一种荧光碳点及其低污染可循环合成方法和应用

1.本发明涉及荧光碳纳米材料设计与应用技术领域，更具体的涉及一种荧光碳点及其低污染可循环合成方法和应用。


背景技术：

2.荧光碳点作为一种具有高的荧光效率，可调发光波长，生物相容性良好，制备方法简单，制备成本低廉，生物毒性低的新型荧光纳米材料，其已经被证明在光发射电极、生物成像、能量转换、催化、传感器等诸多领域取得了广泛的应用。随着技术的发展，碳点的合成方法也越来越多样化，然而，在目前碳点的诸多合成方法中，始终需要一定的纯化和分离，其在具体步骤中引起的污染和浪费严重限制了其在实际工业生产中的应用。因此进一步通过合理的化学合成路径的开发，开发颜色可调的高效明亮荧光碳点的合成并进一步降低其合成过程中的材料浪费和环境污染，为未来的工业化合成提供思路，具有极其重要的意义。


技术实现要素：

3.针对以上问题，本发明提供了一种荧光碳点及其低污染可循环合成方法和应用，有效减少了污染和材料浪费。
4.本发明的第一个目的是提供一种荧光碳点的低污染可循环合成方法，包括以下步骤：
5.s1、将柠檬酸和尿素溶于氮氮二甲基甲酰胺中，常温下超声震荡分散均匀后，得到混合溶液；
6.s2、将s1中的混合溶液在150-170℃进行水热反应，制得碳点溶液；
7.s3、将s2中的碳点溶液溶于氮氮二甲基甲酰胺，进行层析分离，获得具有蓝、绿、红色荧光碳点溶液和具有杂色的荧光碳点混合液；
8.s4、对s3获得的蓝、绿、红色荧光的碳点溶液和具有杂色的荧光碳点混合液进行旋转蒸发，获得蓝、绿、红色荧光的碳点固体粉末；收集回收物；
9.s5、以s4中的回收物作为反应原料，重复s1-s4，制备荧光碳点。
10.优选的，s1中的柠檬酸、尿素和氮氮二甲基甲酰胺的比例为1g：1-4g：10ml。
11.优选的，s2中的水热反应时间为4-8h。
12.优选的，s3中，层析分离方法是使用400目的薄层硅胶层析，展开溶剂为氮氮二甲基甲酰胺，利用紫外线观察层析溶液颜色获得具有蓝、绿、红色荧光碳点溶液和具有杂色的荧光碳点混合液。
13.优选的，s5中，重复次数为3-5次。
14.优选的，s4中，旋转蒸发的转速为300-400r/min，温度为75-85℃。
15.优选的，s4中，回收物碳点制备过程中的废弃物，废弃物为氮氮二甲基甲酰胺和未纯化的碳点杂质。
16.优选的，s5中，以回收物中氮氮二甲基甲酰胺作为反应溶液和层析用的展开剂，使
用未纯化的碳点杂质作为反应物，制备得到荧光碳点。
17.本发明的第二个目的是提供一种根据上述制备方法制得的荧光碳点。
18.本发明的第三个目的是提供上述荧光碳点在生物成像和制备发光薄膜中的应用。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.(1)本发明提出使用回收的废弃物和溶剂作为反应源和层析展开试剂，其制备过程相比于传统合成过程可以有效减少污染和材料浪费；
21.(2)本发明制备的碳点探针具有不同颜色发射波长和高的荧光量子产率，可以满足多种应用需求。
附图说明
22.图1为本发明制备碳点的示意图；
23.图2为实施例1制备的荧光碳点的透射电子显微镜的照片，其中，图2(a)为第一次循环获得的蓝色碳点，图2(b)为第一次循环获得的绿色碳点；图2(c)为第一次循环获得的红色碳点；
24.图3为实施例1制备的碳点在层析过程中不同阶段的荧光照片(左)和荧光光谱(右)；
25.图4为实施例1制备的荧光碳点的激发发射图谱，其中，图4(a)为选取的第一次循环获得的蓝色碳点的荧光激发-发射谱，图4(b)为选取的第一次循环获得的绿色碳点的荧光激发-发射谱，图4(c)为选取的第一次循环获得的红色碳点的荧光激发-发射谱。
26.图5为实施例1选取的蓝色、绿色、红色的荧光碳点的色坐标图谱；
27.图6为hela细胞在实施例1制备的具有不同浓度的红色碳点的培养液中培养24小时后细胞的存活率；
28.图7为实施例2制备的发光薄膜在紫外灯下的照片；
29.图8为实施例3提供的荧光碳点的生物成像照片，其中8(a)为明场照片，图8(b)为单光子成像照片，图8(c)为双光子荧光照片，图8(d)为单光子双光子成像叠加照片。
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.下述实验方法和检测方法，如没有特殊说明，均为常规方法；下述试剂和原料，如没有特殊说明，均为市售。下述实施例中所用的磷酸缓冲液ph值为7.2
32.实施例1
33.本实施例提供了一种荧光碳点的低污染可循环合成方法，按照以下步骤制备：
34.s1、取1g柠檬酸和2g尿素溶于10ml氮氮二甲基甲酰胺，常温下进行超声震荡分散均匀，得混合溶液；
35.s2、将震荡后的混合溶液置于水热反应釜，加热至160℃并保温8小时，自然降温至室温；
36.s3、将制备的碳点溶液溶于氮氮二甲基甲酰胺，使用薄层硅胶(400目)层析，展开溶剂为氮氮二甲基甲酰胺，在紫外灯下观察，可以获得具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液；
37.s4、使用旋转蒸发仪蒸发具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液，获得所需碳点的固体粉末，同时回收氮氮二甲基甲酰胺和未纯化的碳点杂质，旋转蒸发的转速为300r/min，温度为80℃、压力为0.05mpa。
