一种荧光碳量子点的制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及荧光纳米材料，具体是一种荧光碳量子点的制备和应用。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着纳米技术的飞速发展，纳米材料(如：纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、 纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米半导体材料以及纳米催化材料）被人们广泛认识和 应用。在生物、医药领域，纳米材料的制备及应用也逐渐变得精细起来，用于生物标记的量 子点是其中的一种。量子点，又可称为纳米晶，是一种由II 一 VI族或III 一 V族元素组 成的纳米颗粒。粒径一般介于1~l〇nm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结 构变成具有分子特性的分立能级结构，受到激发光激发后可以发射荧光。量子点的研究 是20世纪90年代最早从CdSe量子点开始的，作为荧光探针其具有很多优良的性质：一、 发射光谱可以通过改变量子点的粒径大小来控制；二、光稳定性好；三、激发光谱、发射光 谱窄；四、Stokes位移大；五、生物相容性好；六、荧光寿命长。具有以上六点性质的量子 点几乎是一种理想的荧光探针，但量子点是由有毒的重金属元素组成，毒性限制了其在生 物医药方面的应用，低毒的碳点（Carbon Dots)作为一种新的荧光探针应运而生了，碳点 除了具备量子点的激发光谱宽\粒径小2,光稳定性好 3、Stokes位移大、生物相容性好、 荧光寿命长的优良性质外，还具有低毒性的特点，所以在生物标记方面被看做是量子点的 替代品（文献 l:Hu Shengliang，Bai Peikang, Sun Jing，Cao Shirui, PROGRESS IN CHEM ISTRY, 2010, 22:345-351.)。
[0003] 碳点的首次发现是2004年由Xiaoyou Xu等在提纯电弧法制备的碳纳米管时偶然 发现的具有荧光性质的碳纳米粒子，当时的荧光量子产率很低。2006年，克莱姆森大学的科 学家Sun和他的同事们用激光消融法制备（文献2 :Sheila N. Baker，Gary A. Baker，Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6726 6744)，并采用有机试剂钝化，该方法合成了荧光性能较好的 产物，首次被称为碳点。2008年，武汉大学Pang等以石墨为碳源，用电化学氧化法合成碳量 子点，随后出现了水热法和微波法。随着新的制备方法的出现，碳点的荧光性能也逐渐的被 提高，在医学和生物领域的应用也变得广泛起来。但是碳点的量子产率依然很低，还达不到 量子点的水平，在这样的形势背景下，高荧光量子产率的碳点的制备显得尤为必要。
【发明内容】
[0004] 针对以上的问题，本发明的目的是提供一种荧光碳量子点（Carbon Dots)的制备 方法和应用。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006] 采用水热法一步合成荧光碳量子点，制备方法如下：以牛血清白蛋白（BSA)和甲 酸为原料，BSA的氨基与甲酸的醛基的摩尔比为1:1，首先甲酸的醛基与BSA的氨基缩合生 成碳氮双键，生成的具有碳氮双键的聚合物自身反应生成荧光碳量子点。
[0007] 在荧光碳量子点的碳点结构中引入碳氮双键，增大双键之间的共轭效应，具有碳 氮双键的聚合物自身反应生成具有荧光性质的碳纳米微粒，即荧光碳量子点。
[0008] 将BSA溶于去离子水中，随后向溶有BSA的去离子水中混合物中逐滴滴入甲酸， 快速搅拌，将混合好甲酸的溶液放入水热反应釜中，采用升温设备，程序升温lh，反应温度 200°C，反应时间10h，产品为黄色澄清的溶液。
[0009] 所述产品用葡聚糖G-25凝胶分离柱分离提纯，除去未反应的甲酸，纯化后所得碳 点水溶液为金黄色液体。
[0010] 所述的突光碳量子点应用在生物标记中。
