一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用的製作方法
2023-05-20 19:58:21
一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用，屬於材料科學【技術領域】，製備方法是將有機酸和有機胺混合後，直接進行水熱反應，製得摻氮的碳量子點水分散液，將該摻氮的碳量子點水分散液經萃取、乾燥，得到摻氮碳量子點固體。該摻氮碳量子點的尺寸≤10nm，含氮量≤50%，量子點表面含有氨基、羧基和羥基；量子效率為39.8%～50%。本發明方法操作簡單，環境友好，對設備要求低，製得的摻氮碳量子點具有優異的發光性能，能夠廣泛應用於光電材料、生物成像、螢光探針等領域。
【專利說明】一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬於材料科學【技術領域】，涉及一種碳量子點及其製備和應用，具體涉及一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用。
【背景技術】
[0002]量子點材料是一種準零維的納米材料，通常是指半徑小於激子玻爾半徑的半導體納米晶體，具有顯著的量子限域效應。傳統的量子點指半導體量子點，由稀土元素I1-VI和II1-V族元素組成(如CdS、PbS、CdSe, InAs, InP等)。此類量子點毒性大、製備成本高且環境汙染嚴重，限制了其廣泛應用。2004年美國拉羅萊納州大學Walter A.Scrivens教授在製備單壁碳納米管時意外發現了一種碳納米顆粒螢光材料，即它在光照或者特定波長光波激發下可以發出明亮的光。2006年Sun等人用雷射刻蝕法在實驗室成功製備出碳納米顆粒，並正式命名為「碳量子點」(Carbon quantum dots,簡稱CQDs),逐漸成為光致發光領域的研究熱點。
[0003]碳量子點作為碳材料家族(碳納米管，金剛石，石墨烯等)中的「最小成員」，具有以下特點:其粒徑一般小於10nm、同時具備下轉化和上轉化發光性能、光穩定性極好、無光漂白和光閃爍、易於表面功能化、生物相容性好等優異特性，有望成為傳統半導體量子點的替代物。目前製備碳量子點的方法很多，如雷射刻蝕法、電化學電、電弧放電法、微波法等，但這些方法無論是從原料上還是製備流程上都很複雜，操作麻煩，原料及設備昂貴，工藝繁瑣，產率低，且量子產率極低(〈10%)，往往需進一步的後處理才能得到螢光產額高發光性能好的碳量子點，這也極大的限制了碳量子點的大規模製備和廣泛應用。因此，如何選用廉價易得的原材料，通過一步反應製備出高量子產率和優異光致發光特性的碳量子點，已成為這個領域的重大挑戰。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種摻氮碳量子點及其製備方法和應用，該方法操作簡單，環境友好，對設備要求低，製得的摻氮碳量子點具有優異的發光性能，能夠廣泛應用於光電材料、生物成像、螢光探針等領域。
[0005]本發明是通過以下技術方案來實現:
[0006]一種摻氮量子點的製備方法，是將有機酸和有機胺混合後，在100~300°C下進行水熱反應，製得摻氮的碳量子點水分散液，將該摻氮的碳量子點水分散液經萃取、真空乾燥，得到摻氮碳量子點固體；
[0007]其中，有機酸中的羧基與有機胺中的氨基或亞氨基的摩爾比為1:1000~1000:1。
[0008]所述的水熱反應時間為0.1~100h。
[0009]所述的有機酸為檸檬酸、酒石酸、乳酸、蘋果酸、乙醇酸、丁酸或咖啡酸。
[0010]所述有機酸的濃度為0.0001~10mol/L。
[0011]所述的有機胺是聚乙烯亞胺、二乙醇胺或1，8- 二氨基萘。[0012]所述的萃取是採用丙酮或無水乙醇對摻氮的碳量子點水分散液進行萃取。
[0013]所述的真空乾燥是在100~250°C下，乾燥3~10h。
[0014]一種摻氮碳量子點，該摻氮碳量子點的尺寸小於等於10nm，含氮量小於等於50%，量子點表面含有氨基、羧基和羥基；量子效率為39.8%~50%。
[0015]摻氮碳量子點在製備螢光探針中的應用。
[0016]摻氮碳量子點作為螢光探針在生物細胞成像中的應用。
[0017]與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:
[0018]本發明將有機酸類和有機胺類反應底物在同一體系內實現聚合、碳化和表面修飾，有機酸類和有機胺類底物能夠同時作為碳源和表面修飾劑，只需經一步水熱反應(無需後處理)即可製得具有高量子產率的碳量子點，反應機理為:在水熱條件下，有機胺類的含氮基團(氨基或亞氨基，_順2或-順-)與有機酸類的羧基(-C00H)通過生產醯胺鍵(-N-C=O)縮水聚合成核，進而碳化，從而生成直徑小於IOnm的摻氮碳納米顆粒，即摻氮碳量子點。通過改變有機酸和有機氨底物的比例和種類，碳量子點摻氮量及其表面化學基團種類和數量可方便的進行調節。
