一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点及其制备方法和应用与流程

技术邻域

本发明涉及发光纳米材料，具体涉及一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点(n-cds)及其制备方法和应用。

背景技术：

随着碳纳材料的发展，碳点(cds)作为一种新兴的发光碳纳米材料，由于其出色的光学和化学特性而受到了广泛的关注。碳点作为尺寸小于10nm的荧光纳米粒子，与有机荧光染料和常规半导体量子点相比，cds具有独特的性能，例如易于制备和功能化，良好的水溶性，高的光稳定性，优异的生物相容性和生物标记潜力，被广泛应用于荧光传感、光电设备，生物成像和生物医学等方面。

目前，一些以天然产物为原料合成的碳点也体现出多方面的用途。例如：一些研究者用牛奶，蜂蜜，丝绸，头发，柠檬等合成碳量子点将其用于生物成像，印刷图案和传感等方面。一些研究者用鸡蛋蛋清、蛋黄、蛋壳作原料合成碳点分别用于dna的结合和识别，fe³⁺的检测及生物成像。鱼鳞和蟹壳作为原料合成的碳点可用于生物传感和诊疗应用。因此，以廉价易得的天然产物为原料，使用一种简单的策略合成不同的多功能荧光碳点，实现碳点在多个方面的应用有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点及其制备方法和应用，所述的制备方法简单，成本低，原料易得；所制备的碳量子点可用于检测橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中的vb2含量，并用于细胞内vb2和ph传感，也能用于制备ph控制的荧光显色涂料。

本发明提供的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点的制备方法，包括如下步骤:

1)将干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入二次水，并将聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；干枯的康乃馨花瓣、聚乙烯亚胺和二次水的质量比为0.3-0.7：0.3-0.7：10-15；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在120℃-170℃下水热反应3-5h，然后将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物。之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

3)将上述碳点水溶液冷冻干燥得到基于康乃馨花的氮掺杂碳点。

步骤1)中所述的干枯的康乃馨花瓣、聚乙烯亚胺和二次水的质量比优选为0.5:0.5:12。

步骤2)中所述的水热反应温度优选为150℃，反应时间优选3h。

将上述方法制备的氮掺杂碳点可用于商业橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中vb2含量的检测，并可用于细胞内vb2和ph传感。

本发明提供的一种ph控制显色的荧光涂料，含有如上所述的基于康乃馨花的氮掺杂碳点。

一种ph控制显色的荧光涂料的制备方法，包括如下步骤：将聚乙烯醇加入二次水中，加热充分溶解，并将溶有荧烷染料和环氧树脂的乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

所述的聚乙烯醇、二次水、乙醇、荧烷染料、环氧树脂、氮掺杂碳点的质量比为2-4:20:5-8:0.05-0.1:0.02-0.05:0.004-0.01。

将上述方法制备的ph控制显色的荧光涂料，用酸能使涂料显色，且显色部分的荧光格外强，碱不能使其显色，且荧光很弱。

与现有技术相比本发明的有益效果：

本发明用干枯的康乃馨花瓣作为碳源，聚乙烯亚胺水溶性高分子聚合物作为氮源，通过一步水热法合成一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点。

干枯的康乃馨花瓣作为天然产物在自然界广泛存在，绿色环保，成本低易得；聚乙烯亚胺作为普通试剂，来源广泛，含有大量的-nh-官能团，能使得碳点表面含有大量含氮官能团。

氮掺杂碳点的量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54％)为参照，所得氮掺杂碳点的相对量子产率一般在8-13％之间。

本发明制备的氮掺杂碳点可用于商业橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中vb2含量的检测，并用于细胞内vb2的传感，也能用于细胞内ph传感。

本发明制备的ph控制显色的荧光涂料，用酸能使涂料显色，且显色部分的荧光格外强，碱不能使其显色，且荧光很弱，可将该涂料用作教室的书写板，在黑暗中能发射蓝光，用酸性笔写字，显粉色字。

总之，本发明操作工艺简单，原料易得，绿色环保，制备条件要求低，所得氮掺杂碳点光学性质稳定，荧光量子产率较高，该碳量子点作为比率型的荧光传感器检测vb2，有更宽的线性范围，更好的灵敏度。可用于商业橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中vb2含量的检测，有很好的光稳定性，低毒性，并用于细胞内vb2和ph的传感，也能用于制备ph控制的可显色的荧光涂料。

附图说明

图1为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点的荧光发射表现出激发波长独立性的光谱图

图2为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点的紫外吸收光谱及荧光激发和发射光谱

图3为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点的全xps光谱图

图4为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点检测vb2的荧光光谱滴定图

图5为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点在470nm和532nm处荧光强度的比值(f532/f470)随vb2浓度变化的工作曲线

图6为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点在470nm处的ph荧光滴定光谱图及工作曲线

图7为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点用于hela细胞内vb2传感的细胞共聚焦成像图，图中，有405nm激发下的暗场蓝光通道的细胞荧光图和绿光通道的细胞荧光图，及两个通道的组合图。