[0011] 以BSA和甲酸为原料，在200°C程序升温条件下，BSA的氨基与甲酸的醛基发生缩 合反应，生成碳氮双键(此反应目的是在碳点结构中引进碳氮双键，增强聚合物结构中双键 之间的共轭效应，以便提高碳点的荧光量子产率)，生成的具有碳氮双键的聚合物，该结构 的聚合物自身反应生成具有荧光性质的碳纳米微粒。产品用葡聚糖G-25凝胶柱分离柱分 离提纯，所得的碳点荧光量子产率为17%。
[0012] 本发明制备的碳点的具有的如下优点：
[0013] (1)制备方法简单，不需要繁琐的分离操作步骤，合成的碳纳米粒子粒径小、毒性 低、生物相容性好。
[0014] (2)荧光量子产率高，具有上转换荧光。
[0015] (3)光稳定性好，不存在光漂白现象。
[0016] (4)此碳点的荧光量子产率较高，可用于活体动物荧光成像，进行实时、动态检测。
【附图说明】
[0017] 图1是碳点在紫外光照射下的照片；
[0018] 图2是碳点的电子显微镜照片；
[0019] 图3是碳点的XPS图；
[0020] 图4是碳点中碳元素分峰谱图；
[0021] 图5是碳点的红外光谱图；
[0022] 图6是碳点的紫外光谱图；
[0023] 图7是碳点的荧光光谱图；
[0024] 图8是碳点的细胞成像图片。
【具体实施方式】
[0025] 下面通过实施例对本发明作进一步说明。
[0026] 实施例1
[0027] 碳点的制备及表征：
[0028] (1)碳点的制备及分离提纯：
[0029] 首先取BSA 0. 9g，溶解在20ml去离子水中，然后逐滴滴入88%的甲酸0. 318g，伴 随搅拌，使混合物混合均匀，将混合均匀的溶液转移到水热反应釜中，马弗炉加热，采用程 序升温lh，升温至200°C，反应时间为10h，将所得产品用葡聚糖G-25凝胶柱分离纯化去除 未反应的甲酸，所得碳点水溶液为金黄色液体，之后将产品冷冻干燥。
[0030] (2 )碳点的量子产率的测量：
[0031] 选取硫酸奎宁溶液作为参比样品，选用公式为：
【主权项】
1. 一种突光碳量子点的制备方法，其特征在于： 采用水热法一步合成荧光碳量子点，制备方法如下：以牛血清白蛋白（BSA)和甲酸为 原料，BSA的氨基与甲酸的醛基的摩尔比为1:1，首先甲酸的醛基与BSA的氨基缩合生成碳 氮双键，生成的具有碳氮双键的聚合物自身反应生成荧光碳量子点。
2. 根据权利要求1所述荧光碳量子点的制备方法，其特征在于： 在荧光碳量子点的碳点结构中引入碳氮双键，增大双键之间的共轭效应，具有碳氮双 键的聚合物自身反应生成具有荧光性质的碳纳米微粒，即荧光碳量子点。
3. 根据权利要求2所述荧光碳量子点的制备方法，其特征在于： 将BSA溶于去离子水中，随后向溶有BSA的去离子水中混合物中逐滴滴入甲酸，快速搅 拌，将混合好甲酸的溶液放入水热反应釜中，采用升温设备，程序升温lh，反应温度200°C， 反应时间10h，产品为黄色澄清的溶液。
4. 根据权利要求3所述荧光碳量子点的制备方法，其特征在于： 所述产品用葡聚糖G-25凝胶分离柱分离提纯，除去未反应的甲酸，纯化后所得碳点水 溶液为金黄色液体。
5. -种如上所述任意一项权利要求中所述的荧光碳量子点的应用，其特征在于：所述 的荧光碳量子点应用在生物标记中。
【专利摘要】本发明公开了一种荧光碳量子点（Carbon dots简称CDs）的制备方法和应用，以甲酸和牛血清白蛋白(BSA)为原料，BSA的氨基与甲酸的醛基的摩尔比为1：1，水热法合成，首先甲酸的醛基与BSA的氨基缩合生成碳氮双键，生成的具有碳氮双键的聚合物自身反应生成碳点，然后用水系膜和葡聚糖G-25凝胶柱分离纯化。该方法制备的碳点粒径小，光稳定性好，激发和发射光谱范围宽，荧光量子产率高，解决了现阶段碳点的量子产率普遍较低的现状。合成的碳点毒性低，生物友好，能成功应用于生物细胞成像。
【IPC分类】C01B31-02, C09K11-65, G01N21-64
【公开号】CN104709894
【申请号】CN201310690195
【发明人】谭明乾, 李欣彤, 马小军
【申请人】中国科学院大连化学物理研究所
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2013年12月12日