一种氮掺杂黄色荧光碳点的制备方法及应用与流程
本发明涉及荧光纳米材料，具体涉及一种氮掺杂黄色荧光碳点的制备方法，以及制备的氮掺杂黄色荧光碳点应用于Al3+检测和细胞成像。
背景技术：
碳点是2004年Scrivens等(J.Am.Chem.Soc.,2004,126,12736-12737)通过电泳法净化单层碳纳米管时偶然发现的。作为碳纳米材料家族中第一种发光的碳材料，碳点自发现以来备受关注。碳点由基于sp2杂化碳的无定形或结晶形的碳核和带有含氧基团的碳壳组成。目前，碳点凭借其小的尺寸、好的水溶性、激发波长依赖性、抗光漂白性、低毒性和优良的生物相容性等，已经被应用于诸多领域，例如荧光探针、生物成像、荧光墨水、荧光染料、发光二极管、光催化等。
碳点的制备方法目前主要有两种：自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)。自上而下的合成方法，即从较大的碳结构剥落制备碳纳米颗粒的物理方法，再通过聚合物表面钝化的方式使其有效发光，主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、电子束辐射等。自下而上的合成方法，即通过热解或碳化合适的前驱物直接合成荧光碳点，包括燃烧法、高温热解法、水热法、微波法、超声波法等。
目前，大多数合成的碳点在紫外光激发下发射蓝色荧光。在生物相关领域，蓝色荧光碳点作为光学探针并不具有吸引力，这是由于生物的自体荧光一般为蓝色，会对检测造成干扰；另外，紫外光激发会对生物体造成损伤。因此人们期待能够制备长波长发射碳点。为了达到这一目的，杂原子掺杂受到了大家的关注，这是由于杂原子掺杂能够调节碳点的组成和结构，从而提高碳点的光学性质。然而，掺杂碳点的研究尚处于起步阶段，因此寻找简单、有效的方法制备掺杂化、长波长发射碳点对其在生物相关领域的应用具有重要的意义。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种氮掺杂黄色荧光碳点的制备方法，该方法原料简单、制备条件要求低，制得的氮掺杂黄色荧光碳点毒性小、荧光量子产率高，可用于水溶液中高选择性、高灵敏度地检测Al3+，也可用于细胞成像。
为实现上述目的本发明提供的技术方案为：
一种氮掺杂黄色荧光碳点的制备方法，包括如下步骤：
(1)按质量比1:25～100将4-氨基水杨酸加入去离子水中，制得混合液；
(2)将步骤(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，进行水热反应；
(3)将步骤(2)得到的产物离心除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用透析袋透析除去杂质，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将步骤(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到目标氮掺杂黄色荧光碳点。
所述步骤(1)中4-氨基水杨酸与去离子水按质量比为1:25～100。
所述步骤(2)中水热反应的温度为140～310℃，时间为1～5h。
所述步骤(3)中的透析是用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析12～24h。
本发明方法制备的氮掺杂黄色荧光碳点可用于水溶液中Al3+检测和细胞成像。
与现有技术相比本发明的优点在于：
(1)制得的氮掺杂黄色荧光碳点具有良好的黄色发光性能，将其用于生物标记、细胞成像，可以避免生物自体荧光的干扰。
(2)制得的黄色荧光碳点稳定性强、毒副作用小、水溶性好，在细胞成像、生物传感、发光二极管等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点溶液分别在日光和波长为470nm激发下的照片
图2为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点的透射电镜图和尺寸分布图
图3为本发明实施例1中制备的氮掺杂黄色荧光碳点的红外光谱图
图4为本发明实施例1中制备的氮掺杂黄色荧光碳点的XPS图
图5为本发明实施例1中制备的氮掺杂黄色荧光碳点的紫外吸收光谱及荧光发射光谱图
图6为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱图
图7为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点对Al3+选择性的图
图8为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点溶液随Al3+浓度变化的荧光发射光谱图
图9为本发明实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点标记的人肝癌细胞HepG2细胞的激光共聚焦图
具体实施方式
以下实施例进一步阐述本发明的内容，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.2g 4-氨基水杨酸加入10mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在180℃下水热反应3h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为11.0％。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点溶液分别在日光灯和波长为470nm激发下的照片见图1，其中1为氮掺杂黄色荧光碳点溶液在日光灯照射下的图片，颜色为棕色，2为波长为470nm激发下的图片，颜色为黄色。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点的透射电镜图和尺寸分布图见图2。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点的红外光谱图见图3。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点的XPS图见图4。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点的紫外吸收光谱及荧光发射光谱图见图5。
制备的氮掺杂黄色荧光碳点在不同激发波长下的荧光发射光谱图见图6，其中1～7分别是激发波长为430nm、440nm、450nm、460nm、470nm、480nm和490nm激发下的荧光光谱图。
实施例2
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.4g 4-氨基水杨酸加入10mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在160℃下水热反应4h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为5.7％。
实施例3
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.1g 4-氨基水杨酸加入10mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在200℃下水热反应2h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为4.2％。
实施例4
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.2g 4-氨基水杨酸加入5mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在170℃下水热反应4h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为6.1％。
实施例5
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.1g 4-氨基水杨酸加入5mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在220℃下水热反应2h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为5.9％。
实施例6
氮掺杂黄色荧光碳点的制备：
(1)将0.3g 4-氨基水杨酸加入10mL去离子水中，制得混合液；
(2)将(1)得到的混合液转移到水热反应釜中，在190℃下水热反应3h；
(3)将(2)得到的产物用离心机以4000r/min转速离心20min除去不溶物得到澄清的棕色溶液，用截留分子量为500～1000Da的透析袋透析24h，得到氮掺杂黄色荧光碳点溶液；
(4)将(3)得到的氮掺杂黄色荧光碳点溶液冷冻干燥后得到氮掺杂黄色荧光碳点，其荧光量子产率(以罗丹明6G为标准)为8.3％。
实施例7
实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点对Al3+的选择性实验：
用pH＝7的0.01mol·L-1的磷酸缓冲液和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分别配制金属离子浓度为400μmol·L-1的溶液，分别将0.25mg实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点溶解到1mL上述含不同金属离子的溶液中，固定激发波长为490nm，在20℃下进行荧光光谱检测，根据(F0/F-1)，进而达到对Al3+选择性的检测。
氮掺杂黄色荧光碳点对Al3+选择性的图见图7：Al3+对氮掺杂黄色荧光碳点溶液有最大的响应。
实施例8
实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点作为Al3+探针的灵敏度实验：
用pH＝7的0.01mol·L-1的磷酸缓冲液和Al2(SO4)3分别配制Al3+浓度为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，分别将0.25mg氮掺杂黄色荧光碳点溶解到1mL上述含不同浓度Al3+的水溶液中，固定激发波长为490nm，在20℃下进行荧光光谱检测。
氮掺杂黄色荧光碳点溶液随Al3+浓度变化的荧光发射光谱图见图8，其中1～21分别是Al3+浓度为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的溶有氮掺杂黄色荧光碳点的磷酸缓冲溶液的荧光发射光谱图；从图中可以看出随着铝离子浓度的增加，547nm处荧光峰强度逐渐降低。
实施例9
实施例1制备的氮掺杂黄色荧光碳点溶液(0.25mg/mL)用于标记人肝癌细胞HepG2细胞。图9中从左到右依次为：暗场(激发为488nm)细胞图(显示黄色)，明场细胞图(显示灰色)，暗场和明场叠加图(显示黄色)。
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