煅烧合成石墨烯碳量子点的方法
【专利摘要】煅烧合成石墨烯碳量子点的方法，步骤1：将富勒烯（C60）与氢氧化钠（NaOH）按质量比放入玛瑙研钵中研细混匀；步骤2:按将以上反应物全部转移至洁净的坩埚中，于马弗炉中煅烧小时；步骤3：待反应完成后，取出冷却至室温，再加入超纯水溶解所得固体，然后离心去除大颗粒的未反应物质；步骤4：用透析袋对离心所得上清液进行对水透析至pH为中性；步骤5：将透析后的溶液通过冷冻干燥处理得到棕黄色粉末，即得到该石墨烯碳量子点。本发明利用煅烧合成的方法，方法简单，不需要后续的修饰步骤。
【专利说明】煅烧合成石墨烯碳量子点的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料技术。
【背景技术】
[0002]富勒烯(C6tl)，自1985年被科学家发现以来，已经被成功应用于光电器件、有机光电池、生物技术等。但是，富勒烯的荧光很弱，文献报道在620-900 nm的范围内其荧光量子产率仅为10_4。并且富勒烯溶解性差的问题也进ー步限制了它在生物医药方面的应用。虽然已有相关报道以富勒烯为碳源合成石墨烯碳量子点，但是其合成过程特殊，需要昂贵的仪器，或者量子产率较低(小于1%)，因此不能被广泛的应用。
[0003]针对以上问题，通过简单方法制备可用于细胞内铁离子检测的新型石墨烯碳量子点是有很重要的意义。
【发明内容】
[0004]针对现在通过富勒烯合成石墨烯碳点量子产率较低的缺点，本发明的目的是通过简单的煅烧法一歩法合成可用于细胞内铁离子检测的新型石墨烯碳量子点，该方法操作简单，合成步骤仅有一歩，且不需要复杂后处理。
[0005]本发明的技术方案如下:
煅烧合成石墨烯碳量子点的方法，步骤如下:
步骤1:将富勒烯(C6tl)与氢 氧化钠(NaOH)放入玛瑙研钵中研细混匀；所述富勒烯(C6tl)与氢氧化钠(NaOH)按质量比1:24至1:26。
[0006]步骤2:将以上反应物全部转移至洁净的坩埚中，采用25 mL的坩埚，在马弗炉中煅烧；所述煅烧温度为350±15°C,煅烧时间为4±0.1小时。
[0007]步骤3:待反应完成后，取出所得固体冷却至室温，再加入超纯水溶解所得固体，然后离心,取上清液待用；
步骤4:用透析袋对离心所得上清液进行对水透析至pH为中性；离心速度为12000转毎分钟。所述透析袋的截留分子量为1000。
[0008]步骤5:将透析后的溶液通过冷冻干燥处理得到棕黄色粉末，即得到石墨烯碳量子点。
[0009]所述石墨烯碳量子点呈单分散的均匀球体，粒径大小为2-3 nm,晶栅距离为0.24nm ;所述石墨烯碳量子点高度为2.5±1.5 nm，表面含有羧基和羟基，最大激发波长为290nm，最大发射波长为400 nm，且发射波长随激发波长的红移而红移，其量子产率约为4.8% ；所述石墨烯碳量子点具有良好的生物相容性，并且其荧光可以被铁离子猝灭，具有在细胞内检测铁离子的效果。
[0010]本发明利用煅烧合成的方法，简单易得地合成了石墨烯碳量子点，并且不需要后续的修饰步骤。该碳点的粒径大约为2-3 nm，量子产率可以达到4.8 %。
[0011]可以预测，该独特的性质可能在能量转移和细胞成像方面得到更广泛的应用。【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是透射电镜以及高分辨透射电镜对碳点的形貌进行表征，柱状图为统计图中粒子得到的粒径分布图。㈧石墨烯量子点的TEM成像，内嵌图:石墨烯量子点的HRTEM成像；(B)石墨烯量子点的粒径统计分布图。
[0013]图2是原子力显微镜对碳点高度的表征。左图为可视图像(AFM成像)，右图为以上图红色和绿色两条线所过之处的高度变化图。
[0014]图3是石墨烯量子点的荧光量子产率测定图(以硫酸奎宁为标准，线性拟合碳点和硫酸奎宁的量子产率)。
