一种可控发光碳纳米粒子及制备方法和应用与流程

本发明属于发光碳纳米粒子技术领域，具体涉及一种可控发光碳纳米粒子及制备方法和应用。

技术背景

随着纳米技术的产生与发展，碳材料大家庭不断壮大。碳纳米粒子作为碳材料大家庭中的新成员，是一种性质独特的发光纳米材料，因其具有粒径小(尺寸小于10nm)，毒性低，水溶性好，荧光性能优异和光稳定性强等优点而备受研究者的关注。碳纳米粒子(carbonnanoparticles,cnps)自2004年首次发现以来，一直受到科研工作者的青睐，相对于传统的量子点(qds)及荧光小分子体现出了一些特有的优势，包括：与qds相比，cds具有较好的生物相容性和环境友好性；相比于有机荧光染料，cds具有荧光稳定、激发波谱宽和成本低等优点。

目前，很多合成方法和材料可以用于碳纳米粒子的制备，但仍有一些问题存在，如有些方法步骤过于繁琐，有的碳纳米粒子的量子产率不高，有的制备方法需要添加有毒化学试剂，发光集中在短波长，可控合成的局限性，这限制了碳纳米粒子在实际检测中的应用。因此，发展简单、快速、绿色和低损耗以及可控其性质的碳纳米粒子合成方法是十分必要的。

目前碳纳米粒子的研究尚处于起步阶段，还有许多实验和理论方面的问题值得探索和解决。例如寻找更绿色环保的碳源，通过更简单安全、易操作的方法来合成性能更好，可控制备不同发光的荧光碳纳米粒子，碳纳米粒子作为新型荧光探针在生物标记以及离子、ph检测上有更深入的应用。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种简单、快速的方法用于可控荧光碳纳米粒子发光的制备，碳纳米粒子制备方法简便、设备简单、碳源低廉且绿色环保、反应时间短，可控合成不同发光碳纳米粒子；所制备的碳纳米粒子可应用于金属离子检测、ph的检测以及细胞成像等方面，检测灵敏度、检出限以及细胞成像效果均优于当前文献报道，对碳纳米粒子在实际样品、生物学以及医学应用有重要的指导意义。

本发明为实现上述目的而采取的技术方案为：

一种可控发光碳纳米粒子，通过以下步骤制成：

(1)将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1-2g于小烧杯中并加入去离子水10ml然后通过加入0-3gnaoh固体搅拌使其充分溶解，加入到高压反应釜中，放入烘箱150-250℃高温反应3-5小时；

(2)反应结束后冷却得到棕色或深棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色或棕色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

(3)将步骤(2)中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色或棕色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出强蓝色或者绿色荧光。

本发明可控发光碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：

(1)将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1-2g于小烧杯中并加入去离子水10ml然后通过加入0-3gnaoh固体搅拌使其充分溶解，加入到高压反应釜中，放入烘箱150-250℃高温反应3-5小时；

(2)反应结束后冷却得到棕色或深棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色或棕色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

(3)将步骤(2)中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色或棕色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出强蓝色或者绿色荧光。

本发明可控发光碳纳米粒子的应用，作为荧光探针用于检测水溶液中的fe³⁺浓度和水溶液的ph值或者通过活细胞荧光成像检测活细胞中的fe³⁺浓度和活细胞的ph值。

进一步地，本发明用于检测水溶液中的fe³⁺浓度和活细胞中的fe³⁺浓度时，在制备发光碳纳米粒子的步骤(1)中naoh固体的加入量为0g；用于检测水溶液的ph值和活细胞的ph值时，在制备发光碳纳米粒子的步骤(1)中naoh固体的加入量为1-3g。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明操作步骤简单，只需加入常规普通药品就可调节碳纳米粒子的发光，即发光可以向长波长移动，对于在生物传感应用有很重要的价值，反应物在同一体系中进行，即可得到目标碳纳米粒子。

(2)原材料为丁香花，是很低廉的绿色原料，来源广泛，经济环保。

(3)生产设备简单，成本低，反应周期短，产量高。

(4)合成的碳纳米粒子均有良好的水溶性，荧光产率高，生物相容性，良好的光稳定性，适合量产。

(5)应用价值高，制备碳纳米粒子可应用于金属fe³⁺离子检测，其检测灵敏度高，检出限在相关文献报道中是最小的；通过简单调控制备的碳纳米粒子还可应用于溶液ph的检测；所有制备的碳纳米粒子都可成功应用于生物标记、活细胞中fe³⁺离子以及ph检测，效果明显，

