一种镧掺杂碳点的制备方法及其产品、应用与流程

本发明属于功能纳米材料技术领域，具体涉及一种镧掺杂碳点的制备方法及其产品、应用。

背景技术：

功能纳米材料所具备的各种效应，并且独特的性质使其在生物医学和农业领域中具有很好的应用前景。其中使用最多的荧光纳米粒子就是量子点。量子点是近年来发展起来的一类半导体纳米粒子，是半导体介于分子与晶体之间的一种过渡态，具有独特的光学性质和电学性质。但是量子点的毒性和潜在的环境危害性限制了它的应用。因此寻找适合于生物标记、药物输送以及重金属检测等生物医学以及农业领域中所需的纳米材料具有重要意义。碳点的出现是纳米材料领域的一个新的突破，除了具有传统半导体量子点所拥有的优良光学性能如荧光稳定性、激发波长依赖性和尺寸小等优点外，还具有传统半导体量子点无法比拟的高生物相容性、低细胞毒性、无光闪烁、低制备成本及制作工艺相对简单等优点，在生物医学和农业领域具有得天独厚的优势，因而越来越多地受到科学家的关注。

碳作为一切生物有机体的骨架元素，相对于其他元素构成的荧光纳米材料，碳点具有良好的生物相容性，可以通过细胞内吞，进入细胞内部而不影响细胞核，还可以与DNA生物大分子相互作用，从而可以进行DNA的识别与检测。碳点作为一种新型的金属离子荧光探针，在溶液中易被电子受体高效猝灭，据此能够有效地检测溶液中金属离子，并在一定范围内确定金属离子的浓度，然后进行痕量分析，这在农业重金属检测上也有很广泛的应用。

三磷酸腺苷，也称腺苷-5’-三磷酸(Adenosine-5’-triphosphate)是一类重要的核苷酸，其基本结构由腺苷和连续三个磷酸基组成，是体内组织细胞一切生命活动所需能量的直接来源，被誉为细胞内的“能量货币”。通过高能磷酸键的生成和水解，三磷酸腺苷储存和传递着大量化学能，并参与蛋白质、脂肪、糖和核酸的合成，调节细胞的生命过程。因此，三磷酸腺苷及其衍生物被认为可以促使机体各种细胞的修复和再生，增强细胞代谢活性。

技术实现要素：

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有镧掺杂碳点的制备方法的技术空白，提出了本发明。

因此，本发明其中的一个目的是解决现有技术中的不足，提供一种可以特异性检测Hg²⁺的存在的镧掺杂碳点的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种镧掺杂碳点的制备方法，将LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠加入到水中，在15～25℃搅拌反应20～40min，然后在170～190℃的条件下反应6～10h，待其冷却后过滤，将滤液透析，然后对透析液进行冷冻干燥后得到产品。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠的质量比为0.5～2：1。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述水的质量为底物质量的20～40倍。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述搅拌反应，其搅拌速度为400～600r/min。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述冷冻干燥，其是在-40～50℃下冷冻干燥20～28h。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述待其冷却，其是待其温度冷却到20～25℃。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述过滤，其是用0.22μm的滤膜过滤产物。

作为本发明所述镧掺杂碳点的制备方法的一种优选方案，其中：所述透析，其是将滤液置于透析袋中透析20～28h。

本发明的另外一个目的是解决现有技术中的不足，提供一种具有良好的生物相容性的镧掺杂碳点的产品。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：镧掺杂碳点组分以质量百分比计，包括碳68～70％、氧10～13％、氮15～17％、磷1.5～3％以及镧2～2.5％，碳点的直径尺寸为2.3～2.7nm。

本发明还有一个目的是提供一种镧掺杂碳点应用于PVA膜方面的方法。 为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：将镧掺杂碳点超声处理1～3h，称取PVA颗粒于水中，95～100℃至其完全溶解，得到澄清透明的溶液，将镧掺杂碳点溶液与PVA水溶液充分搅拌混合，置于室温环境下干燥成膜，得到PVA/镧掺杂碳点复合材料。

