一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点及其应用

1.本发明涉及纳米材料技术领域，更具体的说是涉及一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点及其应用。


背景技术：

2.碳量子点，简称碳点(cds)，是粒径小于10nm的新型荧光碳纳米材料。自2004年xu等人用电泳分离单臂碳纳米管时无意中发现碳点以来，逐渐成为碳基材料家族中的新星。与传统的半导体量子点相比，它具有极好的水溶性，低毒性，生物性溶性，荧光稳定和荧光可调等优势。使得碳点在很多方面都拥有应用的潜能，例如生物成像、生物传感、药物释放、光电器件和荧光打印等等，同时也吸引了大批研究者的兴趣。cds可以在水中得到很好的分散，且能够修饰各种不同类型的有机、无机材料。值得注意的是，根据cds的激发波长和尺寸，cds还拥有上转换光致发光的性能。由于以上这些优异的性能，cds成为在光催化、太阳能电池、生物材料等领域非常有前景的材料。
3.cds的制备方法分为两大类，一种是自上而下，另一种是自下而上。自上而下合成路线经由电弧放电、激光烧灼、电化学氧化等方法会打破较大的碳结构。2006年，sun等首先通过在氩气作为载气的氛围下激光烧灼碳靶得到cds。但是，这样制备得到的cds由于尺寸不一经常会聚集在一起，且不具备荧光发射性能。然而，这种cds经过氧化表面钝化处理之后能够发射明亮的蓝色荧光。自下而上合成路径通常通过热解一些有机小分子，如柠檬酸，葡萄糖，氨基酸，甘油等，另一方面还能通过微波裂解的方法制备cds。li等以改性二氧化硅球作为载体、甲阶酚醛树脂作为碳前体制备得到cds。bourlinos等描述了一种简易、一步热分解柠檬酸铵的方法得到cds。zhao等通过500w微波加热聚乙二醇、糖类溶液2
‑
10min的方法制备得到可发射荧光的cds。而成本是cds能否成功取代传统半导体量子点的关键因素。
4.以上所提及的方法基本都存在成本方面的缺陷，例如，设备昂贵，操作过程复杂费时，前驱体原料价格昂贵，急需一种能够成功克服这些弊端的绿色制备方法。
5.因此，如何提供一种成本较低的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点及其应用是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种成本较低、产率高、条件简单的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点及其应用，采取绿色环保的制备方法—水热法，可选择多种生物碳源、硫源和氮源，具体为利用纤维素为碳源，硫代硫酸钠和乙二胺(eda)作为硫源(掺杂剂)和氮源(钝化剂)，一步制得了氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，包括按重量份计以下原料：生物碳源0.5
‑
4份、氮源0.1
‑
4份和硫源0.1
‑
4份，并采用水热法一步制备而成。
9.优选地，所述生物碳源选自纤维素或纤维素衍生物中的一种。
10.优选地，所述氮源选自乙二胺、间苯二胺、尿素中的一种。
11.优选地，所述硫源选自硫代硫酸钠、亚硫酸钠、对氨基苯磺酸中的一种。
12.优选地，所述水热法具体包括以下步骤：
13.取生物碳源0.5
‑
4份、氮源0.1
‑
4份和硫源0.1
‑
4份置入反应釜中，加入水10
‑
100份并混合均匀后，在温度为80
‑
200℃下进行恒温水热反应24
‑
120h，反应结束后，经后处理得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
14.优选地，所述后处理的操作为：反应结束后得到反应液，离心后取上清液，用超纯水进行透析12
‑
96h，透析管的截留分子量为500
‑
1000da，透析结束后，冷冻干燥，得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
15.本发明还提供了所述的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在铁离子检测领域中的应用。
16.优选地，铁离子检测领域中，检测限为0.32ppm。
17.优选地，所述氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在细胞成像领域中的应用。
18.优选地，用于mc3t3细胞的荧光成像。
19.优选地，利用氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的荧光性质，在405nm的激发光下，细胞呈蓝色；在488nm的激发光下，细胞产生绿色荧光。
20.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，具有以下技术效果：
21.(1)本发明提供的一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，采取绿色环保的制备方法—水热法，可选择多种生物碳源、硫源和氮源，具体为利用纤维素为碳源，硫代硫酸钠和乙二胺(eda)作为硫源(掺杂剂)和氮源(钝化剂)，一步制得了氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
