具有生物相容性的新型发光碳量子点的制备方法及其应用与流程

[0001]
本发明属于碳纳米材料的合成技术领域，具体涉及一种具有生物相容性的新型发光碳量子点的制备方法及其作为纳米荧光探针的用途。


背景技术：

[0002]
碳纳米材料作为纳米技术领域的重大突破，属于最重要的化学领域之一。新型的碳纳米材料碳量子点是一种近似球型的、粒径尺寸小于10nm的零维半导体纳米晶体，很多碳量子点具有荧光特性、稳定性、水溶性、良好的生物相容性等特点，作为纳米荧光探针具有准确性高、诊断快速以及灵敏度高等优点。目前全球资源匮乏，开发具有良好性能、生态友好的新型碳量子点至关重要。在过去的十几年中，研究人员已经制备了具备良好荧光性能的碳量子点，碳量子点广泛应用在传感器、生物成像、疾病诊断等领域中。另外，合成路线快速发展，各种天然生物质和废弃物均被广泛用作制备荧光碳量子点的前驱体，对环境危害较小，也可以通过简单的方法大量廉价地生产，成为了理想的荧光纳米探针。因此，很多基于碳量子点的荧光纳米探针被用来检测各种物质，如各种金属离子、药物以及生物大分子等。
[0003]
谷胱甘肽是一种含有γ-酰胺键和巯基的三肽，几乎存在于身体的每一个细胞中，在维持生物体内免疫系统正常的功能中起关键作用，具有广谱解毒、延缓衰老和抗肿瘤等显著的生物学作用。细胞内谷胱甘肽的含量异常则会引发许多疾病，目前用于检测谷胱甘肽的方法主要为高效液相色谱法、毛细管区电泳法和电化学分析法等，这些方法存在实验过程复杂、成本昂贵和灵敏度低等缺点。因此，寻找新的分析检测谷胱甘肽的方法是很有必要的。
[0004]
碳量子点作为荧光探针具有准确性高、诊断快速以及灵敏度高等优点。科学家们尝试从一些良性的化合物甚至食物中提取碳量子点，如葡萄糖、柠檬酸、野花枯草等各种天然生物质前体被广泛用作制备碳量子点的前驱体，对环境十分友好。鱼鳞是一种生物质废弃物，其含有丰富的氨基酸、蛋白质、脂肪酸以及矿物元素等，可以用作制备新型碳量子点的前驱体，用于构建高效率的纳米荧光探针。基于鱼鳞制备的纳米荧光探针的技术手段非常少，本发明报道了以草鱼鱼鳞作为富含氮的碳源，经过高温热解法一步获得石墨化程度较高的碳量子点，合成步骤简便，因此，如何能够以低成本荧光碳量子点探针快速简便且特异性地识别谷胱甘肽值得进一步探究。