本发明所具有的有益效果：

(1)本发明制备的碳点不仅可以特异性检测Hg²⁺的存在，并且随着Hg²⁺的浓度增加，碳点的荧光强度不断地降低，可应用于重金属检测。

(2)该碳点可以有效的抑制细菌的生长，并且通过细胞毒性试验证明其具有良好的生物相容性，能够很好地应用于医用伤口敷料以及食品包装中。

(3)本发明制备碳点的产率很高，最高可至57％。

(4)本发明制备的碳点荧光具有激发波长依赖性，这一系列的结果为碳点药物运输、生物成像、发光材料的制备等方面的应用提供了新的平台。

(5)本发明制备的碳点在水溶液中具有良好的分散性，其生物相容性优越，在生物医药和农业领域均有着广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1是本发明制备的La-CDs的反应过程示意图。

图2是本发明制备的La-CDs的透视电镜图(插图为碳点的粒径分布图)。可以很好的看出，该碳点表现为相对均一的球形颗粒，具有很好的分散性，且碳点的粒径呈正态分布，纳米碳点的直径尺寸大约为2.5nm。

图3A和3B是本发明制备的碳点的激发波长依赖发射光谱和相应的标准化发射光谱图(实施例6)。La-CDs的荧光强度随着激发波长的增加呈先上升后下降的趋势，且最大的激发波长为350nm，最大发射波长为470nm。碳点的发射波长随着激发波长的增加而逐渐红移，呈现多元激发、多元发射的光谱特性。

图4A和4B是实施例7中不同金属离子对碳点的荧光强度的影响和不同浓度的Hg²⁺对碳点的荧光相应图。在Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺的存在下，只有Hg²⁺对碳点的荧光有淬灭作用，并且随着Hg²⁺的浓度增加，碳点的荧光强度不断下降。表明了所制备的碳点对Hg²⁺有着特异的识别。

图5A和5B是本发明制备的碳点表面粘附大肠杆菌以及金色葡萄球菌的SEM图(实施例8)。我们可以很明显的看出单纯的PVA表面有着大量的正常生长的大肠杆菌以及金色葡萄球菌，但是含有La-CDs的PVA膜表面则大肠杆菌以及金色葡萄球菌粘附含量较少，均呈现死亡状态，且大肠杆菌已经金色葡萄球菌的形态发生了一些变化，结构逐渐塌陷。

图6为实施例1～4制得的La-CDs的荧光强度对比图。

图7为实施例9中相对增殖率的柱状图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

掺杂镧元素的碳点采用如下方法制备：

第一步：将0.5g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二钠(ATP)分别加入30g去离子水中溶解；

第二步：将LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以600r/min搅拌30min。

第三步：将溶液转移到反应釜中，在180℃的条件下反应8h。

第四步：待到反应釜冷却到20℃时，用0.22μm的滤膜过滤产物，再将滤液置于透析袋中透析24h，然后将得到的透析液在-50℃下冷冻干燥24h得到固 态的La-CDs(lanthanum-carbon dots)。

用X射线光电子能谱分析(XPS)直接测试所制得的La-CDs，其检测结果为，该La-CDs包括碳68.85％、氧11.85％、氮15.32％、磷1.58％以及镧2.40％。

通过得到的产物质量比上反应物的质量，得碳点产率为55.65％。

实施例2

掺杂镧元素的碳点采用如下方法制备：

第一步：将1.0g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二钠(ATP)分别加入40g去离子水中溶解；

第二步：将LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以500r/min搅拌25min。

第三步：将溶液转移到反应釜中，在190℃的条件下反应8h。

第四步：待到反应釜冷却到25℃时，用0.22μm的滤膜过滤产物，再将滤液置于透析袋中透析24h，然后将得到的透析液在-55℃下冷冻干燥24h得到固态的La-CDs。

