CN110079309A - 一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取鲫鱼鳞粉末溶于水溶液中，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；将鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于150~220℃反应6~27h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，进行旋转蒸发得到浓缩溶液，再进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。本发明所制得的蓝色发光碳量子点不需要纯化分离，荧光量子产率较高，在最优条件下可达到6.9%，且其合成过程采用纯天然的碳源，扩大了荧光碳量子点在各个领域中的应用。

Description

一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法
技术领域
本发明属于碳纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法。
背景技术
目前全球能源短缺，环境恶化日益严重，开发可靠的、可持续的高效绿色能源迫在眉睫。自然界各种各样的生物质废料经过简单的处理就可以制备活性碳材料。基于生物质前驱体的碳材料已引起了人们的广泛关注。碳量子点是一种新型荧光碳纳米材料，它是一种近似球型并且直径小于10nm的零维半导体纳米晶体。近十几年来在生物成像、药物传输、纳米传感、光电子和光催化均有广泛的应用。由于碳量子点具有卓越的水溶性、光稳定性和良好的生物相容性等特点，并且价廉易于规模化合成。因此，碳量子点能够成为一种新型的可供选择的荧光纳米探针。荧光探针具有灵敏度高、响应速度快、选择性好等优点，能够对分析物进行定量检测。目前基于荧光探针检测的各种分析物质如金属离子、药物小分子以及生物大分子等，有的检测通过给体-受体之间的光致电子转移使荧光被强烈的猝灭，有的体系通过识别竞争反应来控制荧光的增强和减弱，有的用一种可逆的荧光开关的方式进行检测。荧光小分子通常会面对合成的困难和细胞毒性两方面难题。因此，寻找易于获得的、可靠的荧光探针进行分析检测是十分必要的。
碳量子点的制备方法大致分为“自上而下”（top-down）和“自下而上”（bottom-up）两种。前者主要是分解大的碳结构，比如石墨、碳纳米管和碳纳米纤维等，分解方法包括物理学方法、化学方法，电化学方法等。而自下而上的方法则是通过像有机物和聚合物等小分子前驱体聚合而成，方法为水热碳化、氧化聚合作用、微波辅助法、超声法等。探索利用环保、绿色、廉价易得的前驱物，采用简单有效的实验方法制备具有荧光性能的碳量子点十分必要。鱼鳞通常被刮下来当废弃物直接扔掉，是一种很常见的生物质废料，可以作为一种廉价易得的前驱体制备碳量子点，本发明报道了以水产品废弃物作为碳源制备碳量子点的新方法，这种碳纳米材料作为荧光探针在分析检测方面可能会有良好的性能和广泛的应用，因此具有重大的意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种制备简单、荧光性能优异、细胞毒性小且适宜于规模化生产的蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，该方法以廉价易得的原料鲫鱼鳞作为碳源，以水作为溶剂，一步合成了蓝色发光碳量子点，并经过进一步证实该方法制得的高荧光量子产率的蓝色发光碳量子点的效果显著。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取鲫鱼鳞粉末溶于水溶液中，其中鲫鱼鳞粉末与水溶液的投料配比为0.01~10g:1mL，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；
步骤S2：将步骤S1得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于150~220℃反应6~27h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。
优选的，步骤S1中所述鲫鱼鳞粉末与水溶液的投料配比为0.04g:1mL，步骤S2中水热反应温度为200℃，水热反应时间为20h，在不同浓度的上述条件下制得的蓝色发光碳量子点的作用下，细胞均能保持较高的存活率，随着蓝色发光碳量子点浓度的增加，细胞存活率未产生显著性降低，在蓝色发光碳量子点浓度达到500μg/mL时，细胞存活率仍在90%以上，制得的蓝色发光碳量子点的细胞毒性低、生物相容性高，适用于体外细胞、体内组织以及生物活体中的荧光成像标记。
优选的，所述水溶液为去离子水或蒸馏水。
优选的，所述冷冻干燥的温度为-50℃。
本发明原料廉价易得，合成路线简单，合成条件温和可控，无需前处理和多步纯化等操作，无副产物；所制得的蓝色发光碳量子点不需要纯化分离，荧光量子产率较高，在最优条件下可达到6.9%，且其合成过程采用纯天然的碳源，扩大了荧光碳量子点在各个领域中的应用。
附图说明
图1是实施例1制得的蓝色发光碳量子点的透射电镜图；
图2是实施例1制得的蓝色发光碳量子点的傅里叶变换红外光谱图；
图3是实施例1制得的蓝色发光碳量子点的细胞存活率示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取0.8g鲫鱼鳞粉末溶于20mL蒸馏水中，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；将得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于200℃反应20h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液于-50℃进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度为566。
图3显示不同浓度的蓝色发光碳量子点下细胞存活率的柱状图，由图3可知，在不同浓度的蓝色发光碳量子点的作用下，细胞均能保持较高的存活率，随着蓝色发光碳量子点浓度的增加，细胞存活率未产生显著性降低，在蓝色发光碳量子点浓度达到500μg/mL时，细胞存活率仍在90%以上，说明本实施例制得的蓝色发光碳量子点的细胞毒性低、生物相容性高，适用于体外细胞、体内组织以及生物活体中的荧光成像标记。
实施例2
将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取0.8g鲫鱼鳞粉末溶于30mL蒸馏水中，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；将得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于200℃反应20h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液于-50℃进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度为472。
实施例3
将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取0.8g鲫鱼鳞粉末溶于40mL蒸馏水中，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；将得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于200℃反应20h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液于-50℃进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度为376。
实施例4
将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取0.8g鲫鱼鳞粉末溶于50mL蒸馏水中，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；将得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于200℃反应20h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液于-50℃进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度为320。
实施例5
分别取0.8g鲫鱼鳞粉末溶解于20mL蒸馏水，超声至固体完全溶解，然后将上述溶液转移至水热反应釜中于200℃分别加热5h、10h、15h、20h、25h和30h，反应结束后自然冷却得到6份深棕色溶液，将所得深棕色溶液离心去除大颗粒沉淀后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤制得碳量子点溶液，将碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液在-50℃条件下冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度结果如表1所示。
表1 不同加热时间对蓝色发光碳量子点合成的影响
水热反应时间（h） 5 10 15 20 25 30
荧光强度 420 467 500 566 580 585
由表1可知，当水热反应时间为20h时反应近乎完全，所合成的蓝色发光碳量子点的荧光强度最强；水热反应时间过短，碳化不完全，荧光强度较低，随着水热反应时间的延长，反应程度增加，荧光强度升高；随后再延长水热反应时间，蓝色发光碳量子点的荧光强度下降。
实施例6
分别取0.8g鲫鱼鳞粉末溶解于20mL蒸馏水，超声至固体完全溶解，然后将上述溶液转移至水热反应釜中依次于160℃、180℃、200℃和220℃加热20h，反应结束后自然冷却得到6份深棕色溶液，将所得深棕色溶液离心去除大颗粒沉淀后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤制得碳量子点溶液，将碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，将浓缩溶液在-50℃条件下冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。将所得的蓝色发光碳量子点配制成蓝色发光碳量子点溶液定容于10mL容量瓶，130ng mL-1用荧光分光光度计（FP-6500型荧光光谱仪，日本岛津公司）测定溶液的荧光强度为结果如表2所示。
表2 水热反应温度对蓝色发光碳量子点合成的影响
水热反应温度（℃） 160 180 200 220
荧光强度 438 520 566 541
由表2可知，当水热反应温度为200℃时，所合成的蓝色发光碳量子点的荧光强度达到最大；水热反应温度过低则碳化不完全，荧光强度较低。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (4)

