本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种荧光碳量子及其制备方法和用途。
背景技术
医疗与卫生是我国关系到民生的重要领域，其中，微生物活性是评价疾病感染、环境污染、食品安全以及抗菌药物药效等方面的重要指标，在水、食品和临床样本的病原性检测，抗菌剂开发，疾病的预防与控制等工作中发挥了重要作用。因此，开发简便、高效、准确的微生物活性检测方法具有重要意义。
传统微生物活性检测多采用平板菌落计数法，该方法易于操作，检测结果可靠，但由于需要培养微生物至其形成肉眼可见菌落后，才能进行计数检测，检测时间过长，检测结果滞后，不利于及时了解微生物生长状况，影响企业对微生物污染控制的时效性。随着分子生物学技术的发展，涌现了聚合酶链式反应(pcr)、依赖核酸序列的扩增(nasba)、荧光定量pcr技术、基因芯片技术等一系列技术手段，基于核酸扩增技术的微生物活性检测技术不断建立。但由于核酸的检测需要昂贵精密的仪器和耗费较多的时间，且部分检测方法过程繁琐，需要配备专业的操作人员，所以大大阻碍了市场规模化的推广应用。
显微观测法(包括原子力显微镜、电子显微镜以及荧光显微镜)和光谱检测法(包括拉曼光谱和红外光谱)是微生物活性检测的重要手段之一，但是，原子力显微镜和电子显微镜观测法的样品制备复杂，设备昂贵，也进一步限制了其应用。光谱检测法同样观测结果不够直观，后续数据分析复杂，数据统计量低，并且实验设计和数据采集过程繁复。
目前，结合荧光染料的荧光检测方法，是应用最为广泛的微生物活性检测方法。荧光检测法可以对单个细胞或一群细胞进行直观地染色成像，从而区分微生物死活。经过荧光染色的微生物可以用荧光显微镜进行定性观测或者流式细胞仪对微生物的荧光量和微生物数量进行定量统计，从而实现对大量微生物细胞的定量活性统计。
因此，开发新型的能够有效区分微生物死活的荧光染料分子，具有重要意义。
技术实现要素：
因此，本发明要解决的技术问题在于提供一种新型的用于检测微生物活性的荧光染料分子。
为此，本发明提供了如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种荧光碳量子点，所述荧光碳量子点是氮、磷共掺杂碳量子点，所述荧光碳量子点的碳源为萘二甲酸。
可选地，上述的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点的碳源为1,4-萘二甲酸，所述荧光碳量子点的氮源为尿素，所述荧光碳量子的磷源为磷酸。
可选地，上述的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点的碳源：氮源：磷源的质量比为(0.1-0.2)：(0.1-0.2)：(56-58)。
优选地，上述的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点的碳源：氮源：磷源的质量比为0.1：0.2：57.4。
可选地，上述的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点激发光的光谱范围为270-350nm，所述荧光碳量子点在425-475nm的光谱范围内具有发射峰。
可选地，上述的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点的粒径为3-5nm。
第二方面，本发明提供了一种上述的荧光碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
(1)将萘二甲酸和氮源分散于含有磷源的溶液中，得到前驱体溶液；
(2)加热处理所述前驱体溶液，得到含有荧光碳量子点的溶液；
(3)将所述含有荧光碳量子点的溶液依次进行分离纯化和冻干处理，得到所述荧光碳量子点。
可选地，上述的制备方法，所述加热处理的温度为200℃，时间为9h；
所述分离纯化处理是将所述含有荧光碳量子点的溶液放入截留分子量为1kda的透析袋中，进行透析处理。