用X射线光电子能谱分析(XPS)直接测试所制得的La-CDs，其检测结果为，该La-CDs包括68.22％、氧10.45％、氮16.46％、磷2.85％以及镧2.02％。

通过得到的产物质量比上反应物的质量，得碳点产率为54.89％。

实施例3

掺杂镧元素的碳点采用如下方法制备：

第一步：将1.5g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二钠(ATP)分别加入50g去离子水中溶解；

第二步：将LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠(ATP)的水溶液混合，在20℃下，以600r/min搅拌40min。

第三步：将溶液转移到反应釜中，在180℃的条件下反应8h。

第四步：待到反应釜冷却到20℃时，用0.22μm的滤膜过滤产物，再将滤液置于透析袋中透析24h，然后将得到的透析液-55℃下冷冻干燥28h得到固态的La-CDs。

用X射线光电子能谱分析(XPS)直接测试所制得的La-CDs，其检测结果为，该La-CDs包括碳69.02％、氧10.43％、氮16.52％、磷1.56％以及镧2.47％。

通过得到的产物质量比上反应物的质量，得碳点产率为57.03％。

实施例4

掺杂镧元素的碳点采用如下方法制备：

第一步：将2.0g LaCl₃·2H₂O和1g三磷酸腺苷二钠(ATP)分别加入60g去离子水中溶解；

第二步：将LaCl₃·2H₂O和三磷酸腺苷二钠(ATP)的水溶液混合，在15℃下，以500r/min搅拌30min。

第三步：将溶液转移到反应釜中，在170℃的条件下反应9h。

第四步：待到反应釜冷却到20℃时，用0.22μm的滤膜过滤产物，再将滤液置于透析袋中透析24h，然后将得到的透析液-50℃下冷冻干燥24h得到固态的La-CDs。

用X射线光电子能谱分析(XPS)直接测试所制得的La-CDs，其检测结果为，该La-CDs包括碳68.02％、氧12.00％、氮16.02％、磷1.70％以及镧2.26％。

通过得到的产物质量比上反应物的质量，得碳点产率为56.11％。

将实施例1～4制得的La-CDs配制0.5mg/ml的溶液，用荧光分度计测量其荧光强度如图6所示。其结果为，实施例3中制得的La-CDs荧光强度最高。

实施例5

取适量稀浓度La-CDs水溶液滴于覆盖碳膜的铜网上，室温晾干后用透射电镜(日本Hitachi公司生产的H-7650型)观察样品形态，见附图2。可以看出，该碳点的直径大约在2.3～2.7nm，且分散均匀，由此可见，该发明制得的La-CDs具有尺寸均一以及很好的分散性优点。

实施例6

用去离子水配制0.5mg/ml合成的碳点溶液，用荧光分度计测量不同激发波长下的荧光发射谱图。如附图3所示，在不同激发波长下的荧光发射波发生了转移。La-CDs的荧光强度随着激发波长的增加呈先上升后下降的趋势，且最大的激发波长为350nm，最大发射波长为470nm。碳点的发射波长随着激发波长的增加而逐渐红移，呈现多元激发、多元发射的光谱特性。

由此可见，利用本发明提供的制备方法制得的碳点具有激发波长依赖性，可以在不同的激发下呈现出不同的颜色。

实施例7

将合成的碳点溶液配制0.1mM的Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺溶液，然后用荧光分度计测量其溶液的荧光强度(如图4A)。

用合成的碳点溶液配制了不同浓度的Hg²⁺溶液，然后用荧光分度计测量其荧光强度(如图4B)。我们发现只有汞离子溶液的荧光有大幅度的降低，其他离子溶液荧光强度没有明显的变化。并且随着汞离子的浓度增加，其荧光强度不断下降。在Hg²⁺，Ag⁺，Ba²⁺，Ca²⁺，Cd²⁺，Co²⁺，Cu²⁺，Fe³⁺，Mg²⁺，Mn²⁺，Ni²⁺，Ca²⁺，Na⁺，Pb²⁺和Zn²⁺的存在下，只有Hg²⁺对碳点的荧光有淬灭作用，并且随着Hg²⁺的浓度增加，碳点的荧光强度不断下降。表明了所制备的碳点对Hg²⁺有着特异的识别。