[0015]图4石墨烯量子点的光谱特征。(a)石墨烯量子点水溶液的紫外吸收光谱(ABS)，激发光谱(PLE)(发射波长为400 nm)和发射光谱(PL)(激发波长为290 nm)，内嵌图:石墨烯量子点水溶液分别在自然光下(左)和365 nm紫外灯下(右)的照片；(b) 石墨烯量子点在不同激发波长下的发射光谱，内嵌图:归一化处理的石墨烯量子点在不同激发波长下的发射光谱。
[0016]图5是用CCK-8方法研究不同浓度的石墨烯量子点与A549细胞作用的细胞毒性实验，所得结果均为三次平均实验的平均值。
[0017]图6是体外用石墨烯量子点检测Fe3+。(a) GQDs与不同浓度Fe3+作用后的荧光光谱图，从上到下，Fe3+浓度依次为:0,0.02，0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1,2,4,6,
B pmol/L，内嵌图=Fe3+浓度在0.G2-0.6μηιοΙ/L范围时ι _ ///。与Fe3+浓度的
关系图;(b)常见金属离子对GQDs荧光的影响，金属离子的浓度均为5pmol/L。
`[0018]图7是A549细胞荧光共聚焦成像图；㈧，⑶分别为A549细胞的荧光成像图和
明场与荧光成像叠加图；(C)，(D)分别为A549细胞与40^lg/mL GQDs孵育24h后的荧
光成像图和明场与荧光成像叠加图；(E)，(F), (G)，(H)为对A549细胞进行外加Fe3+成
像分析图，A549细胞先与40pg/mL GQDs孵育24h, PBS洗涤三次后，再与不同浓度的
Fe3+孵育Ih后的荧光成像图和明场与荧光成像叠加图:(E，F) 0.02 mmol/L Fe3+，(G，H)
0.1 mmol/L Fe3+。
【具体实施方式】
[0019]实施例1:
步骤1:将10.4 mg富勒烯(C6tl)与251.3mg氢氧化钠(NaOH)放入玛瑙研钵中研细混
匀；
步骤2:按将以上反应物全部转移至洁净的25 mL坩埚中，于350±15°C马弗炉中煅烧
4.1小时；
步骤3:待反应完成后，取出冷却至室温，再加入超纯水溶解所得固体，然后以12000转每分钟离心，去除下层沉淀物，取上清液待用；
步骤4:用截留分子量为1000的透析袋对离心所得上清液进行对水透析至pH为中性； 步骤5:将透析后的溶液通过冷冻干燥处理得到棕黄色粉末，即得到该石墨烯碳量子点。[0020]实施例2:
步骤1:将9.7mg富勒烯(C6tl)与248.9mg氢氧化钠(NaOH)放入玛瑙研钵中研细混匀； 步骤2:按将以上反应物全部转移至洁净的25 mL坩埚中，于348±10°C马弗炉中煅烧
4.0小时；
步骤3-5与实施例1相同。
[0021]以下是产物的形貌光学性质等表征(实施例1和2得到的产物形貌都是一祥的，两者的形貌、光学、化学性质没有区別):
(I)形貌表征:通过透射电镜和高分辨投射电镜可以看出，该碳点的是分散的，没有发现聚集的情況。其大小是均匀的，粒径大小约为2-3 nm，如图1所示。通过原子力显微镜可以看出碳点的高度大约为2.5± 1.5 nm，如图2所示，大致为3-4层石墨的厚度。由此可以看出，该碳点从外貌上上符合石墨烯碳量子点的特点。
[0022](2)量子产率:以硫酸奎宁(0K = 0.54)为标准物计算了该碳点的荧光量子产率。计算方法为，将奎宁固体溶解于0.1M的硫酸中，在吸收光谱仪上测定该溶液的吸收值,为A10然后在测定该吸收值为次的硫酸奎宁溶液的荧光峰积分面积，为ム。重复以上步骤，分别得到四组不同的硫酸奎宁溶液的吸收值ん，ル，A和んM1,ル，ん，A和ん的值两两相异，且其中的最大值不大于0.7，最小值不小于0.2)，以及其对应的荧光强度值J2，I3, J4和/5。以吸收值为横坐标，荧光峰积分面积为纵坐标做作图，得到以硫酸奎宁为标准的量子产率标准曲线。按以上方法，将硫酸奎宁溶液替换为碳点溶液，即得到碳点量子产率曲线，如