[0019]本發明以常用的有機酸類和有機胺類化合物取代了傳統量子點製備所需的昂貴的反應底物，原料來源廣泛價格低廉；採用一步水熱法取代傳統的合成方法，反應操作簡便易行,且產率高,適於工業化大規模放大生產。
[0020]經過本發明的一步水熱反應方法製得的摻氮碳量子點在水中具有良好的溶解度和單分散性，因而能夠作為單分散水溶液直接使用，也可以通過冷凍乾燥、真空乾燥等方法將其製成粉末或塊狀固體使用，且該摻氮碳量子點具有優異的發光特性(螢光量子產率大於39.8%)，因而可廣泛的應用於複合材料製備、光電器件、雷射材料、生物細胞成像、螢光探針以及生物傳感器等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明實施例1製得的摻氮碳量子點材料的透射電鏡照片；
[0022]圖2為本發明實施例2製得的摻氮碳量子點材料的透射電鏡照片；
[0023]圖3為本發明實施例3製得的摻氮碳量子點材料的透射電鏡照片；
[0024]圖4為本發明實施例1製得的摻氮碳量子點水溶液在紫外燈下的螢光照片；
[0025]圖5為本發明實施例1製得的摻氮碳量子點水溶液的螢光光譜圖；
[0026]圖6為本發明實施例1製得的摻氮碳量子點的Cls的XPS光譜圖；
[0027]圖7為本發明實施例1製得的摻氮碳量子點的Nls的XPS光譜圖；
[0028]圖8為不同濃度摻氮碳量子點處理24小時候後腦毛細血管內皮細胞活性柱狀圖；
[0029]圖9為摻氮碳量子點標記腦的毛細血管內皮細胞雷射共聚焦螢光成像；其中，a為相差照片，b為雷射共聚焦照片，c為相差與雷射共聚焦疊加圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結合具體的附圖及實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。[0031]實施例1
[0032]室溫下，配製濃度為2.0mol/L的檸檬酸溶液20mL，加入5mg的線性聚乙烯亞胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩爾比為1:1000，充分混勻，得混合液；將混合液轉入水熱反應釜中，在100°C下處理100小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用丙酮萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，在120°C下真空乾燥8h後，得到摻氮碳量子點。
[0033]參見圖1，為該條件下合成的摻氮碳量子點的透射電鏡照片。積分球測試表明，所得碳量子點的絕對量子產率為47%。此外，還測定了相應碳量子點的Cls和Nls的分峰圖(參見圖6和圖7)。結果表明，摻氮碳量子點表面含有氨基-C-NH2 (399.7eV)(見圖7中Nls分峰結果)、羧基-COOH(287.8eV)和羥基-C-0H(286.02eV)(見圖6中Cls分峰)。此外，量子點表面還有-C-C (285.8eV)，-C=C (284.92eV)，-N-C=O (288.47eV)以及-N=O- (400.38eV)等化學基團或化學鍵。
[0034]參見圖4，為該條件下合成的摻氮碳量子點水溶液在紫外燈下的螢光照片，可以看出，該摻氮碳量子點水溶液具有優異的發光性能，具備應用於生物醫學研究與檢測的性能。
[0035]參見圖5，為該條件下合成的摻氮碳量子點水溶液的螢光光譜圖，從圖中可以看出本實施例所製備的碳量子點在激發波長範圍為320nm~460nm內都可發射螢光。此外，螢光的波長、峰值及強度均隨激發波長變化而變化，這是碳量子點有別於半導體量子點的典型特徵。本實施例所製備碳量子點在365nm激發波長下顯示最強螢光發射，發射峰位於445nm。
[0036]實施例2
[0037]室溫下，配製濃度為5.0mol/L的酒石酸溶液24mL，加入20mg線性聚乙烯亞胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩爾比為1:500，充分混勻，得混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在200°C處理10小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用酒精萃取後、離心除去上層溶劑廢液`後，在150°C下真空乾燥6h後，得到摻氮碳量子點。
[0038]圖2為該條件下合成的摻氮碳量子點的透射電鏡照片，積分球測試表明，所得碳量子點的絕對量子產率為42.7%。
