一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種熒光碳納米材料，尤其涉及一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)及其制備，主要用于生理?xiàng)l件下進(jìn)行生物成像與生物標(biāo)記。
【背景技術(shù)】
[0002]作為碳材料家族的新成員，碳點(diǎn)是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后最熱門的碳納米材料之一。碳點(diǎn)通常由C、H、0、N四種基本元素組成，粒徑一般小于10納米，具有良好的光學(xué)性質(zhì)，其發(fā)光范圍可調(diào)，光穩(wěn)定性好。與傳統(tǒng)的有機(jī)染料和半導(dǎo)體量子點(diǎn)相比，熒光碳點(diǎn)具有良好的水溶性和化學(xué)穩(wěn)定性，易于功能化，低的細(xì)胞毒性和優(yōu)秀的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便引起人們極大的研究興趣，并在生化傳感、生物成像和標(biāo)記、光電轉(zhuǎn)換及催化等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近年來，眾多研究者對(duì)碳點(diǎn)的制備、發(fā)光機(jī)理和生物學(xué)應(yīng)用展開了大量的研究，取得了較大進(jìn)展。利用不同的原料，不同的方法制備了結(jié)構(gòu)、組成相似或有差異的一系列熒光碳點(diǎn)，并嘗試在各種體系中有效利用碳點(diǎn)的熒光特性，這些進(jìn)展豐富了熒光碳點(diǎn)在化學(xué)科學(xué)和生物科學(xué)及其交叉領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0003]然而，在碳點(diǎn)研究中依然存在兩個(gè)關(guān)鍵問題:其一，熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率偏低，亟需提高;其二，絕大多數(shù)熒光碳點(diǎn)發(fā)射藍(lán)色熒光，而發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的熒光碳點(diǎn)報(bào)道較少。由于生物組織的自體熒光多為藍(lán)色，藍(lán)色熒光碳點(diǎn)在應(yīng)用于生物成像時(shí)不利于靶信號(hào)與背景信號(hào)的區(qū)分;此外，藍(lán)色光對(duì)組織的穿透性差，限制了體內(nèi)深層組織的光學(xué)成像。雖然有些激發(fā)波長(zhǎng)依賴的熒光碳點(diǎn)可以通過調(diào)節(jié)激發(fā)波長(zhǎng)來調(diào)控發(fā)射波長(zhǎng)，但非藍(lán)光發(fā)射的量子產(chǎn)率迅速降低，限制了其在生物學(xué)中的應(yīng)用。因此，發(fā)展高量子產(chǎn)率的長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)射的熒光碳點(diǎn)，是熒光碳點(diǎn)在生物成像與標(biāo)記領(lǐng)域應(yīng)用的前提條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)研究碳點(diǎn)中存在的問題，提供一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn);本發(fā)明的另一目的是提供一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法。
[0005]—、黃色熒光碳點(diǎn)的制備
本發(fā)明涉及一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備，是將有機(jī)酸與有機(jī)胺溶于水中，充分混合后經(jīng)微波輻射得到得到褐色固體粗產(chǎn)物;再經(jīng)水和甲醇混合溶液淋洗，反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。
[0006]有機(jī)酸為乙二酸、馬來酸、對(duì)苯二甲酸、蘋果酸、烏頭酸、氨三乙酸、均苯三甲酸或乙二胺四乙酸中的一種;有機(jī)胺為巰基乙胺、氨基乙醇、乙二胺、尿素、對(duì)苯二胺或支化聚乙烯亞胺中的一種;有機(jī)酸與有機(jī)胺的質(zhì)量比為1:100?1: 0.01。有機(jī)酸、有機(jī)胺溶于水中時(shí)，混合溶液的濃度為0.06?2.4g/ml。
[0007]所述微波輻射的功率為300?900 W，持續(xù)時(shí)間為2?10 min。
[0008]二、黃色熒光碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與性能
下面通過透射電鏡照片、粒徑分布圖、激發(fā)和發(fā)射光譜圖以及活細(xì)胞成像圖對(duì)本發(fā)明制備的熒光碳點(diǎn)形貌、性能及用途進(jìn)行分析說明。
[0009]1、熒光碳點(diǎn)的形貌分析
圖1為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的透射電鏡照片。從圖中可以看出，本發(fā)明所制備的熒光碳點(diǎn)是一種近似球型的碳納米材料，分散性較好。