技术实现要素：

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本发明解决的技术问题是提供了一种具有生物相容性的新型发光碳量子点的制备方法及其作为纳米荧光探针的用途，该方法制得的新型发光碳量子点能够低成本、高效、特异性地快速标记谷胱甘肽。
[0006]
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，具有生物相容性的新型发光碳量子点的制备方法，其特征在于具体步骤为：
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步骤s1：将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、研磨得到草鱼鱼鳞粉末，再称取草鱼鱼鳞粉末0.01-2g置于瓷坩埚或方舟中，采用管式电阻炉加热，于220-550℃温度下保温反应0.5-24h，反应结束后自然静置冷却至室温得到粗产物；
[0008]
步骤s2：将步骤s1得到的粗产物溶解于1-100ml水溶液并分装在离心管中超声，用孔径为0.22μm的滤膜抽滤并进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。
[0009]
优选的，步骤s2所述水溶液为去离子水或蒸馏水。
[0010]
优选的，步骤s2所述冷冻干燥的温度为-50℃。
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优选的，步骤s2所述的新型发光碳量子点配制浓度为0.06-0.98mg ml-1
碳量子点水溶液，该新型发光碳量子点具有良好的荧光特性，荧光良子产率为27％，在400nm的激发波长下新型发光碳量子点溶液在450nm处发射较强的荧光。
[0012]
本发明所述的具有生物相容性的新型发光碳量子点作为纳米荧光探针的用途。
[0013]
本发明所述的具有生物相容性的新型发光碳量子点作为谷胱甘肽荧光探针的用途，其用于人血清样品中谷胱甘肽的测定，测定谷胱甘肽的线性范围为1.6-36μg ml-1
，检出限为0.77μg ml-1
。
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本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
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1、本发明合成方法简便，一步反应即可合成目标产物。
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2、本发明环保、合理利用废弃物作为前驱体，既能保护环境又不造成资源浪费。
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3、本发明反应成本极低，且能快速、灵敏地检测谷胱甘肽。
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因此与传统有机染料和半导体量子点的谷胱甘肽探针相比，本发明成功实现了无需前处理、低廉成本、高特异性和快速简单地检测谷胱甘肽，所制得的新型发光碳量子点荧光量子产率高且安全可靠，在检测谷胱甘肽领域中具有巨大的实际应用潜力。
附图说明
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图1是实施例1制得的新型发光碳量子点的紫外吸收光谱图；
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图2是实施例1制得的新型发光碳量子点的荧光光谱图；
[0021]
图3是实施例1制得的新型发光碳量子点的傅里叶变换红外光谱图；
[0022]
图4是实施例1制得的新型发光碳量子点在不同溶剂中的荧光图片，从左到右的溶剂分别为丙酮、乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺；
[0023]
图5是实施例1制得的新型发光碳量子点的细胞毒性示意图。
具体实施方式
[0024]
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
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实施例1
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新型发光碳量子点的合成步骤：将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、粉碎得到草鱼鱼鳞粉末，称取0.5g草鱼鱼鳞粉末置于瓷坩埚中，采用管式电阻炉(高纯氩气氛围)于220℃加热反应2h，反应结束后自然冷却至室温得到粗产物，再将得到的粗产物溶解于水溶液中并分装在离心管中超声，经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.22μm的滤膜抽滤得
到浅棕色溶液，将得到的浅棕色溶液进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。配制新型发光碳量子点水溶液用于光谱表征。新型发光碳量子点的紫外吸收光谱如图1所示，根据图1可以看出新型发光碳量子点的紫外吸收在200-300nm范围内有强吸收，在300-350nm范围内有弱吸收，可能是由于芳香碳环骨架的π-π*的跃迁和n-π*的跃迁造成的。荧光光谱如图2所示，在400nm的激发波长下新型发光碳量子点溶液在450nm处发射较强的荧光，展示了cds典型的下转换荧光特性。
[0027]
图3为新型发光碳量子点的傅里叶变换红外光谱，3500-3000cm-1
的吸收峰是典型的-nh2，-oh和-ch3的弯曲振动。1640cm-1
，1602cm-1
和1415cm-1
处的峰代表c＝o，n-h和c-n的伸缩振动。另外1017cm-1
处的峰可归属为gf2-cds的c-o化学键的伸缩振动，这些振动峰表明新型发光碳量子点的亲水性。
[0028]
新型发光碳量子点的原始荧光可以被银离子有效地猝灭，在上述碳量子点-银离子体系中加入谷胱甘肽后，谷胱甘肽可以通过形成银-硫键，选择性地与银离子结合在一起，从碳量子点表面除去银离子，导致碳量子点-银离子复合物解离，使碳量子点的荧光显著恢复。因此，该新型发光碳量子点通过识别竞争反应来控制荧光的强弱，是一种适合测定谷胱甘肽的新型纳米荧光探针，测定谷胱甘肽的线性范围为1.6-36μg ml-1
，检出限为0.77μg ml-1
，该关-开传感的方法成功用于人血清样品中谷胱甘肽的测定。
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图5显示不同浓度的新型发光碳量子点下细胞存活率的柱状图，如图5所示，在不同浓度的新型发光碳量子点的作用下，细胞均能保持较高的存活率，说明本实施例制得的新型发光碳量子点的生物相容性高，适用于体外和体内环境下的荧光检测。
[0030]
实施例2
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将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、粉碎得到草鱼鱼鳞粉末，称取0.5g草鱼鱼鳞粉末置于瓷坩埚中，采用管式电阻炉(高纯氩气氛围)于220℃加热反应2h，反应结束后自然冷却至室温得到粗产物，再将得到的粗产物溶解于水溶液中并分装在离心管中超声，经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.22μm的滤膜抽滤得到浅棕色溶液，将得到的浅棕色溶液进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。配制新型发光碳量子点丙酮溶液。
[0032]
实施例3
[0033]
将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、粉碎得到草鱼鱼鳞粉末，称取0.5g草鱼鱼鳞粉末置于瓷坩埚中，采用管式电阻炉(高纯氩气氛围)于220℃加热反应2h，反应结束后自然冷却至室温得到粗产物，再将得到的粗产物溶解于水溶液中并分装在离心管中超声，经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.22μm的滤膜抽滤得到浅棕色溶液，将得到的浅棕色溶液进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。配制新型发光碳量子点乙醇溶液。
[0034]
实施例4
[0035]
将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、粉碎得到草鱼鱼鳞粉末，称取0.5g草鱼鱼鳞粉末置于瓷坩埚中，采用管式电阻炉(高纯氩气氛围)于220℃加热反应2h，反应结束后自然冷却至室温得到粗产物，再将得到的粗产物溶解于水溶液中并分装在离心管中超声，经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.22μm的滤膜抽滤得到浅棕色溶液，将得到的浅棕色溶液进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。配制新型发光碳量子点甲醇
溶液。
[0036]
实施例5
[0037]
将水产品废弃物草鱼鱼鳞清洗、烘干、粉碎得到草鱼鱼鳞粉末，称取0.5g草鱼鱼鳞粉末置于瓷坩埚中，采用管式电阻炉(高纯氩气氛围)于220℃加热反应2h，反应结束后自然冷却至室温得到粗产物，再将得到的粗产物溶解于水溶液中并分装在离心管中超声，经离心后去除大颗粒物质，然后用孔径为0.22μm的滤膜抽滤得到浅棕色溶液，将得到的浅棕色溶液进行旋转蒸发和冷冻干燥得到粉末状新型发光碳量子点。配制新型发光碳量子点二甲基甲酰胺溶液。
[0038]
由图4可知，在紫外光照射下，四瓶新型发光碳量子点的有机溶液均能发射出明亮的荧光，新型发光碳量子点在有机溶剂中的荧光量子产率均低于在水中的荧光量子产率，可能源于溶液中不能发光的含碳成分吸收了激发光子，降低了荧光强度。
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以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，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。