本發(fā)明涉及發(fā)光納米材料，尤其涉及碳量子點，具體是一種氮摻雜的綠色熒光量子點及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

碳量子點作為一種新型的發(fā)光材料，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體量子點和有機(jī)染料相比，具有碳材料毒性小、生物相容性好等優(yōu)點，而且具有發(fā)光范圍可調(diào)，雙光子吸收截面大、熒光量子產(chǎn)率高、光穩(wěn)定性好、無光閃爍、易于功能化、價廉易于大規(guī)模合成等優(yōu)點，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其是在細(xì)胞、活體的動態(tài)示蹤和成像中的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的潛力，目前已經(jīng)受到關(guān)注。其作為準(zhǔn)零納米材料具有量子限域效應(yīng)、表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)等優(yōu)越性質(zhì)，使之在熒光探針生物檢測、生物傳感、生物分析、生物醫(yī)學(xué)、光電轉(zhuǎn)換及光催化等領(lǐng)域體現(xiàn)出重要的價值。

2004年，Scrivens等在純化由電弧放電法獲得的碳納米管粗產(chǎn)物時，無意中分離出一種熒光碳納米顆粒。2006年，Sun等采用激光消蝕石墨靶，粗產(chǎn)物經(jīng)濃硝酸處理后，再用聚乙二醇(PEG1500N)對其進(jìn)行表面鈍化，最終也獲得類似的熒光碳納米粒子。Sun等首次將其稱為“carbon dots”，即“碳量子點”。發(fā)展至今，研究者們已開發(fā)出諸多工藝來合成碳量子點。Baker等將所有碳量子點的合成工藝歸納為兩類：自上而下(Top-down)和自下而上(Bottom-up)。自上而下是指碳量子點從大尺寸的碳靶剝離或粉碎而形成的；自下而上則是指碳量子點是由分子先驅(qū)體制備。具體來講，自上而下的工藝主要包括電弧放電法、激光消蝕法和電化學(xué)法等，該類方法往往需要嚴(yán)格的實驗條件或特殊的能源，成本高獲得的碳量子點量子產(chǎn)率低而自下而上則包括燃燒法、熱解法、模板法、微波法、超聲波法等等。該方法用的原料是不可再生的能源且需要嚴(yán)格的后處理工藝。因此，尋找廉價易得、天然無毒的原料，利用簡單有效的方法快速合成光學(xué)性質(zhì)優(yōu)異的碳量子點顯得尤為重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高量子產(chǎn)率的熒光碳量子點，并建立一種操作簡單、設(shè)備簡易、原料低廉和綠色環(huán)保的制備方法；以及將所述的熒光碳量子點用于重金屬離子檢測，藥物分析和細(xì)胞成像。

本發(fā)明提供的一種高量子產(chǎn)率的熒光碳量子點的制備方法，包括如下步驟：

1)、將三乙烯四胺和鄰苯二酚置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海蚁┧陌放c鄰苯二酚的質(zhì)量比為45-150：110

2)、將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在180℃-220℃下反應(yīng)12-8h，待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

3)、將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N共摻雜的碳量子點。

所述的三乙烯四胺與鄰苯二酚的質(zhì)量比為49：110。

所述的水熱反應(yīng)溫度為200℃，反應(yīng)時間10h。

將上述方法制得的熒光碳量子點，F(xiàn)e³⁺與表面富含酚羥基的碳量子點作用，Ag⁺與表面富含氨基的碳點作用，發(fā)生非輻射電子轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致碳量子點熒光猝滅，可檢測水體中的Fe³⁺和Ag⁺。也可作為“開關(guān)開”型探針檢測抗壞血酸，還可用于細(xì)胞成像。

與現(xiàn)代技術(shù)相比本發(fā)明的優(yōu)點：

(1)本發(fā)明將三乙烯四胺和鄰苯二酚通過一步水熱法快速合成摻氮的碳量子點，操作簡單，不需要后續(xù)強(qiáng)酸處理或表面鈍化處理。

(2)原料鄰苯二酚和三乙烯四胺均為普通試劑，來源廣泛，價格便宜。

(3)生產(chǎn)設(shè)備是高壓反應(yīng)釜，操作簡單，合成的碳點粒徑均勻，單分散性好。

(4)碳量子點的量子產(chǎn)率高，以硫酸奎寧(量子產(chǎn)率54％)為參照，所得碳量子點得相對量子產(chǎn)率一般在8％～12％之間。

總之，本發(fā)明操作工藝簡單，原料來源廣泛，綠色保護(hù)價格便宜，制備條件要求低，所得氮摻雜的碳量子點光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熒光量子產(chǎn)率高，解決了現(xiàn)有碳量子點制備方法因工藝和原料限制而無法規(guī)模化生產(chǎn)且獲得碳量子點的熒光量子產(chǎn)率較低的問題，該碳量子點可應(yīng)用水體中的Fe³⁺和Ag⁺離子檢測，還可用于抗壞血酸檢測以及細(xì)胞成像等。