图8为实施例1制备的一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点用于hela细胞在不同ph下的细胞共聚焦成像图，图中，有405nm激发下的暗场蓝光通道的细胞荧光图和绿光通道的细胞荧光图，及两个通道的组合图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做详细说明，实施例给出详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

1)取0.5g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入12ml二次水，并将0.5g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在150℃下水热反应3h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为13％。

5)性质表征和应用见图1-8，表1。

ph控制显色的荧光涂料的制备：将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制显色的荧光涂料。

实施例2

1)取0.3g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入10ml二次水，并将0.5g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在150℃下水热反应3h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为8％。

ph控制显色的荧光涂料的制备：将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

实施例3

1)取0.7g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入15ml二次水，并将0.5g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在150℃下水热反应3h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为10％。

ph控制显色的荧光涂料的制备：将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

实施例4

1)取0.5g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入15ml二次水，并将0.7g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在150℃下水热反应3h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为11％。

ph控制显色的荧光涂料的制备：4)将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

实施例5

1)取0.5g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入12ml二次水，并将0.5g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在120℃下水热反应5h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为9％。

ph控制显色的荧光涂料的制备：将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

实施例6

1)取0.5g干枯的康乃馨花瓣置于烧杯中，加入12ml二次水，并将0.5g聚乙烯亚胺加入到该溶液中，超声处理后，得到混合溶液；

2)将上述超声处理的溶液置于高压反应釜中，在170℃下水热反应2h；

3)待反应停止，将高压反应釜自然冷却至室温，并用滤纸过滤以除去反应后溶液中的大颗粒物；之后，将深褐色滤液通过圆筒形的滤膜过滤器(0.22μm)进一步过滤，得到一种基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液；

4)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标碳量子点，其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12％。

ph控制显色的荧光涂料的制备：将3g聚乙烯醇加入20ml二次水中，加热充分溶解，并将溶有0.1g荧烷染料和0.03g环氧树脂的5ml乙醇溶液加入其中，充分搅拌混合，并稍微冷却10分钟后，将上述2ml基于康乃馨花的氮掺杂碳点溶液(3mg/ml)加入其中，充分搅拌，混合均匀，得到ph控制的可显色的荧光涂料。

实施例7

实例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点可检测vb2，如图4所示，在碳点溶液中逐渐滴加vb2溶液，随着vb2浓度的增加，在470nm处的荧光峰强度逐渐降低，而在532nm处的荧光峰强度逐渐增加。

实施例8

实例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点检测vb2的工作曲线，如图5所示：在0.35-35.9μm范围内，f532/f470与vb2浓度有很好的线性关系，线性方程为:f532/f470＝0.3071+0.0376x(vb2浓度)，r²＝0.99693；其中，f470为vb2加入前后碳点在470nm处的荧光强度，f532为vb2加入前后溶液在532nm处的荧光强度。

实施例9

实例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点可检测ph，如图6所示，在不同ph的pbs缓冲溶液中加入碳量子点溶液，碳点在470nm处荧光峰强度变化。基于康乃馨花的氮掺杂碳点检测ph的工作曲线(图6插图)：在ph3.6-8范围内，碳点在470nm处荧光强度f与ph有很好的线性关系。

实施例10

实施例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液用于实际样品商业橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中vb2的检测，如表1所示通过加表回收测的实际样品商业橙汁、豆浆、牛奶、蜂蜜、b族维生素片和多维复合维生素片中vb2的原始含量及加表回收率。

表1

实施例11

实施例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点在细胞成像方面的应用试验：

实施例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点水溶液用于标记的宫颈癌细胞hela，如图7第一、二、三，四行图分别表示，基于康乃馨花的氮掺杂碳点标记的宫颈癌细胞hela，加入0、11.9μm,23.8μmand35.9μmvb2孵育20分钟后，置于激光共聚焦显微镜下，观察细胞内荧光强度的变化，用于检测细胞内vb2。碳点标记的细胞在405nm激发波长下的照片，从左到右依次为：暗场(蓝光通道)细胞图，暗场(绿光通道)细胞图，明场和暗场的细胞组合图。(图7第一、二和三列图)。

实施例12

实施例1制备的基于康乃馨花的氮掺杂碳点用于标记宫颈癌细胞hela，如图8第一、二、三行图分别表示，基于康乃馨花的氮掺杂碳点标记的宫颈癌细胞hela，分别在ph为3.6、5.3和7.4的pbs缓冲溶液中孵育30分钟后，置于激光共聚焦显微镜下，观察细胞内荧光强度的变化，用于检测细胞内ph。碳点标记的细胞在405nm激发波长下的照片，从左到右依次为：明场细胞图，暗场(蓝光通道)细胞图，暗场(绿光通道)细胞图，明场和暗场的细胞组合图。(图7第一、二和三列图)。