22.(2)本发明克服了现有荧光碳点制备条件苛刻，原料价格昂贵以及荧光量子产率低的问题，其操作简单，原料成本比较低，并且制得氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的荧光量子产量较高，荧光性能稳定，生物相容性好，低毒。成功将氮硫共掺杂纤维素质基荧光碳点应用于生物成像和铁离子检测。本发明制备方法操作简单，原料廉价易得，所得的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点具有较高的荧光量子产率，水溶性良好，荧光稳定。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1附图为本发明实施例1中氮硫共掺纤维素质基荧光碳点tem图。
25.图2附图为本发明实施例1中试验二的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的荧光发射光谱图。
26.图3附图为本发明实施例1中试验三的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的细胞毒性结果。
27.图4附图为本发明实施例4中氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的离子响应图。
28.图5附图为本发明实施例4中氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的fe(ⅲ)离子检测限计算数据图。
29.图6附图为本发明实施例5中氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在生物成像中的应用，(a)为405nm激发光下蓝色荧光成像，(b)为488nm激发光下绿色荧光成像。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
31.本发明实施例提供了一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，包括按重量份计以下原料：生物碳源0.5
‑
4份、氮源0.1
‑
4份和硫源0.1
‑
4份，并采用水热法一步制备而成。
32.为了进一步优化上述技术方案，生物碳源选自纤维素或纤维素衍生物中的一种。
33.为了进一步优化上述技术方案，氮源选自乙二胺、间苯二胺、尿素中的一种。
34.为了进一步优化上述技术方案，硫源选自硫代硫酸钠、亚硫酸钠、对氨基苯磺酸中的一种。
35.为了进一步优化上述技术方案，水热法具体包括以下步骤：
36.取生物碳源0.5
‑
4份、氮源0.1
‑
4份和硫源0.1
‑
4份置入反应釜中，加入水10
‑
100份并混合均匀后，在温度为80
‑
200℃下进行恒温水热反应24
‑
120h，反应结束后，经后处理得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
37.为了进一步优化上述技术方案，后处理的操作为：反应结束后得到反应液，离心后取上清液，用超纯水进行透析12
‑
96h，透析管的截留分子量为500
‑
1000da，透析结束后，冷冻干燥，得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点。
38.本发明还提供了的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在铁离子检测领域中的应用。
39.为了进一步优化上述技术方案，铁离子检测领域中，检测限为0.32ppm。
40.为了进一步优化上述技术方案，氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在细胞成像领域中的应用。
41.为了进一步优化上述技术方案，用于mc3t3细胞的荧光成像。
42.为了进一步优化上述技术方案，利用氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的荧光性质，在405nm的激发光下，细胞呈蓝色；在488nm的激发光下，细胞产生绿色荧光。
43.在具体实施例中，维生素粉末为生物碳源，硫代硫酸钠为硫源(掺杂剂)，乙二胺为氮源(钝化剂)，水为超纯水，均可在常规渠道购买的市售分析纯原料，关于原料的厂家与批次在此不做赘述。
44.实施例1
45.本实施例提供一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，由以下方法制备而成：
46.将0.5g纤维素粉和0.15g硫代硫酸钠粉末以及0.5ml乙二胺溶液(分析纯)放入聚四氟乙烯的反应釜中，同时加入10ml超纯水作为溶剂。将反应釜放于180℃恒温烘箱中，反应72h，离心得到棕色的碳点反应液，将反应液用500da的透析管透析72h，再将透析后的溶液用冻干机冷冻干燥，最终得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料。
47.为了进一步说明本发明的技术效果，申请人还针对实施例1得到的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的纳米粒径、荧光性质和细胞毒性进行测试，具体包括以下内容：
48.试验一：氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的物理特性。
49.采用透射电子显微镜对实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料进行电镜扫描得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点tem图，如图1(a)所示。在图(b)高分辨tem下，氮硫共掺纤维素质基荧光碳点为近似球形的纳米材料，平均粒度为3.2nm。
50.试验二：氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的荧光性质。