总之，本发明合成工艺操作简单，原料来源广泛且低廉环保，制备条件要求低且温和，所得碳纳米粒子产量高，解决了现有碳纳米粒子制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产问题，该碳纳米粒子可应用于金属离子检测、生物标记、生物影像、光电装置以及防伪标记等领域。

附图说明

图1是本发明将实施例1-8所得到的纯净碳纳米粒子进行荧光光谱测试，图1a、b为实施例1-5的荧光谱图，图1c为实施例6-8的荧光光谱图。

图2是实施例2中制备的纯净碳纳米粒子的紫外吸收光谱、最佳荧光激发和发射光谱。

图3是实施例7中制备的纯净碳纳米粒子的紫外吸收光谱、最佳荧光激发和发射光谱。

图4是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子荧光发射光谱随激发波长变化的谱图。

图5是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子的红外光谱图。

图6是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子的tem、hrtem以及粒径分布图。

图7是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子的xps谱图。

图8是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子的xrd谱图。

图9是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子对金属离子选择以及实施例2制备的纯净碳纳米粒子对铁离子猝灭图。

图10是实施例7制备的纯净碳纳米粒子在不同ph环境下的荧光图以及不同循环次数下荧光变化图。

图11是实施例2、实施例7制备的纯净碳纳米粒子对乳腺癌细胞mcf-7的细胞毒性mtt实验图。

图12是实施例2中制备的纯净碳纳米粒子标记乳腺癌细胞mcf-7以及检测铁离子的激光共聚焦图。

图13是实施例7中制备的纯净碳纳米粒子标记不同ph环境下乳腺癌细胞mcf-7激光共聚焦图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做详细的说明，具体的操作过程以及详细的实施方式通过实施例给出，单本发明的保护范围不限于以下实施例。

实施例1

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml，加入到高压反应釜中，放入烘箱150℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出蓝色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为5.8％。

实施例2

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出蓝色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12.9％。

实施例3

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml，加入到高压反应釜中，放入烘箱250℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出蓝色荧光；

步骤4将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为6.8％。

实施例4

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应3小时；

步骤2、反应结束后冷却得到棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出蓝色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为10.9％。

实施例5

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应5小时；

步骤2、反应结束后冷却得到棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕黄色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕黄色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出蓝色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为7.2％。

实施例6

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml然后加入1gnaoh固体搅拌使其充分溶解，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到深棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出绿色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以罗丹明6g为标准)为4.8％。

实施例7

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml然后加入2gnaoh固体搅拌使其充分溶解，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到深棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出绿色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以罗丹明6g为标准)为8.9％。

实施例8

步骤1、将鲜丁香花瓣烘干，粉碎成粉末，称取1g于小烧杯中并加入去离子水10ml然后加入3gnaoh固体搅拌使其充分溶解，加入到高压反应釜中，放入烘箱200℃高温反应4小时；

步骤2、反应结束后冷却得到深棕色溶液，通过离心，0.22μm过滤器过滤，然后在500-1000d透析袋中透析3天，得到棕色液体即为纯净碳纳米粒子溶液；

步骤3、将步骤2中的碳纳米粒子溶液冷冻真空干燥得到棕色粉末，即为目的碳纳米粒子，溶于水中发出绿色荧光；

步骤4、将上述荧光碳纳米粒子水溶液冷冻干燥后得到荧光碳纳米粒子，其相对量子产率(以罗丹明6g为标准)为6.5％。

实施例9

将实施例1-5所得到的纯净碳纳米粒子进行荧光光谱测试，如图1a、b为实施例1-5的荧光谱图。将实施例6-8所得到的纯净碳纳米粒子进行荧光光谱测试，如图1c为实施例6-8的荧光光谱图。

实施例10

将蓝色荧光量子产率最高的碳纳米粒子，即实施例2中得到的碳纳米粒子进行紫外光谱测定，荧光激发谱、发射谱测定，如图2；将绿色荧光量子产率最高的碳纳米粒子，即实施例7中得到的碳纳米粒子进行紫外光谱测定，荧光激发谱、发射谱测定，如图3。将实施例2中的碳纳米粒子溶液在不同激发波长下的荧光发射谱图进行测定，如图4a，在佳发射波长在450nm左右，属于蓝光范畴；将实施例2中的碳纳米粒子溶液在不同激发波长下的荧光发射谱图进行测定，如图4b，在佳发射波长在520nm左右，属于绿光范畴。

将实施例2和实施例7中得到高纯碳纳米粒子进行红外，tem/hrtem，xps，xrd表征，如图5-8得到本发明得到的高纯碳纳米粒子粒径均小于10nm，发蓝光的碳纳米粒子含有羧基、羟基以及氨基等基团，发绿光的碳纳米粒子含有羧基、羟基等基团，两种碳纳米粒子含有基团略有区别。