1.一种蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，其特征在于具体步骤为：
步骤S1：将水产品废弃物鲫鱼鳞烘干、充分研磨，称取鲫鱼鳞粉末溶于水溶液中，其中鲫鱼鳞粉末与水溶液的投料配比为0.01~10g:1mL，超声至鲫鱼鳞粉末完全溶解形成均匀的鲫鱼鳞分散液；
步骤S2：将步骤S1得到的鲫鱼鳞分散液转移至水热反应釜中于150~220℃反应6~27h，反应结束后自然冷却至室温得到深棕色溶液，再将得到的深棕色溶液经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.2μm的滤膜抽滤得到蓝色发光碳量子点溶液，将蓝色发光碳量子点溶液进行旋转蒸发得到浓缩溶液，最后将浓缩溶液进行冷冻干燥得到粉末状蓝色发光碳量子点。
2.根据权利要求1所述的蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，其特征在于：步骤S1中所述鲫鱼鳞粉末与水溶液的投料配比为0.04g:1mL，步骤S2中水热反应温度为200℃，水热反应时间为20h，在不同浓度的上述条件下制得的蓝色发光碳量子点的作用下，细胞均能保持较高的存活率，随着蓝色发光碳量子点浓度的增加，细胞存活率未产生显著性降低，在蓝色发光碳量子点浓度达到500μg/mL时，细胞存活率仍在90%以上，制得的蓝色发光碳量子点的细胞毒性低、生物相容性高，适用于体外细胞、体内组织以及生物活体中的荧光成像标记。
3.根据权利要求1所述的蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，其特征在于：所述水溶液为去离子水或蒸馏水。
4.根据权利要求1所述的蓝色发光碳量子点的绿色合成方法，其特征在于：所述冷冻干燥的温度为-50℃。
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