[发明专利]一种具有高荧光量子产率碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种具有高荧光量子产率碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用。

背景技术

碳元素是人类接触到最早的元素之一，也是地球上最常见的元素之一。地球上构成生命的基本单元氨基酸、核苷酸正是以碳元素为骨架变化而来，在整个人类科学技术发展中，一直受到高度关注。碳原子具有多种电子轨道，可以形成许多不同结构性质的物质，所以碳在自然界中存在着多种同素异形体，如金刚石、石墨、石墨烯、碳纳米管等。碳量子点是2004年，Xu等人在提纯单层碳纳米管时意外发现，引起了一轮新的荧光纳米材料的研究热潮。2006年，Sun等人通过被称为“表面钝化”的方式大幅提高了碳量子点的荧光发射性能，并成为了一种广泛使用的方式。碳量子点一般是类似球形的纳米粒子，包含不定性态或晶态的核心，由石墨烯和氧化石墨烯或带有乱层结构的石墨，通过sp3杂化融合而成，其性质、元素组成因不同的合成方法而不同。目前，对碳量子点荧光机制的解释中，有两种被大量研究人员接受。一种解释认为碳量子点的荧光来源于共轭π键上的带隙跃迁，而另外一种认为是来源于碳量子点复杂的表面缺陷。

碳量子点由于量子限域效应和边缘效应有着较好的荧光特性，其本身就可以作为一种优良的荧光指示剂。同时，由于碳量子点本身的高溶解度和化学稳定性、低细胞毒性、良好的生物相容性以及相较于传统半导体量子点和有机染料良好的耐光漂白的特性，使其在生物成像、纳米医学等领域具有无限的发展潜力。例如，根据碳量子点的特性以及特殊的目的要求，使其作为一种新型药物载体，从而实现细胞微环境下的实时追踪药物扩散的可视化。

此外，碳量子点的表面存在丰富的羧基集团，使其具有良好的水溶性以及进一步表面修饰和钝化的潜力，因此，碳量子点在环境检测等领域具有特别的发展应用优势。相较于其他的检测方法，基于碳量子点的检测方法不仅具有较高的选择性而且避免了生物信号与化学信号传导受阻的问题。

碳量子点的制备方法依照反应方向来分可以分为切割法和聚合法。切割法主要是以大尺寸物质为碳源(如石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维以及碳黑等)，通过物理或化学方法切割制成小尺寸的碳量子点，其中主要方法有电弧放电法、激光刻蚀法、电化学法和化学氧化法等。聚合法一般使用小分子有机物作为碳源，通过聚合、碳化等化学过程得到碳量子点，在这种方法中碳量子点的尺寸一般大于作为前驱体的物质，其中方法主要包括水热法、微波法、电化学法和燃烧法等。碳量子点在制备合成过程中，对设备环境要求不高、方法简单、速度快捷以及其所选用的反应物都是绿色、安全的，使其制备成本相比较其他检测手段大幅度降低，对其应用普及具有推动作用。

但是，目前合成的碳量子点的量子产量都较低，如：Li等合成的黄色量子点量子产率为11.7％，即使经过硼氢化钠还原之后，量子产率才达22.9％；Mei等合成的量子点在经过化学反应接入烷酰胺之后，量子产率从0.02％增加到13％；Tesuka等用氨基改性碳量子点后产量达到40％以上，此外，还有很多不同种类合成的碳量子点，但它们远没有达到人们所期望的量子产率。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，目的在于提供一种具有高荧光量子产率碳量子点的制备方法及其在细胞成像中的应用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种具有高荧光量子产率碳量子点的制备方法，包括如下步骤：

(1)将碳源溶解于水中，得到前驱体溶液；

(2)将前驱体溶液进行微波加热反应合成碳量子点，再自然冷却至室温得到深色糊状固体；

(3)加水溶解步骤(2)所得糊状固体得到悬浊液；再将悬浊液进行高速离心分离，取上清液，将上清液过滤后，得到碳量子点溶液；

(4)将碳量子点溶液干燥后，得到碳量子点。

上述方案中，所述碳源为一水合柠檬酸和L-半胱氨酸。

上述方案中，所述前驱体溶液中一水合柠檬酸的浓度为0.5～1.5mol/L，L-半胱氨酸的浓度为0.3～1mol/L。

上述方案中，所述微波加热的功率为1300W，微波加热的时间为2～10min。

上述方案中，所述高速离心的转速为9000r/min～10000r/min，离心时间为5～15min。

上述方案中，采用针孔过滤器进行过滤，所述针孔过滤器大小为0.22μm。

上述方案中，所述干燥的条件为：真空条件下，干燥温度为30℃～80℃，干燥时间12h～32h