一種N摻雜碳量子點的製備方法及其產品、應用與流程
2023-05-15 13:43:16
本發明屬於螢光碳納米材料
技術領域：
，具體涉及一種N摻雜碳量子點的製備方法及其產品、應用。
背景技術：
：碳點作為碳納米材料家族中新的一員，碳點具有很多優越的螢光性質，如通過改變尺寸和激發波長可調控其螢光發射、耐光漂白、無光閃爍。碳元素是構成生物體所需的重要元素之一，由它構成的碳點本身生物毒性低，具有良好的環境友好性和生物相容性。此外，製備碳點的反應條件溫和，步驟簡單，原料豐富且廉價。碳點表面富含羧基、羥基等親水基團，具有很好的水溶性。碳點的粒徑一般在10nm以下，在和細胞的孵育過程中，碳點能夠更容易、更快速的被細胞攝取。具有良好的生物相容性及低毒性的碳點，適用於生命科學研究。殼聚糖(chitosan)是由自然界廣泛存在的幾丁質(chitin)經過脫乙醯作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺(1-4)-2-氨基-B-D葡萄糖，自1859年，法國人Rouget首先得到殼聚糖後，這種天然高分子的生物官能性和相容性、血液相容性、安全性、微生物降解性等優良性能被各行各業廣泛關注，在醫藥、食品、化工、化妝品、水處理、金屬提取及回收、生化和生物醫學工程等諸多領域的應用研究取得了重大進展。針對患者，殼聚糖降血脂、降血糖的作用已有研究報告。螢光碳點的合成及基於其螢光的應用研究已取得了較大發展。但是碳點在化學發光中的應用研究尚處於初步階段。技術實現要素：本部分的目的在於概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本申請的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用於限制本發明的範圍。鑑於上述和/或現有製備N摻雜碳量子點(簡稱N-CQDs)的製備方法的技術空白，提出了本發明。因此，本發明其中的一個目的是解決現有技術中的不足，提供一種簡單快速，不需要加入表面鈍化劑的N摻雜碳量子點的製備方法。為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：一種N摻雜碳量子點的製備方法，將殼聚糖加入到水中，在180～200℃的條件下反應10～12h，待反應產物冷卻，進行離心、過濾，再對其進行冷凍乾燥後得到N摻雜碳量子點。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述殼聚糖，其與水的比例為每1g殼聚糖用水50～80mL，所述殼聚糖，其脫乙醯度≧90％，粘度為50～800mPa·s。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述冷卻，其是冷卻至10～25℃。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述離心，其是在11000～13000rpm的條件下離心8～12min。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述冷凍乾燥，其溫度為-50～-40℃，真空度為9～10Pa，處理時間為20～28h。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述將殼聚糖加入到水中，其是將殼聚糖加入到水中，在10～25℃攪拌反應20～40min。作為本發明所述N摻雜碳量子點的製備方法的一種優選方案，其中：所述攪拌反應，其攪拌速度為400～600r/min。本發明另一個目的是提供一種生物相容性好的N摻雜碳量子點。為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：一種N摻雜碳量子點，其平均粒徑為1.5～3.5nm，層間距為0.3～0.4nm，其組分以質量百分比計，包括碳42～50％，氧29～31％，氮11～19％，氫16～18％。本發明還有一個目的是提供一種N摻雜碳量子點在促進植物生長方面的應用。本發明再一個目的是提供一種N摻雜碳量子點在標記植物方面的應用。為解決上述技術問題，本發明提供了如下技術方案：取未生根的植物，在室溫下培養12～18天後使用紫外燈觀察植物的螢光情況，並拍照記錄。本發明所具有的有益效果：(1)本發明使用殼聚糖為碳源，不需要加入任何的表面鈍化劑，一步就能製備N摻雜的高螢光碳量子點，簡化了實驗過程，提高了製備過程的效率。(2)本發明所製備碳量子點產率高，尺寸小，並且具有良好的水溶性、優越的螢光性能和良好的生物相容性等特點，給未來的碳量子點在生物和農業等領域的應用奠定了重要的理論基礎。(3)本發明所製備的碳量子點對進植物生長有促進作用，隨著碳點濃度增大，植物的生根情況越好。本發明所製得的碳量子點可以促進植物生根，不會抑制植物的生長。(4)本發明所製備的碳量子點通過調節其水溶液的濃度實現植物成像的應用。