[0039]實施例3
[0040]室溫下，配製濃度為0.2mmol/L的乳酸溶液30mL,加入250mg線性聚乙烯亞胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩爾比為1000:1，充分混勻，得到混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在300°C處理0.1小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用酒精萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，在100°C下真空乾燥IOh後，得到摻氮碳量子點。
[0041]圖3為該條件下合成的碳量子點的透射電鏡照片。積分球測試表明，所得摻氮碳量子點絕對量子產率為39.8%。
[0042]實施例4
[0043]室溫下，配製濃度為0.115mmol/L的蘋果酸溶液25mL,加入125mg聚乙烯亞胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩爾比為500:1，充分混勻，得混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在100°C處理50小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用丙酮萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，在180°C下真空乾燥5h後，得到摻氮碳量子點。積分球測試表明，此條件製備的碳量子點絕對量子產率為40.6%。
[0044]實施例5
[0045]室溫下，配製濃度為2.3mmol/L的乙醇酸溶液25mL,加入250mg聚乙烯亞胺(LPEI，M=5050)，使仲胺:羧基的摩爾比為100:1，充分混勻，得混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在180°C下處理80小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用酒精萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，真空乾燥後得到摻氮碳量子點。積分球測試表明，所得摻氮碳量子點絕對量子產率為43.9%。
[0046]實施例6 [0047]室溫下，配製濃度為10mol/L的丁酸溶液40mL,加入IOOmg 二乙醇胺,使仲胺:羧基的摩爾比為1:400，充分混勻，得混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在200°C下處理10小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用丙酮萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，在200°C下真空乾燥4h後，得到摻氮碳量子點。積分球測試表明，所得摻氮碳量子點絕對量子產率為40.2%。
[0048]實施例7
[0049]微攪拌加熱條件下配製濃度為3mmol/L的咖啡酸溶液21mL,加入500mg的1，8- 二
氨基萘，使伯胺:羧基的摩爾比為100:1，充分混勻，得混合液；將此混合液轉入水熱反應釜中，在280°C下處理40小時，得到摻氮碳量子點的分散液；將摻氮碳量子點的分散液用酒精萃取後、離心除去上層溶劑廢液後，在250°C下真空乾燥3h後，得到摻氮碳量子點。積分球測試表明，所得摻氮碳量子點絕對量子產率為46.9%。
[0050]本發明製得的摻氮碳量子點的尺寸小於等於10nm，含氮量小於等於50%，量子點表面含有氨基、羧基和羥基；量子效率為39.8%~50%。
[0051]對製得的摻氮碳量子點作為螢光探針在生物醫學研究中的應用:
[0052]1、為探索本發明所描述的摻氮碳量子點作為螢光探針在生物醫學研究中的應用，我們測定了所制碳量子點的細胞毒性:
[0053]具體試驗方法為:腦毛細血管內皮細胞(BCECs)在37 °C，5%C02氣氛下以RPM1-1640培養基培養，培養基中含15%胎牛血清和1%青黴素/鏈黴素。細胞在96孔板(105-106細胞/孔)中培養24小時後，以含有不同濃度碳量子點的RPM1-1640培養基繼續培養24小時(碳量子點濃度分別為18.75，37.5，75，150，300，600ug/mL)，然後用MTT法測定細胞活性。
[0054]參見圖8，結果表明，與未經摻氮碳量子點處理的細胞相比，各種濃度摻氮碳量子點處理後的細胞其活性無顯著變化，表明所用摻氮碳量子點沒有或僅有極輕微細胞毒性。
