一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及碳量子点制备领域，尤其涉及一种一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法及其应用。其制备方法为：取对苯二酚，置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，按0.97g对苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取四氯化硅缓慢滴入反应釜中；将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150～220℃下加热1～5h后，冷却至室温；用旋转蒸发的方式把上述反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得到硅掺杂碳量子点。该制备方法简单、高效、温和、操作成本低，制备工艺设备简易。制备得到的硅掺杂碳量子点可在细胞生物成像中的应用。
【专利说明】一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳量子点制备领域，尤其涉及一种一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法及其应用。
【背景技术】
[0002]碳量子点是近年来发现的一种新型碳纳米材料，是一种分散的、尺寸小于IOnm的类球形的纳米颗粒。碳量子点以其独特的性能被认为是一种在光电器件、传感器、生物影像和光催化剂方面非常有应用前景的材料。从荧光材料的角度看，碳量子点比传统的有机染料和半导体量子点具有更多的优势，比如具有化学惰性、无光闪烁、低毒性和极好的生物相容性。人们已经开发了许多合成碳量子点的方法，如放电法、激光烧蚀法、化学氧化法、电化学氧化法、水热合成法、微波辅助法和前驱体脱水法等。虽然碳量子点的制备方面已经有了很大进步，但是仍然存在很多问题限制它们在生物科学方面的应用。尚待解决的问题包括:低的量子产率；发射波长随着激发波长的改变而发生位移。关于这两方面的问题，大多数的研究主要集中在用有机大分子表面钝化碳量子点以得到强的光致发光。然而，此类的修饰方法往往不属于环境友好型的方法，并且为了得到较为纯净的碳量子点必须经过一个大量的除盐过程。
[0003]通常，用杂原子掺杂碳纳米材料是一种有效改善其性能如表面及其化学结构和电化学性质的方法。从这种意义上来讲，对碳量子点进行掺杂是改善其化学性能和拓展其应用的很好的选择。考虑到碳量子点显著的量子限域效应和边界效应，硅掺杂的碳量子点的会改变碳量子点电子性质并能提供更多的反应位点，因此产生了新颖和意外的性质。
【发明内容】
[0004]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种通过一步溶剂热法制备具有强荧光性质的硅掺杂碳量子点，并且具有较高的量子产率。
[0005]本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的:
[0006]一种一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]A.取对苯二酚，置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，按0.97g对苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取四氯化硅缓慢滴入反应釜中；
[0008]B.将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150~220°C下加热I~5h后，冷却至
室温;
[0009]C.用旋转蒸发的方式把上述反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得到硅掺杂碳量子点。
[0010]作为优选，所述的对苯二酚和四氯化硅的摩尔比为1:1~3。
[0011]作为优选，所述的步骤B中鼓风干燥箱的温度为200°C，加热时间为2h。
[0012]由于利用该方法制备得到的硅掺杂碳量子点毒性低、生物相容性好、耐光性好的特点，同时硅掺杂碳量子点具有较高的荧光发射效率，故，本发明还涉及硅掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用。
[0013]作为优选，硅掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用的包括如下步骤:
[0014]a.细胞接种于放有盖玻片的6孔细胞培养板中，在含10%新生牛血清的DMEM培养基中，37°C、5%C02及饱和湿度条件下培养；
[0015]b.12h后加入硅掺杂碳量子点溶液，最终浓度为75 μ g mL—1 ；
[0016]c.继续培养24h，弃去含有硅掺杂碳量子点的培养基，用PBS清洗3次，在激发光为355nm下，运用激光共聚焦扫描显微镜观察拍照。
[0017]作为优选，所述的DMEM培养基含100 μ g mL—1青霉素，100 μ g mL—1链霉素。