38.s5、使用回收的氮氮二甲基甲酰胺作为反应溶剂和层析用的展开剂，使用未纯化的碳点杂质作为反应物，重复s1-s4步骤四次，制备荧光碳点。
39.图1为实施例1制备碳点的示意图，由图1可以看出：通过回收氮氮二甲基甲酰胺作为反应溶剂和层析用的展开剂，未纯化的碳点杂质作为反应物，即可有效降低合成过程中的污染和浪费。
40.图2为实施例1荧光碳点的透射电子显微镜的照片，其中，其中，图2(a)为第一次循环获得的蓝色荧光碳点，图2(b)为第一次循环获得的绿色荧光碳点；图2(c)为第一次循环获得的红色荧光碳点；
41.图3为实施例1层析过程中不同阶段的碳点的荧光照片和荧光光谱，由图3中可以看出：在层析过程中不同阶段收集的碳点具有不同的荧光颜色和发光光谱。。
42.图4为实施例1荧光碳点的激发发射图谱，其中，图4(a)为选取的第一次循环获得的蓝色碳点的荧光激发-发射谱，图4(b)为选取的第一次循环获得的绿色碳点的荧光激发-发射谱，图4(c)为选取的第一次循环获得的红色碳点的荧光激发-发射谱。由图4可知：三种碳点具有不同的激发-发射中心，且蓝色碳点荧光具有激发依赖性，绿色碳点和红色碳点具有激发非依赖性。
43.图5为实施例1选取的蓝色、绿色、红色的荧光碳点的色坐标图谱，由图5可知三种碳点荧光颜色分别为蓝色(b-cds)、绿色(g-cds)和红色(r-cds)。
44.图6为hela细胞在实施例1制备的具有不同浓度的红色碳点的培养液中培养24小时后细胞的存活率，由图6可知红色碳点具有很低的细胞毒性。
45.实施例2
46.本实施例提供了一种荧光碳点在制备发光薄膜中的应用。
47.步骤a.取足量实施例1制备的碳点粉末溶于乙醇溶液制备得到浓度为30mg/ml的碳点/乙醇溶液，常温下进行超声震荡分散均匀，取1ml的碳点/乙醇溶液加入9g环氧树脂胶a，混合均匀后，加入3g环氧树脂胶b，超声混合均匀，得到混合物；
48.步骤b.将混合物倒入模具，置于真空干燥箱，抽取混合胶中的气体和乙醇，真空下80℃烘干后，可得碳点荧光薄膜。
49.图7为基于荧光碳点的发光薄膜在紫外灯下的照片，由图7可知：不同荧光颜色碳点制备的发光薄膜在紫外灯下具有不同的荧光色彩。。
50.实施例3
51.本实施例提供了一种荧光碳点在生物成像中的应用。
52.步骤a.将实施例1制取的碳点溶于磷酸缓冲液(pbs)制备得到浓度为3mg/ml的碳点pbs溶液，使用碳点pbs溶液孵育细胞，制备被碳点标记的细胞；
53.步骤b.使用共聚焦显微镜观察细胞的形态结构。
54.图8为基于荧光碳点的生物成像，其中(a)为明场照片，(b)为单光子成像照片，(c)为双光子荧光照片，(d)为单光子双光子成像叠加照片，标尺＝20微米，由图8可知：红色碳点具有很好的单光子和双光子成像能力。
55.实施例4
56.本实施例提供了一种荧光碳点的低污染可循环合成方法，按照以下步骤制备：
57.s1、取1g柠檬酸和3g尿素溶于10ml氮氮二甲基甲酰胺，常温下进行超声震荡分散均匀，得混合溶液；
58.s2、将震荡后的混合溶液置于水热反应釜，加热至170℃并保温4小时，自然降温至室温；
59.s3、将制备的碳点溶液溶于氮氮二甲基甲酰胺，使用薄层硅胶(400目)层析，展开溶剂为氮氮二甲基甲酰胺，在紫外灯下观察，可以获得具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液；
60.s4、使用旋转蒸发仪蒸发具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液，获得所需碳点的固体粉末，同时回收氮氮二甲基甲酰胺和未纯化的碳点杂质，旋转蒸发的转速为400r/min，温度为75℃、压力为0.05mpa。
61.s5、使用回收的氮氮二甲基甲酰胺作为反应溶剂和层析用的展开剂，使用未纯化的碳点杂质作为反应物，重复s1-s4步骤三次，制备荧光碳点。
62.实施例5
63.本实施例提供了一种荧光碳点的低污染可循环合成方法，按照以下步骤制备：
64.s1、取1g柠檬酸和4g尿素溶于10ml氮氮二甲基甲酰胺，常温下进行超声震荡分散均匀，得混合溶液；
65.s2、将震荡后的混合溶液置于水热反应釜，加热至150℃并保温6小时，自然降温至室温；
66.s3、将制备的碳点溶液溶于氮氮二甲基甲酰胺，使用薄层硅胶(400目)层析，展开溶剂为氮氮二甲基甲酰胺，在紫外灯下观察，可以获得具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液；
67.s4、使用旋转蒸发仪蒸发具有蓝、绿、红色荧光的碳点和具有杂色的荧光碳点混合液，获得所需碳点的固体粉末，同时回收氮氮二甲基甲酰胺和未纯化的碳点杂质，旋转蒸发的转速为350r/min，温度为85℃、压力为0.05mpa。
68.s5、使用回收的氮氮二甲基甲酰胺作为反应溶剂和层析用的展开剂，使用未纯化的碳点杂质作为反应物，重复s1-s4步骤五次，制备荧光碳点。
69.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
70.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。