附圖說明

圖1為實施例1制備的熒光碳量子點的紫外吸收光譜及熒光發(fā)射光譜

圖2為實施例1制備的熒光碳量子點熒光發(fā)射曲線隨激發(fā)波長變化的光譜圖

圖3為實施例1制備的熒光碳量子點的紅外光譜圖，圖中橫坐標(biāo)為檢測波長，縱坐標(biāo)為透過率

圖4為實例1制備的熒光碳量子點的XPS光譜圖

圖5為實施例1制備的熒光碳量子點的透射電鏡圖(左側(cè))和粒徑分布圖(右側(cè))

圖6為Fe³⁺猝滅實施實例1制備的熒光碳量子點的熒光光譜圖

圖7為Ag⁺猝滅實施實例1制備的熒光碳量子點的熒光光譜圖

圖8為抗壞血酸恢復(fù)Fe³⁺猝滅后的實施實例1制備的碳量子點的熒光光譜圖

圖9為實施實例1制備的熒光碳量子點利用MTT法進(jìn)行的MCF-7(乳腺癌細(xì)胞)毒性測試

圖10為實施例1制備的熒光碳量子點標(biāo)記的MCF-7(乳腺癌細(xì)胞)激光共聚焦圖，圖中：(a)明場灰度圖；(b)為405nm激發(fā)下的暗場圖細(xì)胞呈藍(lán)色熒光；(c)為488nm激發(fā)下的暗場圖，細(xì)胞呈綠色熒光；(d)為561nm激發(fā)下的暗場圖，細(xì)胞呈紅色熒光)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本說明做詳細(xì)說明，實施例給出詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。

實施例1

步驟1,稱取0.11g鄰苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海?/p>

步驟2,將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)10h；

步驟3,待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

步驟4,將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N摻雜的碳量子點，其相對量子產(chǎn)率(以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn))為10.2％。

對該碳點一些性質(zhì)的表征見圖2、圖3、圖4、圖5和圖9。

實施例2

步驟1,稱取0.11g鄰苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海?/p>

步驟2,將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在180℃下反應(yīng)12h；

步驟3,待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

步驟4,將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N摻雜的碳量子點，其相對量子產(chǎn)率(以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn))為8.6％。

實施例3

步驟1,稱取0.11g鄰苯二酚和50μL(0.049g)三乙烯四胺置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海?/p>

步驟2,將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在220℃下反應(yīng)8h；

步驟3,待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

步驟4,將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N共摻雜的碳量子點，其相對量子產(chǎn)率(以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn))為7.9％。

實施例4

步驟1,稱取0.11g鄰苯二酚和100μL(0.098g)三乙烯四胺置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海?/p>

步驟2,將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)10h；

步驟3,待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

步驟4,將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N摻雜的碳量子點，其相對量子產(chǎn)率(以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn))為8.1％。

實施例5

步驟1,稱取0.11g鄰苯二酚和150μL(0.147g)三乙烯四胺置于燒杯中，加入二次水，充分?jǐn)嚢瑁暤玫匠吻迦芤海?/p>

步驟2,將上述超聲好的澄清溶液置于高壓反應(yīng)釜中，在200℃下反應(yīng)10h；

步驟3,待反應(yīng)停止，反應(yīng)釜自然冷卻后，用離心機(jī)離心去除下層不溶物，用濾紙過濾去除上層懸浮物得到澄清的棕色溶液，再用濾膜過濾，即得到純凈的N摻雜的碳量子點的水溶液；

步驟4,將上述碳量子點水溶液冷凍干燥后得到目標(biāo)N摻雜的碳量子點，其相對量子產(chǎn)率(以硫酸奎寧為標(biāo)準(zhǔn))為8.7％。

實施例6

石英比色皿盛有實例1制備的氮摻雜的碳量子點水溶液，放置于紫外透射臺上，經(jīng)365nm激發(fā)光源激發(fā)后發(fā)出明亮的綠色熒光(見圖1)。

實施例7

實例1制備的氮摻雜的碳量子點水溶液熒光可被Fe³⁺猝滅，如圖6所示，隨著Fe³⁺離子溶度的增加，碳量子點的熒光強(qiáng)度逐漸降低。

實施例8

實例1制備的氮摻雜的碳量子點水溶液熒光可被Ag⁺猝滅，如圖7所示，隨著Ag⁺離子溶度的增加，碳量子點的熒光強(qiáng)度逐漸降低。

實施例9

實例1制備的氮摻雜的碳點水溶液熒光可被Fe³⁺猝滅后由抗壞血酸恢復(fù)熒光，如圖8所示，隨著抗壞血酸濃度的增加，碳量子點的熒光強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，說明所制備的碳量子點可作為“開關(guān)型”熒光探針。

實施例10

實施例1制備的氮摻雜的碳量子點水溶液用于標(biāo)記的乳腺癌細(xì)胞，如圖6所示，細(xì)胞有形態(tài)良好，可用于細(xì)胞標(biāo)記。如圖10所示，從左向右依次為：明場細(xì)胞圖，暗場(激發(fā)405nm)細(xì)胞圖(藍(lán)色)，暗場(激發(fā)為488nm)細(xì)胞圖(綠色)，暗場(激發(fā)為516nm)細(xì)胞圖(紅色)。