[0018]本发明的有益效果在于:本发明采用一种简单、高效、温和的方法制备了具有强荧光性质的硅掺杂碳量子点，该操作成本低，制备工艺设备简易，使用鼓风箱即可完成，易于推广。所得的硅掺杂碳量子点荧光量子产率大大提高，最高达到21%，除了优异的光学、电化学性质之外，硅掺杂碳量子点毒性低、生物相容性好、耐光性好，并进一步应用于细胞生物成像。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为实施例1的硅掺杂碳量子点TEM图片。
[0020]图2为实施例1的硅掺杂碳量子点的高分辨透射电镜照片。
[0021]图3为实施例1的硅掺杂碳量子点的荧光谱图及紫外灯下的照片。
[0022]图4为实施例1的硅掺杂碳量子点标记的Hela细胞荧光共聚焦生物成像照片。
【具体实施方式】
[0023]下面通过实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明:
[0024]实施例1:一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法
[0025]称取0.97g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移取1.0OmL四氯化硅缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在200°C的条件下加热2小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硅掺杂碳量子点。
[0026]如图1TEM成像显示，硅掺杂碳量子点呈现单分散的均匀球状，粒径主要分布在5~15nm的范围。如图2中的高分辨透射电镜照片显示，硅掺杂碳量子点具有明显的晶格条纹结构，相邻晶形条纹间的距离约为2.9 A，数据与石墨的(002)衍射面数据接近。如图
3所示，在302nm的激发波长下，硅掺杂碳量子点有窄的荧光发射谱带，荧光强度最大的发射位置在384nm处，紫外灯下的颜色为明亮的蓝色。
[0027]采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为:Φ = Φ3[(Ι -As.η2)/(Is-A-Hs2)] (Φ表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，η代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm~400nm范围内的量子产率为0.577)，得到的硅掺杂碳量子点量子产率为21%。
[0028]娃掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用,其步骤包括:
[0029]a.细胞接种于放有盖玻片的6孔细胞培养板中，在含10%新生牛血清的DMEM培养基中，37°C、5%C02及饱和湿度条件下培养；
[0030]b.12h后加入上述制备得到的硅掺杂碳量子溶液，最终浓度为75 μ g πι1 ；
[0031]c.继续培养24h，弃去含有硅掺杂碳量子的培养基，用PBS清洗3次，在激发光为355nm下，运用激光共聚焦扫描显微镜观察拍照。
[0032]上述的DMEM培养基含100 μ g mL—1青霉素，100 μ g mL—1链霉素
[0033]如图4所示，硅掺杂碳量子点可以很容易地穿过细胞膜而进入细胞质从而很清楚地标记细胞质区域，表明娃掺杂碳量子点具有较好的生物标记能力。图4中A、B、C、D分别是在355nm激发波长紫外灯下间隔5，10，15，20分钟的情况下拍摄得到的共聚焦生物成像照片。
[0034]实施例2:—步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法
[0035]称取0.97g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移取2.0OmL四氯化硅缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150°C的条件下加热I小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硼掺杂碳量子点。
[0036]采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为:Φ = Φ3[(Ι -As.η2)/(Is-A-Hs2)] (Φ表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，η代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm~400nm范围内的量子产率为0.577)，得到的硅掺杂碳量子点量子产率为20.8%。
[0037]TEM成像同实施例1，硅掺杂碳量子点呈现单分散的均匀球状，粒径主要分布在5~15nm的范围。高分辨透射电镜照片显示，硅掺杂碳量子点具有明显的晶格条纹结构。
[0038]娃掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用,其步骤包括:
[0039]a.细胞接种于放有盖玻片的6孔细胞培养板中，在含10%新生牛血清的DMEM培养基中，37°C、5%C02及饱和湿度条件下培养；
[0040]b.1Oh后加入上述制备得到的硅掺杂碳量子点溶液，最终浓度为75 μ g πι1 ；
[0041]c.继续培养22h，弃去含有硅掺杂碳量子点的培养基，用PBS清洗2次，在激发光为355nm下，运用激光共聚焦扫描显微镜观察拍照。