可选地，上述的制备方法，所述步骤(3)中，调节所述含有荧光碳量子点的溶液ph为7.4，然后进行所述分离纯化和冻干处理。
第三方面，本发明提供了上述的荧光碳量子点在微生物活性检测或生物医学成像中的用途。
可选地，上述的用途，所述微生物包括革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌和真菌。
进一步可选地，上述的用途，所述革兰氏阳性菌选自金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和藤黄微球菌中的至少一种，
所述革兰氏阴性菌选自大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌和鼠伤寒沙门氏菌中的至少一种，
所述真菌包括酵母菌和黑曲霉菌中的至少一种。
第四方面，本发明提供了一种荧光成像试剂，所述荧光成像试剂包括上述的荧光碳量子点。
第五方面，本发明提供了一种微生物活性检测试剂盒，所述试剂盒包括上述的荧光碳量子点，或者上述的荧光成像试剂。
本发明的技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的荧光碳量子点，所述荧光碳量子点是氮、磷共掺杂碳量子点，所述荧光碳量子点的碳源为萘二甲酸。碳源结构和元素掺杂对碳量子点的光学性质具有重要影响，通过选择以萘二甲酸作为碳量子点的碳源，并且对碳量子点进行氮、磷的元素掺杂，改变碳量子点的化学成分和结构，调节碳量子点的表面基团(c＝c、c-n、c-o、c-p、o-c＝o、n-h、(c)3-n、c-p、p-o等)，对碳量子点的能级结构和电子云分布进行调节，改善其光学性质，得到具有高荧光量子产率和高荧光强度的碳量子点。
荧光碳量子点的表面富有羧基、羰基等基团，使其表面带有负电荷，当其应用于检测微生物时(例如，细菌)，由于活细菌的细胞膜带有负电荷受静电作用影响，阻止了荧光碳量子点进入单个活细菌内部；而在细菌丧失活性后，细菌的细胞膜的通透性发生改变，荧光碳量子点穿过细胞膜进入单个细胞内对其进行荧光标记，从而实现对活细菌与死细菌的区分检测。
同时，上述的荧光碳量子点具有良好的生物相容性、低的细胞毒性和良好的光学稳定性，适于作为细胞成像剂，用于体内或者体外的生物医学成像检测。
2、本发明提供的荧光碳量子点，碳源为1,4-萘二甲酸，氮源为尿素，磷源为磷酸，通过上述的选择性组合，获得了具有高荧光量子产率的荧光碳量子点，荧光碳量子点的激发光的光谱范围为270-350nm(最大激发光波长为310nm)，荧光碳量子点在425-475nm的光谱范围内具有发射峰(最大发射光波长为445nm)，荧光碳量子点具有大的斯托克斯位移，能够减少激发光及其散射光对发射光谱的影响，有助于提高荧光光谱信号检测的准确性。通过进一步调节使用的碳源、氮源和磷源的比例，进一步调节碳量子点的表面基团以及的c、n、p的比例，得到荧光量子产率在70％以上(最佳达到89.9％)的荧光碳量子点，其吸收峰形状和发射光谱形状较为稳定，能够有效用于微生物活性检测。
3、本发明提供的荧光碳量子点的制备方法，以萘二甲酸为碳源，共掺杂氮元素和磷元素，通过水热法对前驱体溶液进行加热热解，得到分散性和稳定性好的荧光碳量子点。该制备方法的原料易于获得、制备成本低、制备方法易于实现，适于荧光碳量子点的制备和市场推广。
通过控制加热热解的温度和处理时间，对反应条件进行优化，得到具有最佳荧光量子产率的碳量子点。由于碳量子点的荧光强度受ph值影响，通过含有荧光碳量子点的溶液的ph值，得到具有最佳荧光强度，且适于微生物活性检测的碳量子点。通常对含有荧光碳量子点的溶液进行透析处理，以纯化荧光碳量子点，并且对碳量子点的尺寸进行控制，得到粒径均一性好(3-5nm)的荧光碳量子点。上述制备方法制得的荧光碳量子点，同时兼具高的生物相容性和低的细胞毒性，适于活细胞、甚至生物活体内的荧光成像检测。