附圖說明為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中：圖1是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的透射電鏡圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點分散性良好，均一，沒有團聚。圖2是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的粒徑分布圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點平均粒徑為2.6nm。圖3是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點XRD光譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點2θ為23.5°處出現特徵吸收峰，層間距大約是0.38nm，具有良好的晶體結構。圖4是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的激發和發射的譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點的最大激發與發射波長為370nm和460nm。圖5是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點不同激發波長下的發射光譜圖；表明N摻雜共摻雜的碳量子點擁有激發波長依賴性。圖6是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的XPS光譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點含有C、N和O，其中C的含量為46.78％，O的含量為28.43％，N的含量為12.61％，H的含量為11.21％。圖7是本發明實施例5的不同濃度N摻雜的碳量子點對植物生長作用的影響；表明N摻雜的碳量子點具有促進植物生長的作用。圖8是本發明實施例5的不同濃度N摻雜的碳量子點對細胞生長的影響；表明N摻雜的碳量子點沒有毒性。圖9本發明實施例6的N摻雜的碳量子點用於植物培養後的紫外燈下的螢光圖。從圖中可以看出，在紫外燈(365nm)下，植物的根莖有藍色的螢光呈現出來。並且在剛生長的葉子中也發現了微弱的藍色螢光。具體實施方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合具體實施例對本發明的具體實施方式做詳細的說明。在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。其次，此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。實施例1N摻雜碳量子點的製備：步驟1，稱取0.5g的殼聚糖(脫乙醯度為90％，粘度為400mPa·s)粉末置於50mL的乾淨燒杯中，加入25mL的去離子水，在20℃的條件下以600rpm攪拌20min。步驟2，將無色溶液轉移到聚四氟乙烯水熱反應釜中，置於真空乾燥箱中，在200℃下恆溫加熱10h。步驟3，反應結束後，待合成產物自然冷卻至20℃。步驟4，將得到的黃色溶液置於離心機中以12000r/min的轉速離心10min，接著用0.22μm的微孔濾頭進行過濾後得到澄清的碳量子點溶液。步驟5，將得到澄清的碳量子點溶液通過真空冷凍乾燥其中溫度為-50℃，時間為24h，真空度為9.6Pa得到N摻雜的螢光碳量子點粉末。圖1是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的透射電鏡圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點分散性良好，均一，沒有團聚。圖2是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的粒徑分布圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點平均粒徑為2.6nm。圖3是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點XRD光譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點2θ為23.5°處出現特徵吸收峰，層間距大約是0.38nm，具有良好的晶體結構。圖4是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的激發和發射的譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點的最大激發與發射波長為370nm和460nm。圖5是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點不同激發波長下的發射光譜圖；表明N摻雜的碳量子點擁有激發波長依賴性。圖6是本發明實施例1的N摻雜的碳量子點的XPS光譜圖；圖中顯示出N摻雜的碳量子點含有C、N和O，其中C的含量為46.78％，O的含量為28.43％，N的含量為12.61％，H的含量為11.21％。