一種氮摻雜黃色螢光碳點的製備方法及應用與流程
2023-04-30 08:31:56
本發明涉及螢光納米材料，具體涉及一種氮摻雜黃色螢光碳點的製備方法，以及製備的氮摻雜黃色螢光碳點應用於Al3+檢測和細胞成像。
背景技術：
碳點是2004年Scrivens等(J.Am.Chem.Soc.,2004,126,12736-12737)通過電泳法淨化單層碳納米管時偶然發現的。作為碳納米材料家族中第一種發光的碳材料，碳點自發現以來備受關注。碳點由基於sp2雜化碳的無定形或結晶形的碳核和帶有含氧基團的碳殼組成。目前，碳點憑藉其小的尺寸、好的水溶性、激發波長依賴性、抗光漂白性、低毒性和優良的生物相容性等，已經被應用於諸多領域，例如螢光探針、生物成像、螢光墨水、螢光染料、發光二極體、光催化等。
碳點的製備方法目前主要有兩種：自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)。自上而下的合成方法，即從較大的碳結構剝落製備碳納米顆粒的物理方法，再通過聚合物表面鈍化的方式使其有效發光，主要包括電弧放電、雷射剝蝕、電化學氧化、電子束輻射等。自下而上的合成方法，即通過熱解或碳化合適的前驅物直接合成螢光碳點，包括燃燒法、高溫熱解法、水熱法、微波法、超聲波法等。
目前，大多數合成的碳點在紫外光激發下發射藍色螢光。在生物相關領域，藍色螢光碳點作為光學探針並不具有吸引力，這是由於生物的自體螢光一般為藍色，會對檢測造成幹擾；另外，紫外光激發會對生物體造成損傷。因此人們期待能夠製備長波長發射碳點。為了達到這一目的，雜原子摻雜受到了大家的關注，這是由於雜原子摻雜能夠調節碳點的組成和結構，從而提高碳點的光學性質。然而，摻雜碳點的研究尚處於起步階段，因此尋找簡單、有效的方法製備摻雜化、長波長發射碳點對其在生物相關領域的應用具有重要的意義。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種氮摻雜黃色螢光碳點的製備方法，該方法原料簡單、製備條件要求低，製得的氮摻雜黃色螢光碳點毒性小、螢光量子產率高，可用於水溶液中高選擇性、高靈敏度地檢測Al3+，也可用於細胞成像。
為實現上述目的本發明提供的技術方案為：
一種氮摻雜黃色螢光碳點的製備方法，包括如下步驟：
(1)按質量比1:25～100將4-氨基水楊酸加入去離子水中，製得混合液；
(2)將步驟(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，進行水熱反應；
(3)將步驟(2)得到的產物離心除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用透析袋透析除去雜質，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將步驟(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到目標氮摻雜黃色螢光碳點。
所述步驟(1)中4-氨基水楊酸與去離子水按質量比為1:25～100。
所述步驟(2)中水熱反應的溫度為140～310℃，時間為1～5h。
所述步驟(3)中的透析是用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析12～24h。
本發明方法製備的氮摻雜黃色螢光碳點可用於水溶液中Al3+檢測和細胞成像。
與現有技術相比本發明的優點在於：
(1)製得的氮摻雜黃色螢光碳點具有良好的黃色發光性能，將其用於生物標記、細胞成像，可以避免生物自體螢光的幹擾。
(2)製得的黃色螢光碳點穩定性強、毒副作用小、水溶性好，在細胞成像、生物傳感、發光二極體等領域有廣闊的應用前景。
附圖說明
圖1為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點溶液分別在日光和波長為470nm激發下的照片
圖2為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點的透射電鏡圖和尺寸分布圖
圖3為本發明實施例1中製備的氮摻雜黃色螢光碳點的紅外光譜圖
圖4為本發明實施例1中製備的氮摻雜黃色螢光碳點的XPS圖
圖5為本發明實施例1中製備的氮摻雜黃色螢光碳點的紫外吸收光譜及螢光發射光譜圖
圖6為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點在不同激發波長下的螢光發射光譜圖
圖7為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點對Al3+選擇性的圖
圖8為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點溶液隨Al3+濃度變化的螢光發射光譜圖
圖9為本發明實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點標記的人肝癌細胞HepG2細胞的雷射共聚焦圖
具體實施方式
以下實施例進一步闡述本發明的內容，但本發明並不局限於這些實施例。
實施例1
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.2g 4-氨基水楊酸加入10mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在180℃下水熱反應3h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為11.0％。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點溶液分別在日光燈和波長為470nm激發下的照片見圖1，其中1為氮摻雜黃色螢光碳點溶液在日光燈照射下的圖片，顏色為棕色，2為波長為470nm激發下的圖片，顏色為黃色。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點的透射電鏡圖和尺寸分布圖見圖2。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點的紅外光譜圖見圖3。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點的XPS圖見圖4。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點的紫外吸收光譜及螢光發射光譜圖見圖5。