实施例11

取实施例2制备的荧光碳纳米粒子水溶液(2.8mg/ml)置于荧光比色皿中，分别加17种常见的金属离子溶液(300mm)，充分混合均匀，在荧光光谱仪中扫描发射光谱(λex＝340nm，λem＝445nm)，并记录加入每一种离子后的荧光强度，如图9b所示，实施例2的碳纳米粒子对fe³⁺有很好的选择性，即fe³⁺可以使实施例2中的碳纳米粒子的蓝色荧光淬灭。为了计算碳纳米粒子对fe³⁺的检测范围，取实施例2制备的荧光碳纳米粒子水溶液(2.8mg/ml)置于荧光比色皿中，从低到高分别加入不同浓度的fe³⁺溶液，充分混合均匀，测定在不同浓度fe³⁺下实施例2中荧光碳纳米粒子的荧光，如图9a，从图中继而得出对fe³⁺的检出限为可达3.69×10^-7mol/l，检出线性范围0-150mol/l。而实施例7中的发绿光的荧光碳纳米粒子没有对某种金属离子有很好的选择，如图9c。

实施例12

取实施例2制备的荧光碳纳米粒子水溶液(2.8mg/ml)置于荧光比色皿中，通过利用不同浓度fe³⁺滴定可以制得c(fe3+)与荧光强度的线性关系，从而可以测定实际水样中(自来水中)fe³⁺的含量，所测定值与电感耦合等离子光谱发生仪(icp)测定的结果基本一致，见表1，确定我们的方法具有可靠性。

实施例13

将实施例7中制备的发绿光的碳纳米粒子(1.6mg/ml)置于荧光比色皿中，加入不同ph的溶液(1.89-11.92)中测定其荧光，充分混合均匀，在荧光光谱仪中扫描发射光谱(λex＝450nm，λem＝520nm)，并记录加入到每一种ph后的荧光强度，如图10a所示，在1.89-8.95范围内呈线性，即ph越大荧光越强，在1.89和8.95不同重复变换后荧光不受影响，如图10b，说明实施例7制备的发绿光的荧光碳纳米粒子对ph有很好的灵敏度。

实施例14

将实施例7中制备的发绿光的碳纳米粒子(1.6mg/ml)置于荧光比色皿中，加入不同ph的溶液(1.89-8.95)中测定其荧光，得出溶液ph与荧光强度的线性关系，从而可以测定未知实际溶液中的ph，所测定值与商业ph测定仪测定值很接近，见表2。

实施例15

将实施例2、7中不同发光的碳纳米粒子进行细胞毒性测试，分别配制不同浓度的碳纳米粒子溶液(0-50mg/ml)作用于人乳腺癌细胞mcf-7，即通过常规mtt实验进行分析得出实施例2、7中制备的不同发光的碳纳米粒子对细胞毒性很小，如图11。

实施例16

将实施例2中制备的发射蓝色荧光的碳纳米粒子水溶液(6mg/ml)用于标记人乳腺癌mcf-7细胞，如图12，图12a是只有实施例2中制备的碳纳米粒子水溶液(6mg/ml)加入到培养mcf-7细胞中的dmem培养液中，共孵育10分钟后的激光共聚焦成像(激发波长是405nm，接收的发射波长范围是425-480nm)，显示蓝色荧光很强；图12b-e是加入实施例2中制备的碳纳米粒子水溶液(6mg/ml)加入到培养mcf-7细胞中的dmem培养液中，共孵育10分钟后，立即加入fe³⁺(300mm)在不同时间的激光共聚焦成像，显示随着时间推移，荧光逐渐减弱；图12f是加入fe³⁺在不同时间段的细胞内荧光强度图，表明实施例2中制备的碳纳米粒子可以在活细胞中检测fe³⁺。

实施例17

将实施例7中制备的发射绿色荧光的碳纳米粒子水溶液(5mg/ml)用于标记人乳腺癌mcf-7细胞，如图13，表示实施例7中制备的碳纳米粒子水溶液(5mg/ml)加入到培养mcf-7细胞中的dmem培养液中，在不同ph环境中共孵育10分钟后(激发波长是405nm，接收的发射波长范围是480-545nm)的激光共聚焦成像，显示在ph较小的酸性环境绿色荧光很弱，而在ph较大的中性和弱碱环境绿色荧光很强，表明实施例7制备的发射绿色荧光的碳纳米粒子可以在活细胞中检测酸碱性。

表1测定自来水中fe³⁺的含量(n＝3).

表2测定未知溶液ph值.

以上实施例描述了本发明的制备方法及应用。本行业的技术人员应该知晓本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明实质的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。