由此可见，利用本发明提供的制备方法制得的碳点可以特异性识别汞离子，并且可以检测出其浓度。

实施例8

将合成的La-CDs于去离子水中超声分散2h。称取适量PVA颗粒于去离子水中，96℃恒温水浴至其完全溶解，得到澄清透明的溶液。将不同体积的改性氧化石墨烯溶液与PVA水溶液充分搅拌混合，倒入聚四氟乙烯表面皿，置于室温环境下干燥成膜，得到PVA/镧掺杂碳点复合材料：PVA/La-CDs。

将PVA、PVA/La-CDs薄膜裁成直径为8mm的膜片，浸泡于PBS中24h，自然晾干，紫外照射杀菌30min后放入24孔板中，加入2ml液体培养基和20μl活化24h的大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)菌液，用塞子封口，置于37℃恒温振荡培养24h。然后用大量PBS冲去粘附不牢的细菌，用2.5％的戊二醛溶液(v/v，PBS稀释)固定膜片上的细菌4h，之后分别用50％、60％、70％、80％、90％和100％梯度浓度的乙醇溶液逐级脱水，每次浸泡30min。最后将膜片置于超净台自然干燥，喷金后用日本电子公司生产的JSM-5610LV型的扫描电子显微镜观察材料表面的细菌粘附情况。

如附图5所示，我们可以很明显的看出单纯的PVA表面有着大量的正常生长的大肠杆菌以及金色葡萄球菌，但是含有La-CDs的PVA膜表面则大肠杆菌以及金色葡萄球菌粘附含量较少，均呈现死亡状态，且大肠杆菌已经金色葡萄球菌的形态发生了一些变化，结构逐渐模糊。其结果为，PVA/La-CDs薄膜表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的数目明显少于对照组PVA薄膜。

由此可见，含有本发明制得的La-CDs的PVA膜表面对革兰氏阳性与阴性 菌具有抑制作用。

实施例9

用DMEM配制待测样品的梯度浓度溶液，依次为500μg/mL、250μg/mL、100μg/mL和50μg/mL。

将培养好的NIH3T3细胞用0.25％的胰蛋白酶进行消化，充分吹打使其形成均匀地单细胞悬液后，以100μL/well的量加入96孔板中。将96孔板置于CO₂培养箱中继续培养至细胞铺满孔底80％～90％时，吸出原有培养液，加入等量的不同浓度的样品溶液，每组接种3～6孔。给药后将孔板置于CO₂培养箱中培养24h，拿出后每孔加入20μL浓度为5mg/mL的MTT溶液，37℃恒温接触4h后，小心除去孔内液体，并加入150μL DMSO，室温下轻微振荡，使底部晶体充分溶解，用酶标仪在570nm波长下测定每孔的O.D.值。然后利用O.D.值来计算细胞相对增殖率。

如附图7所示，其结果为，La-CDs没有明显的细胞毒性，生物相容性良好，可用作生物医用材料。

综上所述，通过本发明所述的制备方法制得的碳点添加到膜中，不仅可以特异性检测Hg²⁺的存在，并且随着Hg²⁺的浓度增加，碳点的荧光强度不断地降低；该碳点可以有效的抑制细菌的生长，并且通过细胞毒性试验证明其具有良好的生物相容性，添加到膜中能够很好地应用于医用伤口敷料以及食品包装中；同时本发明制备的碳点的产率很高，大约在57％；由于该碳点荧光具有激发波长依赖性，这一系列的结果为碳点药物运输、生物成像、发光材料的制备等方面的应用提供了新的平台；最后，本发明制备的碳点在水溶液中具有良好的分散性，生物相容性优越，在生物材料领域有着广阔的应用前景。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。