；在4°C条件下可保存8～15个月不发生变化。

3、本发明所用试剂和操作过程均无毒副作用。

4、本发明方法简单、快速、易操作、实用性强。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图1是不同浓度碳量子点的荧光光谱图；

附图2是碳量子点的高分辨率透射电镜照片；

附图3是不同激发条件下碳量子点的发射光谱图；

附图4是荧光碳量子点的荧光衰退曲线和拟合曲线；

附图5是荧光碳量子点作为荧光墨水的应用，A B C D四张图片分别于2015年12月、2016年1月、2016年2月、2016年3月进行拍摄；

附图6是荧光碳量子点作为钢笔水的实际应用，A B分别为混合墨水后在日光灯下和紫外灯下的字迹照片；C D为只用碳量子点溶液作为墨水在日光灯下和紫外灯下的字迹照片；

附图7（A）不同浓度（0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL）的碳量子点的24 h体外细胞存活率的考察，采用A549细胞对碳量子点的细胞毒性进行评估；（B）细胞成像荧光图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

1、一种基于碳量子点荧光墨水的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将3 g菠菜捣碎，加入20 mL的去离子水混合后放入高压釜中进行加热到180℃持续10 h，待反应结束后，自然冷却至室温，静置沉淀，去除大的残留物质后再用0.22 μm的过滤膜进行过滤得到较为纯净的碳量子点溶液。

2、一种基于碳量子点荧光墨水的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

首先将10 g菠菜捣碎，加入25 mL的去离子水混合后放入高压釜中进行加热到200℃持续24 h，待反应结束后，自然冷却至室温，静置沉淀，去除大的残留物质后再用0.22 μm的过滤膜进行过滤得到较为纯净的碳量子点溶液。

所制得的碳量子点在紫外光源下呈现蓝光发射，其荧光光谱随着浓度的减小，荧光强度是先增大后减小的趋势（附图1），所述荧光碳量子点的粒子直径大小为2-6 nm，晶格间距为0.34 nm (附图2)。

2、所述合成荧光碳量子点可用作制备荧光墨水。我们用制备的碳量子点溶液作为荧光墨水在没有荧光的试纸上写上“HRBNU”，每隔一个月拍摄一次，发现荧光的强度并没有发生减弱（附图5）。于是我们将碳量子点溶液吸到钢笔中作为钢笔水使用（如图6所示），A，B图表示墨水与碳量子点溶液比为1: 8-1: 15混合后，使用钢笔写字放在日光灯下与紫外灯下的照片，C，D图为碳量子点溶液作为墨水写字后放在在日光灯下与紫外灯下拍摄的照片。这些特性表明，菠菜制备的荧光碳量子点可以作为新型的荧光墨水，应用于信息的存储、加密、防伪、照明显示、传感等多种领域。

3、所述合成荧光碳量子点用于细胞荧光成像

根据图7(A)我们可以观察到将不同浓度（0、0.013、0.016、0.020、0.027、0.040 g/mL）的碳量子点与A549细胞培养24 h，完成培养之后，进行A549细胞的生存能力测试，其细胞的生存能力均较强，说明碳量子点对细胞的毒性较低，与其他生物探针相比较，碳量子点有着很好的细胞相容性。图7(B)是细胞成像的荧光图。

Claims

1.一种荧光碳量子点的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

将3-10 g菠菜捣碎，加入20-25 mL的去离子水混合后放入高压釜中进行加热到180℃-200℃，持续10-24 h，待反应结束后，自然冷却至室温，静置沉淀，去除大的残留物质后再用0.22 μm的过滤膜进行过滤得到较为纯净的碳量子点溶液。

2.一种荧光碳量子点的应用，其特征在于所述荧光碳量子点溶液用作荧光墨水在试纸上写字，在紫外光源下，呈现清晰的字迹，并能持续保存12个月以上，应用于信息的存储和加密，还能够作为荧光成像材料，用于细胞荧光成像。