4、本发明提供的荧光碳量子点在微生物活性检测中的用途，通过荧光碳量子点对活的微生物进行选择性标记，然后仅需要对荧光进行观测或统计，即能实现对微生物活性的定性或定量检测，微生物可以是革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和/或藤黄微球菌)、革兰氏阴性菌(大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌和/或鼠伤寒沙门氏菌)或真菌(酵母菌和/或黑曲霉菌)。利用上述的荧光碳量子点能够简化了微生物活性检测的过程，具有高的检测效率和检测灵敏度，在水和食品等的质量安全评价、临床微生物检测、疾病的预防与控制、抗菌剂的开发等不同领域具有重要的应用价值。
5、本发明提供的荧光碳量子点在生物医学成像中的用途，由于荧光碳量子点的荧光量子产率高、荧光性能稳定，并且具有高的生物相容性和低的细胞毒性，能够用于体外或体内环境下的细胞、组织以及生物活体的荧光成像检测，对细胞或生物活体的影响较小。
附图说明
图1是本发明实施例1的荧光碳量子点的透射电子显微镜表征结果图；
图2是本发明实施例1的荧光碳量子点的紫外-可见光吸收光谱图；
图3是本发明实施例1的荧光碳量子点在不同激发光下的荧光光谱图；
图4是本发明实施例1的荧光碳量子点xps能谱的全谱图；
图5是本发明实施例1的荧光碳量子点xps能谱的c1s谱图；
图6是本发明实施例1的荧光碳量子点xps能谱的n1s谱图；
图7是本发明实施例1的荧光碳量子点xps能谱的p2p谱图；
图8是本发明实施例1的荧光碳量子点对金黄色葡萄球菌活性检测的结果图；
图9是本发明实施例1的荧光碳量子点的细胞毒性检测结果图。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下述实施例中涉及到的仪器如下：(jeol-2100f)透射电子显微镜，紫外-可见光分光光度仪(agilentcary300scan)，荧光分光光度仪(hitachif-4600)，x射线光电子能谱分析仪(axisultradld)；
下述实施例中使用的实验试剂均为常规实验试剂，可由市场直接获得；
下述实验例中细胞毒性检测用的hela细胞由中国科学院苏州生物医学工程技术研究所获得。
实施例1
本实施例提供一种荧光碳量子的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1,4-萘二甲酸0.1g，尿素0.2g溶于40ml85wt％磷酸溶液(密度：1.689g/ml)中，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液转移到80ml容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在200℃的温度条件下反应9小时；然后使反应釜自然冷却到室温，得到含有荧光碳量子点的水溶液；
(3)向冷却至室温的含有荧光碳量子点的水溶液中加入naoh溶液并搅拌，调节含有荧光碳量子点的水溶液的ph至7.4。然后将含有荧光碳量子点的水溶液移入截留分子量1000da的透析袋中透析处理72小时，收集透析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为荧光碳量子点。
测试方法及结果
对本实施例制备的荧光碳量子点的形态和结构进行表征，结果如下：
(1)透射电子显微镜(tem)表征
通过tem电镜来表征荧光碳量子点的形貌，结果如图1所示：荧光碳量子点分散均匀，粒径较小，外形趋近于圆球形，没有团聚现象。通过nanomeasurer软件对tem图中的颗粒粒径进行统计，得到荧光碳量子点的尺寸分布相对集中，介于3nm-5nm的范围内。
(2)紫外-可见光吸收光谱表征
使用紫外-可见光分光光度仪对荧光碳量子点的紫外-可见光吸收光谱进行表征，测试所用溶剂为去离子水，将荧光碳量子点配制为1mg/ml的碳纳米点水溶液，然后对其进行观测。图2显示荧光碳量子点的紫外-可见光吸收光谱，碳量子点的紫外-可见光吸收主要在紫外区域，特别在225nm左右有明显的吸收峰(图2左侧曲线)，荧光碳量子点在310nm波长的光激发下，激发光谱如图2中右侧曲线所示，与荧光碳量子点的荧光光谱图保持一致。