[0042]上述的DMEM培养基含100 μ g mL—1青霉素，100 μ g mL—1链霉素。
[0043]如图4所示，硅掺杂碳量子点可以很容易地穿过细胞膜而进入细胞质从而很清楚地标记细胞质区域，表明娃掺杂碳量子点具有较好的生物标记能力。图4中A、B、C、D分别是在355nm激发波长紫外灯下间隔5，10，15，20分钟的情况下拍摄得到的共聚焦生物成像照片。
[0044]实施例3:—步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法
[0045]称取0.97g对苯二酚，置于容积为25mL内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，加入5mL丙酮溶解，移 取3.0OmL四氯化硅缓慢滴入上述反应釜中，将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在220°C的条件下加热5小时。当高压反应釜冷却至室温时，用旋转蒸发的方式把反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得硅掺杂碳量子点。
[0046]采用参比法测量荧光量子产率，计算公式为:Φ = Φ3[(Ι -As.η2)/(Is.Α.η32)] (Φ表示量子产率，I表示在最佳激发波长激发下荧光发射谱图的积分面积，A表示紫外光谱中最佳激发波长处的吸光度，η代表溶剂的折射率，下标s代指作为标准参照物硫酸奎宁，并且已知硫酸奎宁在激发波长200nm~400nm范围内的量子产率为0.577)，得到的硅掺杂碳量子点量子产率为19.8%。
[0047]TEM成像同实施例1，硅掺杂碳量子点呈现单分散的均匀球状，粒径主要分布在5~15nm的范围。高分辨透射电镜照片显示，硅掺杂碳量子点具有明显的晶格条纹结构。
[0048]娃掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用,其步骤包括:
[0049]a.细胞接种于放有盖玻片的6孔细胞培养板中，在含10%新生牛血清的DMEM培养基中，37°C、5%C02及饱和湿度条件下培养；
[0050]b.14h后加入上述制备得到的硅掺杂碳量子点溶液，最终浓度为75 μ g πι-1 ；
[0051]c.继续培养26h，弃去含有硅掺杂碳量子点的培养基，用PBS清洗4次，在激发光为355nm下，运用激光共聚焦扫描显微镜观察拍照。
[0052]上述的DMEM培养基含100 μ g mL—1青霉素，100 μ g mL—1链霉素
[0053]如图4所示，硅掺杂碳量子点可以很容易地穿过细胞膜而进入细胞质从而很清楚地标记细胞质区域，表明娃掺杂碳量子点具有较好的生物标记能力。图4中A、B、C、D分别是在355nm激发波长紫外灯下间隔5，10，15，20分钟的情况下拍摄得到的共聚焦生物成像照片。
[0054]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属【技术领域】的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【权利要求】
1.一种一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法，其特征在于，包括以下步骤: A.取对苯二酚，置于内衬为聚四氟乙烯的不锈钢高压反应釜中，按0.97g对苯二酚5mL丙酮的比例加入丙酮，然后取四氯化硅缓慢滴入反应釜中； B.将密封好的反应釜置于鼓风干燥箱中在150~220°C下加热1~5h后，冷却至室温； C.用旋转蒸发的方式把上述反应釜内的混合液体浓缩蒸干，即得到硅掺杂碳量子点。
2.根据权利要求1所述的一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法，其特征在于，所述的对苯二酚和四氯化硅的摩尔比为1:1~3。
3.根据权利要求1所述的一步溶剂热法制备硅掺杂碳量子点的方法，其特征在于，所述的步骤B中鼓风干燥箱的温度为200°C，加热时间为2h。
4.根据权利要求1~3任意一条制备方法得到的硅掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用。
5.根据权利要求4所述的硅掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用，其特征在于，包括如下步骤: a.细胞接种于放有盖玻片的6孔细胞培养板中，在含10%新生牛血清的DMEM培养基中，37 °C、5%C02及饱和湿度条件下培养； b.10~14h后加入硅掺杂碳量子点溶液，最终浓度为75 μ g mL—1 ； c.继续培养22~26h，弃去含有硅掺杂碳量子点的培养基，用PBS清洗2~4次，在激发光为355nm下，运用激光共聚焦扫描显微镜观察拍照。
6.根据权利要求5所述的硅掺杂碳量子点在细胞生物成像中的应用，其特征在于，所述的DMEM培养基含100 μ g ml-1青霉素，100 μ g mL—1链霉素。
【文档编号】C12Q1/02GK103834396SQ201410038177
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年1月26日 优先权日:2014年1月26日
【发明者】丰慧, 钱兆生, 单晓月, 柴鲁静, 马娟娟 申请人:浙江师范大学