製備的氮摻雜黃色螢光碳點在不同激發波長下的螢光發射光譜圖見圖6，其中1～7分別是激發波長為430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm和490nm激發下的螢光光譜圖。
實施例2
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.4g 4-氨基水楊酸加入10mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在160℃下水熱反應4h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為5.7％。
實施例3
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.1g 4-氨基水楊酸加入10mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在200℃下水熱反應2h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為4.2％。
實施例4
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.2g 4-氨基水楊酸加入5mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在170℃下水熱反應4h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為6.1％。
實施例5
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.1g 4-氨基水楊酸加入5mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在220℃下水熱反應2h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為5.9％。
實施例6
氮摻雜黃色螢光碳點的製備：
(1)將0.3g 4-氨基水楊酸加入10mL去離子水中，製得混合液；
(2)將(1)得到的混合液轉移到水熱反應釜中，在190℃下水熱反應3h；
(3)將(2)得到的產物用離心機以4000r/min轉速離心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量為500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮摻雜黃色螢光碳點溶液；
(4)將(3)得到的氮摻雜黃色螢光碳點溶液冷凍乾燥後得到氮摻雜黃色螢光碳點，其螢光量子產率(以羅丹明6G為標準)為8.3％。
實施例7
實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點對Al3+的選擇性實驗：
用pH＝7的0.01mol·L-1的磷酸緩衝液和Co(NO3)2、Cd(NO3)2、Cu(NO3)2、Ca(NO3)2、Fe(NO3)3、Ba(NO3)2、Mg(NO3)2、Zn(NO3)2、Mn(NO3)2、K(NO3)2、Al(NO3)3、NaNO3分別配製金屬離子濃度為400μmol·L-1的溶液，分別將0.25mg實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點溶解到1mL上述含不同金屬離子的溶液中，固定激發波長為490nm，在20℃下進行螢光光譜檢測，根據(F0/F-1)，進而達到對Al3+選擇性的檢測。
氮摻雜黃色螢光碳點對Al3+選擇性的圖見圖7：Al3+對氮摻雜黃色螢光碳點溶液有最大的響應。
實施例8
實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點作為Al3+探針的靈敏度實驗：
用pH＝7的0.01mol·L-1的磷酸緩衝液和Al2(SO4)3分別配製Al3+濃度為0.05μmol·L-1、0.5μmol·L-1、1μmol·L-1、5μmol·L-1、10μmol·L-1、25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1的水溶液，分別將0.25mg氮摻雜黃色螢光碳點溶解到1mL上述含不同濃度Al3+的水溶液中，固定激發波長為490nm，在20℃下進行螢光光譜檢測。
氮摻雜黃色螢光碳點溶液隨Al3+濃度變化的螢光發射光譜圖見圖8，其中1～21分別是Al3+濃度為0μmol·L-1、0.05μmol·L-1、0.5μmol·L-1、1μmol·L-1、5μmol·L-1、10μmol·L-1、25μmol·L-1、50μmol·L-1、75μmol·L-1、100μmol·L-1、125μmol·L-1、150μmol·L-1、200μmol·L-1、225μmol·L-1、250μmol·L-1、275μmol·L-1、300μmol·L-1、325μmol·L-1、350μmol·L-1、375μmol·L-1和400μmol·L-1的溶有氮摻雜黃色螢光碳點的磷酸緩衝溶液的螢光發射光譜圖；從圖中可以看出隨著鋁離子濃度的增加，547nm處螢光峰強度逐漸降低。
實施例9
實施例1製備的氮摻雜黃色螢光碳點溶液(0.25mg/mL)用於標記人肝癌細胞HepG2細胞。圖9中從左到右依次為：暗場(激發為488nm)細胞圖(顯示黃色)，明場細胞圖(顯示灰色)，暗場和明場疊加圖(顯示黃色)。