[0055]2、本發明所制碳量子點作為螢光探針在細胞生物學中的應用:
[0056]實驗流程為:將實施例1所製備的摻氮碳量子點(lmg/mL)與BCECs細胞孵育24小時，以PBS溶液衝洗3次，然後以雷射共聚焦顯微鏡觀察。所用顯微鏡型號為OlympusFV1000，激發波長為360nm，收集410~470nm螢光發射。
[0057]參見圖9，結果表明，實施例1中製備的慘氣碳量子點可被細胞內吞到細胞中，並呈現明亮的藍色螢光。此外，內吞的摻氮碳量子點僅分布於細胞質中，細胞核內無螢光發射。結果證明，所用碳量子點可作為螢光探針用於生物醫學研究領域，在生物細胞成像領域具有很大的作用，有可能作為載體向細胞質內輸運藥物分子或其他生物大分子。[0058]綜上所述，與現存的其他摻氮碳量子點製備方法相比，本發明所述方法原料來源廣泛且價格低廉，對環境友好，操作簡便，無需後處理，使大規模製備和廣泛應用成為可能。此外，該法所制摻氮碳量子點表面氨基、羧基和羥基等功能基團的存在使得對碳量子點表面的進一步修飾可方便地進行，如生物分子的共價耦聯等，從而拓展該法製備的碳量子點更多的用途，如作為螢光探針用於生物醫學相關研究和檢測等。
[0059]需要說明的是，本發明實施例中採用的有機酸包括:檸檬酸、酒石酸、乳酸、蘋果酸、乙醇酸、丁酸和咖啡酸。根據上述反應機理，其他類似的有機酸具有同樣的實施效果，如磺酸、丙二酸、一滷乙酸、甲酸、醇酸、烯酸、一元羧酸、多元羧酸、飽和脂肪酸、芳香族有機酸。所述多元羧酸包括草酸、枸櫞酸、抗壞血酸等；所述飽和脂肪酸包括乙酸(醋酸)、丙酸、丁酸、戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸、癸酸、月桂酸(C12)、肉豆蘧酸(C14)、棕櫚酸(軟脂酸)(C16)、珠光脂酸(C17)、硬脂酸(C18)、花生酸(C20)、山嵛酸(C22)、木蠟酸(木焦油酸)(C24)、蠟酸(C26)、蜂花酸(C30)或蟲漆蠟酸(C32)中的一種；所述芳香族有機酸包括苯甲酸、水楊酸或咖啡酸。
[0060]本發明實施例中所用有機胺包括聚乙烯亞胺、二乙醇胺和1，8- 二氨基萘三種。根據上述反應機理，類似的有機胺類物質具有同樣的實施效果，包括脂肪胺、醇胺、醯胺、脂環胺、芳香胺、萘系胺、聚乙烯亞胺或羥胺中的一種，如乙二胺、三辛胺、十八胺、一異丙醇胺、萘二胺、乙撐雙硬脂醯胺。`
【權利要求】
1.一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，將有機酸和有機胺混合後，在100~300°C下進行水熱反應，製得摻氮的碳量子點水分散液，將該摻氮的碳量子點水分散液經萃取、真空乾燥，得到摻氮碳量子點固體； 其中，有機酸中的羧基與有機胺中的氨基或亞氨基的摩爾比為1:1000~1000:1。
2.根據權利要求1所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述的水熱反應時間為0.1~IOOh。
3.根據權利要求1所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述的有機酸為檸檬酸、酒石酸、乳酸、蘋果酸、乙醇酸、丁酸或咖啡酸。
4.根據權利要求1或3所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述有機酸的濃度為0.0001~10mol/L。
5.根據權利要求1所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述的有機胺是聚乙烯亞胺、二乙醇胺或1，8- 二氨基萘。
6.根據權利要求1所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述的萃取是採用丙酮或無水乙醇對摻氮的碳量子點水分散液進行萃取。
7.根據權利要求 1所述的一種摻氮碳量子點的製備方法，其特徵在於，所述的真空乾燥是在100~250°C下，乾燥3~IOh。
8.一種採用權利要求1~7中任意一項所述的製備方法製得的摻氮碳量子點，其特徵在於，該摻氮碳量子點的尺寸小於等於IOnm,含氮量小於等於50%,量子點表面含有氨基、羧基和羥基；量子效率為39.8%~50%。
9.一種如權利要求8所述的摻氮碳量子點在製備螢光探針中的應用。
10.如權利要求9所述的應用，其特徵在於，摻氮碳量子點作為螢光探針在生物細胞成像中的應用。
【文檔編號】C09K11/65GK103756675SQ201410023002
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】高彥峰, 劉晶, 劉新玲, 張毅奕, 任海迎 申請人:西安亞博生物技術有限公司