[0010]圖2為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的粒徑分布圖。依賴于所用前驅(qū)體和制備條件，本發(fā)明所制備熒光碳點(diǎn)的平均粒徑在3.0?4.0納米之間，圖2給出的熒光碳點(diǎn)平均粒徑為3.6納米。
[0011 ] 2、熒光碳點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光譜分析
圖3為本發(fā)明所述黃色熒光碳點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光譜圖。本發(fā)明制備的黃色熒光碳點(diǎn)易溶于水，其水溶液在紫外燈照射下發(fā)出明亮的黃色熒光，干燥后其固體在紫外燈下發(fā)出黃色熒光。依賴于所用前驅(qū)體和制備條件，所制備碳點(diǎn)的最佳激發(fā)波長(zhǎng)在400420納米之間，最佳發(fā)射波長(zhǎng)在510?550納米之間，圖3給出的最佳激發(fā)波長(zhǎng)為415納米，最佳發(fā)射波長(zhǎng)為525納米。
[0012]3、熒光碳點(diǎn)的活細(xì)胞成像
圖4為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的活細(xì)胞成像圖。其中左圖為明場(chǎng)下的細(xì)胞成像圖，右圖為熒光成像圖。從圖中可以看出，本發(fā)明所制備的的熒光碳點(diǎn)極易進(jìn)入細(xì)胞，并呈現(xiàn)出明亮清晰的黃色熒光圖像。
[0013]4、細(xì)胞核染色的功能
現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的大部分碳點(diǎn)在用于細(xì)胞成像時(shí)主要分布在細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)中，很少進(jìn)入細(xì)胞核。而從圖4可以清楚看到，本發(fā)明所制備的碳點(diǎn)可以進(jìn)入細(xì)胞核中，具有核染色功會(huì)K。
[0014]5、熒光量子產(chǎn)率
經(jīng)絕對(duì)法測(cè)定，本發(fā)明所得熒光碳點(diǎn)得熒光量子產(chǎn)率高，高達(dá)44%。
[0015]綜上所述，本發(fā)明所制備熒光碳點(diǎn)材料在紫外燈照射下發(fā)射明亮的黃色熒光，量子產(chǎn)率高，并具有固體發(fā)光特性。本發(fā)明所制備熒光碳點(diǎn)水溶性好，在高鹽溶液和較寬pH范圍內(nèi)光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，適合于生理?xiàng)l件下的細(xì)胞成像，并具有細(xì)胞核染色的功能，可廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)、生化傳感、生物成像、生物標(biāo)記等領(lǐng)域。另外，本發(fā)明所用原料為商業(yè)品，廉價(jià)易得;工藝簡(jiǎn)單快速，反應(yīng)介質(zhì)僅為水，沒有其它有機(jī)溶劑參與，綠色環(huán)保。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的透射電鏡照片；
圖2為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的粒徑分布圖；
圖3為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的激發(fā)和發(fā)射光譜圖；
圖4為本發(fā)明所述的黃色熒光碳點(diǎn)的活細(xì)胞成像圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明中黃色熒光碳點(diǎn)的制備、性能和應(yīng)用作進(jìn)一步說明。
[0018]實(shí)施例1 室溫下，將0.05克蘋果酸與0.2克巰基乙胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，在功率800 W下輻射處理3 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為405納米，發(fā)射波長(zhǎng)為510納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)38%。
[0019]實(shí)施例2
室溫下，將0.2克乙二胺四乙酸與0.7克氨基乙醇溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，在功率700 W下輻射處理5 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為410納米，發(fā)射波長(zhǎng)為520納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)41%。
[0020]實(shí)施例3
室溫下，將0.3克均苯三甲酸與0.2克乙二胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，在功率600 W下輻射處理7 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為415納米，發(fā)射波長(zhǎng)為525納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)44%。