(3)荧光光谱表征
使用荧光分光光度仪，将荧光碳量子点配制为1mg/ml的碳纳米点水溶液，然后测试荧光碳量子点在不同激发波长下的荧光光谱，激发波长范围为270-390nm，间隔20nm进行测试。结果如图3所示：荧光碳量子点的荧光强度随着激发波长的增加而增加，在310nm的激发波长下达到最大强度；随后，随着激发光波长的增加，荧光碳量子点的荧光强度显著下降。荧光碳量子点的发射峰值未表现出明显的波长依赖特性，在不同波长的激发光下，荧光性能趋于稳定，最大发射峰在在445nm处。
(4)荧光量子产率
荧光量子产率(quantumyield，qy)是指材料被激发后，发射出的光子数与被激发时所吸收的光子数的比值，qy是衡量材料荧光性能的最重要的指标。荧光材料qy的测定一般采用参比法。
碳量子点的荧光量子产率通过与标准物在相同激发条件下比较获得，0.1m的h2so4稀释硫酸奎宁配制参比液，其荧光量子产率54％。首先测定样品在特定激发波长下的吸光度，然后测试不同吸光度值的样品溶液在特定激发波长下的发射光谱，样品的积分荧光强度由发射峰下方的面积积分计算可得，以吸光度为横坐标，以样品的积分荧光强度为纵坐标，绘制拟合直线关系，获得拟合直线的斜率。然后通过下面公式计算样品的相对量子产率：
qyx＝qyst(gx/gst)(ηx/ηst)2
qyx和qyst：样品的相对量子产率；gx和gst：样品和标准物的所绘直线的斜率；ηx和ηst：样品和标准物溶液所用溶剂的折射率。
荧光碳量子点的荧光量子产率测定为：89.9％。
(5)x射线光电子能谱(xps)表征
使用x射线光电子能谱分析仪分析样品的x射线光电子能谱，对荧光碳量子点的表面官能团信息进行分析。图4为xps能谱的全谱图，图4中显示荧光碳量子点中的o1s、c1s、n1s和p2p的元素信息。图5为c1s拟合的高分辨率c1s谱图，图5中显示了碳量子点中c＝c、c-n/c-c/c-p、c-o、o-c＝o键的存在；图6为n1s拟合的高分辨率n1s谱图，图6中显示了碳量子点中n-h、(c)3-n键的存在；图7为p2p拟合的高分辨率p2p谱图，图7中显示了碳量子点中c-p、p-o键的存在；根据能谱中上述相关化学键态的面积积分，实验可计算得到c、n、p的相对含量分别为50.5％、8.96％和19.77％。
实施例2
本实施例提供一种荧光碳量子的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1,4-萘二甲酸0.20g，尿素0.20g溶于39ml85wt％磷酸溶液(密度：1.689g/ml)中，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液转移到80ml容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在200℃的温度条件下反应9小时；然后使反应釜自然冷却到室温，得到含有荧光碳量子点的水溶液；
(3)向冷却至室温的含有荧光碳量子点的水溶液中加入naoh溶液并搅拌，调节含有荧光碳量子点的水溶液的ph至7.4。然后将含有荧光碳量子点的水溶液移入截留分子量1000da的透析袋中透析处理72小时，收集透析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为荧光碳量子点。
实施例3
本实施例提供一种荧光碳量子的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)称取1,4-萘二甲酸0.20g，尿素0.10g溶于40.4ml85wt％磷酸溶液(密度：1.689g/ml)中，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
(2)将前驱体溶液转移到80ml容积聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，拧紧釜盖，在200℃的温度条件下反应9小时；然后使反应釜自然冷却到室温，得到含有荧光碳量子点的水溶液；
