高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種量子點(diǎn)材料，尤其涉及一種高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)及其制備工藝和應(yīng)用，屬于無(wú)機(jī)非金屬納米材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳量子點(diǎn)(如下簡(jiǎn)稱(chēng)為“碳點(diǎn)”)自從2004年被首次發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其優(yōu)越的性能引起科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，碳點(diǎn)具有以下優(yōu)越的性能:良好的生物相容性、穩(wěn)定的光致發(fā)光性能、較寬的激發(fā)波長(zhǎng)范圍、發(fā)射波長(zhǎng)依賴(lài)激發(fā)波長(zhǎng)的特性、表面易于修飾等。因此，碳點(diǎn)有望取代半導(dǎo)體量子點(diǎn)應(yīng)用于生物標(biāo)記、生物影像、光電裝置以及生物傳感器等領(lǐng)域。
[0003]目前碳點(diǎn)的化學(xué)合成工藝主要包括電化學(xué)合成法(Chem.Commun., 2008,5116 -Jingew.Chem.1nt.Ed.，2010, 49, 4430)、燃燒熱分解法(如職#.Chem.1nt.Ed., 2007, 46，6473)、水熱法(Α/κ Mater., 2010, 22，734)、酸氧化法(Afe# 7；Chem., 2010, 34，591 )、微波法(CXe?.Commun., 2009, 5118)等。但是上述合成方法均存在不足之處，電化學(xué)合成法和微波法需要使用特殊的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)操作復(fù)雜；燃燒熱分解法產(chǎn)量低，無(wú)法大量制備；水熱法需要高溫高壓條件，操作存在安全隱患；酸氧化法無(wú)法控制產(chǎn)物尺寸的均一性，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體。
[0004]總之，目前碳點(diǎn)合成還處于起步階段，合成方法大都存在多步操作、程序繁雜、熒光量子效率低等缺陷。為進(jìn)一步提高所得碳點(diǎn)的熒光性能，研究者們一直在努力尋找合適的碳源和有效的制備方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種高突光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的目的之二在于提供一種制備所述高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)的方法。
[0007]本發(fā)明的目的之三在于提供所述高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)在生物學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0008]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)，是通過(guò)將含氮碳源、表面修飾分子與高沸點(diǎn)醇混合，并在惰性保護(hù)氣氛中于200°C以上的溫度條件下充分反應(yīng)后獲得。
[0009]進(jìn)一步的,所述碳量子點(diǎn)的粒徑主要分布在2-4 nm,含氮量為5_10wt%,并能夠在波長(zhǎng)為403 nm的激光的照射下顯現(xiàn)出綠色熒光，且熒光量子效率為10_20%。
[0010]一種高熒光量子產(chǎn)率的氮摻雜碳量子點(diǎn)的制備方法，包括:將質(zhì)量比為廣5:1的含氮碳源和表面修飾分子與高沸點(diǎn)醇混合，并在惰性保護(hù)氣氛中于200°C以上的溫度條件下充分反應(yīng)后獲得目標(biāo)產(chǎn)物。[0011 ] 進(jìn)一步的，所述含氮碳源可優(yōu)選為尿素，但不限于此。
[0012]進(jìn)一步的，所述表面修飾分子可優(yōu)選為聚乙二醇，尤其分子量為600的H00C-PEG-C00H,但不限于此。
[0013]進(jìn)一步的，所述高沸點(diǎn)醇可優(yōu)選為丙三醇或一縮二乙二醇，但不限于此。
[0014]在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案中，該方法可以包括:將所述含氮碳源、表面修飾分子與高沸點(diǎn)醇混合后在惰性保護(hù)氣氛中于200-240°C的溫度條件下反應(yīng)1-8 h后獲得目標(biāo)產(chǎn)物。
[0015]進(jìn)一步的，在一較為典型的實(shí)施案例中，該方法可以包括:
(1)將尿素與聚乙二醇按照I?5:1的質(zhì)量體積比(g/ml)和高沸點(diǎn)醇混合，在惰性氣體保護(hù)下120°C回流I h除水；
(2)在惰性氣體保護(hù)下升溫至200-240°C充分反應(yīng)1-8h后冷卻至室溫；
(3)將步驟(2)最終所獲混合物透析、旋蒸、凍干，得到粘稠狀棕色液體，即所述碳量子點(diǎn)。
[0016]更為具體的，前述步驟(I)可包括:將尿素(0.1-5 g)、聚乙二醇(0.1-1 mL)和高沸點(diǎn)醇(丙三醇或一縮二乙二醇5-25 mL)混合，在惰性氣體保護(hù)下120°C回流I小時(shí)除水。
[0017]如前所述的任一種碳量子點(diǎn)在細(xì)胞成像中的應(yīng)用。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
(1)本發(fā)明碳量子點(diǎn)具有粒徑均勻(主要分布在2-4nm)，含氮量高(可達(dá)10%)，熒光量子效率高(可達(dá)20%)，成本低廉、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，可在細(xì)胞成像、活體成像等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用；
(2)本發(fā)明碳量子點(diǎn)的合成與表面修飾一步完成，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，可宏量生產(chǎn)，能充分滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用需求。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1a-圖1b分別是本發(fā)明實(shí)施例1所獲氮摻雜碳量子點(diǎn)的透射電子顯微鏡照片及尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所獲氮摻雜碳量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜與熒光光譜圖，其中實(shí)線為紫外可見(jiàn)吸收，點(diǎn)劃線為激發(fā)譜，虛線為370 nm激發(fā)下的熒光光譜；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例1所獲氮摻雜碳量子點(diǎn)在365 nm紫外光和陽(yáng)光下的照片；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例1所獲氮摻雜碳量子點(diǎn)細(xì)胞毒性(HeLa細(xì)胞)的MTT檢測(cè)結(jié)果；圖5a_5c是本發(fā)明實(shí)施例1所獲氮摻雜碳量子點(diǎn)在明(bright field)、暗(darkfield)和融合(merged)視場(chǎng)中的細(xì)胞成像(HeLa細(xì)胞)照片(403 nm激發(fā))。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合若干實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1
將3 g尿素、I mL H00C-PEG-C00H (Mw 600)加入裝有25 mL丙三醇或一縮二乙二醇的三頸燒瓶中，80°C水浴至尿素完全溶解。在惰性氣體保護(hù)下加熱到120°C并保溫I h除水，然后升溫至220°C并保溫4 h后停止加熱。所得混合物采用截留分子量為IK的透析袋透析兩天，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮產(chǎn)物，凍干所得到的粘稠狀棕色液體即熒光碳點(diǎn)。透射電子顯微術(shù)分析，碳點(diǎn)尺寸2-4 nm,元素分析測(cè)得含氮量9wt%，在365 nm波長(zhǎng)激發(fā)下顯現(xiàn)出明亮的藍(lán)色熒光。
[0023]96孔板每孔種1*104個(gè)HeLa細(xì)胞，培養(yǎng)24 h。分別加入不同濃度(6，12，25，50，100和200 μ g/mL)的材料與細(xì)胞孵育24 h。每孔加入20 μ L MTT溶液(5 mg/mLin PBS)，孵育4