[0021 ] 實(shí)施例4
室溫下，將0.08克烏頭酸與0.25克尿素溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，900W處理2 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為420納米，發(fā)射波長(zhǎng)為540納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)42%。
[0022]實(shí)施例5
室溫下，將0.4克氨三乙酸與0.8克對(duì)苯二胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，500 W處理8 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為415納米，發(fā)射波長(zhǎng)為530納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)40%。
[0023]實(shí)施例6
室溫下，將0.2克馬來酸與0.5克支化聚乙烯亞胺溶于5毫升水中，充分混合后置于微波爐中，400 W處理9 min，得到褐色固體粗產(chǎn)物，自然冷卻室溫后用水和甲醇混合溶液淋洗，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。其激發(fā)波長(zhǎng)為420納米，發(fā)射波長(zhǎng)為550納米，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。黃色熒光碳點(diǎn)的量子產(chǎn)率可達(dá)39%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)，其特征在于:平均粒徑在3.0?4.0納米之間；在紫外燈照射下發(fā)出明亮的黃色熒光，激發(fā)波長(zhǎng)為400?420納米，發(fā)射波長(zhǎng)為510?550，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性。2.如權(quán)利要求1所述一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法，是將有機(jī)酸與有機(jī)胺溶于水中，充分混合后經(jīng)微波輻射得到得到褐色固體粗產(chǎn)物;再經(jīng)水和甲醇混合溶液淋洗，反相硅膠柱色譜純化，得到黃色熒光碳點(diǎn)材料。3.如權(quán)利要求2所述一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法，其特征在于:所述有機(jī)酸為乙二酸、馬來酸、對(duì)苯二甲酸、蘋果酸、烏頭酸、氨三乙酸、均苯三甲酸或乙二胺四乙酸中的一種。4.如權(quán)利要求2所述一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法，其特征在于:所述有機(jī)胺為巰基乙胺、氨基乙醇、乙二胺、尿素、對(duì)苯二胺或支化聚乙烯亞胺中的一種;有機(jī)酸與有機(jī)胺的質(zhì)量比為1:100?1:0.01。5.如權(quán)利要求2所述一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法，其特征在于:所述微波輻射的功率為300?900 W，持續(xù)時(shí)間為2?10 min。6.如權(quán)利要求1所述一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)的制備方法，其特征在于:所述有機(jī)酸、有機(jī)胺溶于水中時(shí)，混合溶液的濃度為0.06?2.4g/ml。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高量子產(chǎn)率的黃色熒光碳點(diǎn)，是將有機(jī)酸與有機(jī)胺溶于水中，充分混合后經(jīng)微波輻射得到褐色固體粗產(chǎn)物；再用水和甲醇混合溶液為淋洗劑，經(jīng)反相硅膠柱色譜純化而得。該熒光碳點(diǎn)平均粒徑在3.0~4.0納米；在紫外燈照射下發(fā)出明亮的黃色熒光，激發(fā)波長(zhǎng)為400~420納米，發(fā)射波長(zhǎng)為510~550，并展現(xiàn)出固體發(fā)光特性，量子產(chǎn)率可達(dá)44%。本發(fā)明制備的熒光碳點(diǎn)水溶性好，熒光信號(hào)穩(wěn)定，適合于生理?xiàng)l件下的細(xì)胞成像，并具有細(xì)胞核染色的功能，可廣泛應(yīng)用于分析檢測(cè)、生化傳感、生物成像、生物標(biāo)記等領(lǐng)域。
【IPC分類】C09K11/65, B82Y20/00
【公開號(hào)】CN105542764
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610062660
【發(fā)明人】周雷, 趙鳳姣
【申請(qǐng)人】蘭州大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2016年1月29日