實施例2N摻雜碳量子點的製備：步驟1，稱取0.5g的殼聚糖(脫乙醯度為95％，粘度為50mPa·s)置於50mL的乾淨燒杯中，加入25mL的去離子水，在25℃的條件下以400rpm攪拌30min，得到無色透明的水溶液。步驟2，將無色溶液轉移到聚四氟乙烯水熱反應釜中，置於真空乾燥箱中，在200℃下恆溫加熱8h。步驟3，反應結束後，待合成產物自然冷卻至10℃。步驟4，將得到的黃色溶液置於離心機中以12000r/min的轉速離心10min，接著用0.22μm的微孔濾頭進行過濾後得到澄清的碳量子點溶液。步驟5，將得到澄清的碳量子點溶液通過真空冷凍乾燥-50℃，時間為24h，真空度為9.6Pa得到N摻雜的螢光碳量子點粉末得到N摻雜的螢光碳量子點粉末。對所製得的N摻雜的螢光碳量子點粉末進行成分及特性檢測得，所製得的製得的N摻雜的碳量子點分散性良好，均一，沒有團聚；製得的N摻雜的碳量子點平均粒徑為3.8nm；製得的N摻雜的碳量子點的層間距大約是0.4nm，具有良好的晶體結構；製得的N摻雜的碳量子點的XPS光譜圖，其中C的含量為46.88％，O的含量為28.83％，N的含量為15.21％，H的含量為9.08％。實施例3N摻雜碳量子點的製備：步驟1，稱取0.5g的殼聚糖(脫乙醯度為90％，粘度為800mPa·s)置於50mL的乾淨燒杯中，加入30mL的去離子水，在10℃的條件下以500rpm攪拌20min，得到無色透明的水溶液。步驟2，將無色溶液轉移到聚四氟乙烯水熱反應釜中，置於真空乾燥箱中，在190℃下恆溫加熱12h。步驟3，反應結束後，待合成產物自然冷卻至20℃。步驟4，將得到的黃色溶液置於離心機中以12000r/min的轉速離心10min，接著用0.22μm的微孔濾頭進行過濾後得到澄清的碳量子點溶液。步驟5，將得到澄清的碳量子點溶液通過真空冷凍乾燥其中溫度為-54℃，時間為24h，真空度為9.6Pa得到N摻雜的螢光碳量子點粉末。對所製得的N摻雜的螢光碳量子點粉末進行成分及特性檢測得，所製得的製得的N摻雜的碳量子點分散性良好，均一，沒有團聚；製得的N摻雜的碳量子點平均粒徑為2.2nm；製得的N摻雜的碳量子點的層間距大約是0.34nm，具有良好的晶體結構；製得的N摻雜的碳量子點的XPS光譜圖，其中C的含量為50.12％，O的含量為30.87％，N的含量為16.01％，H的含量為9.48％。對實施例1～3製得的碳量子點，用螢光分度計進行螢光強度檢測，結果如下。組別實施例1實施例2實施例3螢光強度410520560實施例4對實施例1～3製得的碳量子點，用分析天平稱量其質量，結果如下。碳量子點產率＝(最終產物的質量/殼聚糖的質量)×100％組別實施例1實施例2實施例3產率％454235實施例5將實施例1所製備的N摻雜碳量子點加到水中配製成不同濃度的碳點溶液；然後再將選取好的植物放入含有碳點溶液的燒杯中培養一點時間；最終將植物從燒杯中取出，拍照並且用刻度尺測量其根部長度；最終發現隨著碳點的濃度的增加，並未表現出抑制植物生長的跡象，如圖7所示。實施例6將實施例1所製備的N摻雜碳量子點配製成不同濃度的碳點溶液。將培養好的NIH3T3細胞用0.25％的胰蛋白酶進行消化，充分吹打使其形成均勻地單細胞懸液後，以100μL/well的量加入96孔板中。將96孔板置於CO2培養箱中繼續培養至細胞鋪滿孔底80％～90％時，吸出原有培養液，加入等量的不同濃度的樣品溶液，每組接種3～6孔。給藥後將孔板置於CO2培養箱中培養24h，拿出後每孔加入20μL濃度為5mg/mL的MTT溶液，37℃恆溫接觸4h後，小心除去孔內液體，並加入150μLDMSO，室溫下輕微振蕩，使底部晶體充分溶解，用酶標儀在570nm波長下測定每孔的O.D.值，然後利用O.D.值來計算細胞相對增殖率。實施例1製備的N摻雜碳量子沒有明顯的細胞毒性，生物相容性良好，如附圖8所示。實施例7將實施例1所製備的N摻雜碳量子點配製成0～5mg/ml的碳點溶液，將溶液分別加到燒杯中，然後將選取未生根且生長狀況良好的植物放入到燒杯中培養15天。最終分別將培養了3，7和15天的植物取出後，使用紫外(365nm)觀察碳點在植物體內的螢光分布情況，並拍照記錄。實施例1製備的N摻雜碳量子點水溶液用於標記植物，如圖9所示，植物的生長狀態良好，並且可以用於標記植物。0.5mg/ml的碳點組中，植物根部的螢光強度最高，1mg/ml的碳點組中，植物12天時葉子上會產生螢光。由此可見，本發明使用殼聚糖為碳源，不需要加入任何的表面鈍化劑，一步就能製備N摻雜的高螢光碳量子點，簡化了實驗過程，提高了製備過程的效率；本發明所製備的碳量子點產率高；本發明所製備的碳量子點對進植物生長有促進作用，隨著碳點濃度增大，植物的生根情況越好。本發明所製得的碳量子點可以促進植物生根，不會抑制植物的生長；本發明所製備的碳量子點尺寸小，並且具有良好的水溶性、沒有細胞毒性以及優越的生物相容性等特點，給未來的碳量子點在生物和農業等領域的應用奠定了重要的理論基礎；本發明所製備的碳量子點通過其濃度可實現高效標記植物。應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。當前第1頁1 2 3