一种n,p,s共掺杂的荧光碳量子点及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光纳米材料，尤其涉及碳量子点，具体是利用生物菌类制备的一种N，P，S共掺杂的碳量子点及其作为荧光探针检测Cr(VI)离子、Μηθ4—及抗坏血酸等，以及在细胞成像中的应用。
【背景技术】
[0002]量子点由于其具有优越的光学及电学性质受到极大的关注和广泛的研究，其作为准零维纳米材料具有量子限域效应、表面效应、尺寸效应等优越的性质，因此量子点在光学器件、电学器件、生物成像、生物载药等方面得到了良好的应用。传统的量子点研究较多的为半导体量子点(例如CdSe、PbTe、CdTe等)，其在生物医学领域尤其是在细胞、活体的动态示踪和成像中的应用已表现出巨大的潜力，但由于重金属元素的引入是其毒性较大同时具有发光不稳定，易闪烁，进而限制了其在生物成像和生物标记上的应用，因此寻找理想的无毒纳米级替代材料已成为研究热点。
[0003]碳量子点是一种新型的纳米材料，近年来受到广大科研工作者的广泛关注。碳量子点是指尺寸小于1nm的碳球状纳米粒子，它具有特征性的荧光激发依赖性。与传统的半导体量子点相比，它具有水溶性好、化学稳定性高、易功能化、耐光漂白、低毒、生物相容性好等优点。这些优点使得碳量子点在生物和医学等领域有广阔的应用前景。
[0004]碳量子点的制备方法目前主要有两种，自上而下法(Top-down)和自下而上法(Bottom-up)。自上而下的方法主要包括电弧放电、激光剥蚀、电化学氧化、电子束辐射等，该类方法往往需要严格的实验条件或特殊的能源，成本高，而且获得的碳量子点的荧光量子产率较低；自下而上的方法主要包括燃烧法、热液碳化法、支持合成法、微波法、超声波法等，但是由于该类方法选用的原料都是不可再生能源且需要严格的后处理工艺，所以也不利于持续并规模生产碳量子点。因此，寻找廉价易得、资源丰富、天然无毒和环境友好型的生物原料作为碳源，制备掺杂化、高荧光量子产率的碳量子点对药物分析及细胞成像应用具有重要的意义。环保前提下从低成本绿色碳源来大量合成碳量子点是非常必要的。生物质在自然界中广泛存在，价廉易得，取之不尽，用之不竭。把生物质应用于纳米材料的绿色制备以及一些纳米结构的功能化修饰，既扩展了生物质的应用领域，又保护了环境，因此具有广阔的发展前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种N，P，S共掺杂的荧光碳量子点，并建立一种操作简单、设备简易、原料绿色环保的制备方法；以及将所述的N，P，S共掺杂的碳量子点作为荧光探针用于离子、药物分析及细胞成像。
[0006]本发明提供的一种N，P，S共掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)将干燥的生物菌类粉末加入到一定体积的水中，得到分散的菌溶液；
[0008]2)将得到的菌溶液转移到水热反应釜中，在160°C-240°C下反应4h_l2h，待反应停止，反应釜自然冷却后，离心去除不溶物得到澄清的深棕色溶液，通过500-1000Da的透析袋，在玻璃容器中透析处理至少3天，即得到纯净的N，P，S共掺杂的碳量子点的水溶液；
[0009]3)将上述碳量子点水溶液冷冻干燥后得到目标N，P，S共掺杂的碳量子点。
[0010]步骤I)中所述的生物菌类为酵母菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌或黑曲霉。
[0011]上述方法以酵母菌、或大肠杆菌、或金黄色葡萄球菌，或黑曲霉为碳源，利用水热合成法，同时掺杂氮、磷、硫于碳量子点中，得到了N，P，S共掺杂的碳量子点。
[0012]上述方法制备的N，P，S共掺杂的碳量子点可作为“开关型”荧光探针用于检测Cr(VI)离子、MnO4-及抗坏血酸等，也可应用于细胞成像。
[0013]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0014](I)本发明操作步骤简单，不需要经过表面钝化剂处理或修饰即可得到氮磷硫共掺杂的碳量子点。
[0015](2)生物质在自然界中广泛存在，价廉易得，取之不尽，用之不竭。本发明原材料只需要生物菌类，来源广泛，绿色环保，价格便宜。
[0016](3)本发明所制得的目标碳量子点在水溶液中都具有良好的溶解度和分散性。
[0017](4)目标碳量子点本身的发射波长随激发波长的红移而红移。
[0018](5)生物菌类酵母菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、黑曲霉作为广泛存在的微生物，首次被应用于合成中，同时本方法可以扩展到其他的微生物。
[0019](6)目标碳量子点的量子产率较高，以硫酸奎宁(量子产率54%)为参照物，所得碳量子点的量子效率一般在6.40 % -12.68 %之间。
[0020]总之，本发明操作工艺简单，原料来源广泛，绿色环保且价格便宜，制备条件要求低，所得氮磷硫共掺杂的碳量子点光学性质稳定，荧光量子产率高，解决了现有碳量子点制备方法因工艺和原料限制而无法规模化生产且获得碳量子点的荧光量子效率较低的问题，并且，该碳量子点可应用于Cr(VI)离子、Μη04—及抗坏血酸的检测，以及细胞成像等领域。
【附图说明】
[0021]图1为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的紫外吸收光谱及荧光激发-发射光谱;其中石英比色皿中盛有碳量子点水溶液，放置于紫外透射台上，经365nm激发光源激发后发出蓝色荧光。
[0022]图2为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点荧光发射曲线随激发波长变化的光谱图。
[0023]图3为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的红外光谱图，图中横坐标为检测波长，纵坐标为透过率。
[0024]图4为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的XPS光谱图。
[0025]图5为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的透射电镜图(左侧)和粒径分布图(右侧)。
[0026]图6为Cr(VI)淬灭实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的荧光光谱图。
[0027]图7为抗坏血酸恢复Cr(VI)淬灭后的实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的荧光光谱图。
[0028]图8为Μηθ4—淬灭实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的荧光光谱图。
[0029]图9为抗坏血酸恢复Μηθ4—淬灭后的实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点的荧光光谱图。
[0030]图10为实施例1制备的N，P，S共掺杂的碳量子点标记的SiHa细胞的激光共聚焦成像图；
【具体实施方式】
[0031]下面结合实施例对本发明做详细说明，实施例给出了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。
[0032]实施例1
[0033]N，P，S共掺杂的碳量子点的制备:
[0034]步骤I，称取0.5g干燥的酵母菌加入1mL去离子水中，制得分散的水溶液；
[0035]步骤2，将步骤(I)得到的混合液转移到水热反应釜中，在240°C下水热反应8h;
[0036]步骤3，将步骤(2)得到的产物用离心机以6000r/min转速离心1min，再用截留分子量为500?100Da的透析袋透析3天，最终得到N，P，S共掺杂的碳量子点溶液。其相对量子产率(以硫酸奎宁为标准)为12.54%。
[0037]性质表征和应用见图1-10。
[0038]实施例2
[0039]N，P，S共掺杂的碳量子点的制备:
[0040]步骤I，称取0.5g干燥的酵母菌加入1mL去离子水中，制得分散的水溶液；
[0041 ]步骤2，将步骤(I)得到的混合液转移到水热反应釜中，在240°C下水热反应12h;
[0042]步骤3，将步骤(2)得到的产物用离心机以6000r/min转速离心lOmin，再用截留分子量为500?100Da的透析袋透析3天，最终得到N，P，S共掺杂的碳