51.利用荧光分光光度计对实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料进行荧光性能测试，如图2所示，氮硫共掺纤维素质基荧光碳点水溶液在不同激发光下得到发射光谱图，可以看出氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料的发射光谱存在依赖激发光现象，发射光谱随着激发光波长的增加而发生红移现象。
52.试验三：氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的细胞毒性。
53.利用实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料，进行细胞毒性实验。将mc3t3成骨细胞接种于96孔板中，置于37℃，5％co2的培养箱中培养。24h后吸去培养基，加入含氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料的培养基，继续在37℃，5％co2的培养箱中培养24h。吸去培养基，用pbs清洗3
‑
5次后，加入含有10％cck
‑
8的培养基，继续在37℃，5％co2的培养箱中培养4h，用酶标仪测试其od值。经计算，如图3所示，细胞存活率达到90％以上，说明本发明所制备的碳点低毒甚至无毒。
54.实施例2
55.本实施例提供一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，由以下方法制备而成：
56.将2g纤维素粉和3g硫代硫酸钠粉末以及0.7ml乙二胺溶液(分析纯)放入聚四氟乙烯的反应釜中，同时加入40ml超纯水为溶剂。将反应釜放于200℃恒温烘箱中，反应80h，离心得到棕色的碳点反应液，将反应液用800da的透析管透析82h，再将透析后的溶液进行冷冻干燥，最终得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料。
57.实施例3
58.本实施例提供一种氮硫共掺纤维素质基荧光碳点，由以下方法制备而成：
59.将4g纤维素粉和3.5g硫代硫酸钠粉末以及0.8ml乙二胺溶液(分析纯)放入聚四氟乙烯的反应釜中，同时加入60ml超纯水为溶剂。将反应釜放于150℃恒温烘箱中，反应70h，离心得到棕色的碳点反应液，将反应液用900da的透析管透析80h，再将透析后的溶液进行冷冻干燥，最终得到氮硫共掺纤维素质基荧光碳点材料。
60.实施例4
61.本实施例提供了氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在铁离子检测中的应用。
62.首先对于实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点进行离子检测试验：
63.分别配制10
‑
3m的fe(ⅲ)，cu(ⅱ)，ag(ⅰ)，zn(ⅱ)，mn(ⅱ)，co(ⅱ)，ni(ⅱ)，k(ⅰ)，al(ⅲ)，mg(ⅱ)溶液，将实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点配成5mg/ml的碳点水溶液，取2ml的碳点溶液与荧光比色皿中，测试其在365nm激发光下的荧光光谱，记录其荧光最强处的峰值，记为f0，加入100μl的离子溶液，待其反应完全后，再次测试其在365nm激发光下的荧光光谱，记录其荧光最强处的峰值，记为f，如图4所示，制备的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点对fe(ⅲ)有响应。可见，氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在金属离子检测中，与其他
金属离子相比，对铁离子具有专一性和高敏感度。
64.分别配制10
‑
4m的fe(ⅲ)溶液，将实施例1的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点配成5mg/ml的碳点水溶液，取2ml的碳点溶液与荧光比色皿中，测试其在365nm激发光下的荧光光谱，记录其荧光最强处的峰值，记为f0，加入10μl10
‑
4mfe(ⅲ)溶液，待其反应完全后，再次测试其在365nm激发光下的荧光光谱，记录其荧光最强处的峰值，记为f1。再加入10μl10
‑
4mfe(ⅲ)溶液，待其反应完全后，再次测试其在365nm激发光下的荧光光谱，记录其荧光最强处的峰值，记为f2，荧光强度变化如图5(a)所示。重复操作10次，得到f0，f1，f2，
……
，f10，画浓度图如图5(b)所示，后拟合直线如图5(c)所示，计算最低限度，其检测下限为0.32ppm。
65.实施例5
66.本实施例提供了氮硫共掺纤维素质基荧光碳点在生物成像中的应用。
67.将mc3t3成骨细胞接种于放有细胞爬片的24孔板中，置于37℃，5％co2的培养箱中培养。24h后吸去培养基，加入含本发明制备的氮硫共掺纤维素质基荧光碳点的培养基，继续在37℃，5％co2的培养箱中培养24h。取出细胞爬片，用pbs清洗3
‑
5次后，用4％的多聚甲醛溶液进行细胞固定，制样。在激光共聚焦显微镜下观察细胞的成像情况。
68.氮硫共掺纤维素质基荧光碳点通过mc3t3的细胞膜，进入到细胞质中，未进入到细胞核。并且在405nm的激发光下，细胞呈现蓝色，如图6(a)所示。在488nm的激发光下，细胞产生绿色荧光，如图6(b)所示，可见氮硫共掺纤维素质基荧光碳点具有依赖激发光波长的荧光性质。
69.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
70.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。