(3)向冷却至室温的含有荧光碳量子点的水溶液中加入naoh溶液并搅拌，调节含有荧光碳量子点的水溶液的ph至7.4。然后将含有荧光碳量子点的水溶液移入截留分子量1000da的透析袋中透析处理72小时，收集透析袋内液。将收集的内液反复冻干，得到固体粉末，即为荧光碳量子点。
实施例4
本实施例提供一种荧光碳量子点在微生物活性检测中的用途，其中，荧光碳量子点由实施例1中提供的制备方法制得，微生物为金黄色葡萄球菌，检测步骤具体如下：
(1)细菌处死：将金黄色葡萄球菌在lb培养基中37℃培养12h，然后用1％苯扎溴铵溶液处理得到死细菌，用pbs处理活细菌作为对照；
(2)细菌染色：将活细菌与死细菌(1010cfu·ml-1)与荧光碳量子点的水溶液(200μg·ml-1)一起孵育2小时，3500转每分钟离心5分钟，得到细菌沉淀再用pbs离心纯化两次。
(3)染色结果观测：将染色后的细菌放在共聚焦显微镜下依次观测细菌明场图、在310nm波长的光激发下的荧光检测图，以及两者的叠加结果。
图8显示金黄色葡萄球菌活性检测结果图，其中图8a-8c依次为活菌的细菌明场图、荧光成像图和两者的叠加图，图8e-8g依次为死菌的细菌明场图、荧光成像图和两者的叠加图。由图8可知，荧光碳量子点仅能够进入死细菌内部，对其进行特异性标记，并显示出较高的荧光强度，而在活细菌中未检测到有效的荧光发光。因此，利用本发明提供的荧光碳量子点，能够有效区分微生物的死活，实现对微生物的活性检测。
对比例1
本实施例提供一种荧光碳量子的制备方法，与实施例1中提供的制备方法的区别在于：
步骤(1)中，称取柠檬酸0.1g，尿素0.2g溶于40ml85wt％磷酸溶液(密度：1.689g/ml)中，搅拌均匀后得到前驱体溶液；
对比例2
步骤(1)中，称取1,4-萘二甲酸0.1g，尿素0.2g溶于40ml的无水乙醇中，搅拌均匀后得到前驱体溶液。
实验例1
依据实施例1中测试方法提供的荧光量子产率和荧光光谱的分析方法，对实施例2-实施例3和对比例1-对比例2中制得的荧光碳量子点进行观测，结果如下表所示：
由上表可知，依据本发明提供的碳源、氮源和磷源制备的荧光碳量子点，其荧光量子产率明显优于对比实施例中的荧光碳量子点，因此，本发明提供的碳源种类以及n、p元素的掺杂，对于获得具有高荧光量子产率的适于微生物活性检测的荧光碳量子点，是必不可少的。
实验例2
1、实验目的：通过mtt法测试碳量子点对hela细胞的细胞毒性，细胞培养环境：dmem培养基，10％胎牛血清(fbs)，37℃，5％co2环境。
2、mtt测试的具体实验步骤为：
(1)在96孔细胞培养板上接种hela细胞，在细胞密度达到2×104cells/well后，于每个孔中加入180微升含10％fbs的dmem培基和20微升不同浓度的荧光碳量子点水溶液，荧光碳量子点水溶液的浓度梯度设置为50μg/ml、100μg/ml、150μg/ml、200μg/ml、250μg/ml、300μg/ml、350μg/ml，在37℃、5％co2条件下培养一天；
(2)清除旧培基，在每孔加入含mtt的新培基，继续培养细胞四个小时。
(3)清除培养液，加入dmso，并置于摇床振荡，充分溶解活细胞内部生成的甲膜结晶物；
(4)以纯dmso为空白，利用酶标仪测定490nm波长处的吸光度，记录结果；
(5)以未添加碳量子点溶液培养的细胞为空白对照，计算细胞的存活率。
3、实验结果
图9显示不同浓度的荧光碳量子点下细胞存活率的柱状图，由图9可知，在不同浓度的荧光碳量子点的作用下，细胞均能保持较高的存活率，随着荧光碳量子点的浓度的增加，细胞存活率未产生显著性降低，在荧光碳量子点浓度达350μg/ml时，细胞存活率仍在70％以上，因此，说明本发明提供的荧光碳量子点的细胞毒性低、生物相容性高，适用于体外和体内环境下的细胞、组织以及生物活体中的荧光成像检测。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。