图4所示。然后按照公式进行计算，其中巾为所求的碳点的量子产率，
为硫酸奎宁标准物的量子产率，》为摊点量子产率曲线的斜率，为硫酸奎宁为标准的量子产率标准曲线的斜率，n为碳点所处溶液环境的折光指数,即为水的折光指数1.33,~为硫酸奎宁溶液所处环境的折光指数，也即为水的折光指数1.33。计算得到该碳点的量子产率为4.82% (如图3所示)。可以看出，相较现有的其他已有的通过富勒烯制得的石墨烯碳量子点的量子产率，该碳点的量子产率是较高的。
[0023](3)光学性质:通过吸收表征该碳点的吸收值可以发现其在260 nm出有一个宽的肩峰，在205 nm左右有较高的吸收值。通过观察该碳点的激发发射光谱，可见其最大激发峰在290 nm处，最大的发射峰在400 nm (图4的a)，且发射峰波长随激发波长的改变而改变，如图4的b所示。
[0024](4)材料所具有的性质和用途:该石墨烯碳量子点具有良好的生物相容性。以A549细胞为例，用CCK-8实验法进行了细胞毒性的实验，可以看出在石墨烯碳量子点浓度为5-40 u g/mL的范围内时，细胞的存活率在80%以上，表明其具有较低的生物毒性(图5)。
[0025]通过体外实验可以证明，该石墨烯碳量子点的荧光可以较好的被铁离子猝灭，猝灭程度与铁离子的浓度存在线性关系，且选择性较好(图6 )。
[0026]而先将石墨烯碳量子点与A549细胞孵育24小时，再通过外加不同浓度的铁离子再孵育I小时后，可以明显观察到蓝色荧光被猝灭(图7)。
[0027]结果表明石墨烯碳量子点可以成功的应用于细胞内的铁离子成像分析。
【权利要求】
1.一种煅烧合成石墨烯碳量子点的方法，所述方法步骤如下: 步骤1:将富勒烯(C6tl)与氢氧化钠(NaOH)放入玛瑙研钵中研细混匀； 步骤2:将以上反应物全部转移至洁净的坩埚中，在马弗炉中煅烧； 步骤3:待反应完成后，取出所得固体冷却至室温，再加入超纯水溶解所得固体，然后离心，取上清液待用； 步骤4:用透析袋对离心所得上清液进行对水透析至pH为中性； 步骤5:将透析后的溶液通过冷冻干燥处理得到棕黄色粉末，即得到石墨烯碳量子点。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述富勒烯(C6tl)与氢氧化钠(NaOH)按质量比1:24至1:26。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述煅烧温度为350±15°C，煅烧时间为4±0.1小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:采用25mL的坩埚。
5.根据权利要求1所述的方法 ，其特征在于:所述离心速度为12000转每分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述透析袋的截留分子量为1000。
7.ー种根据权利要求1-6之任一项所述的方法制备得到的用于细胞内铁离子检测的石墨烯碳量子点，其特征在于:所述石墨烯碳量子点呈单分散的均匀球体，粒径大小为2-3nm，晶栅距离为0.24 nm ;所述石墨烯碳量子点高度为2.5± 1.5 nm，表面含有羧基和羟基，最大激发波长为290 nm，最大发射波长为400 nm，且发射波长随激发波长红移而红移，其量子产率约为4.8%;所述石墨烯碳量子点具有良好的生物相容性，并且其荧光可以被铁离子猝灭。
8.权利要求7所述的石墨烯碳量子点在检测细胞内铁离子的浓度方面的应用。
【文档编号】B82Y30/00GK103523772SQ201310357910
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】黄承志, 刘春芳, 高铭萱 申请人:西南大学