一种N,P共掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用与流程

本发明属于荧光碳纳米材料
技术领域：
，具体涉及一种N，P共掺杂碳量子点的制备方法及其产品、应用。
背景技术：
：在过去的十年里，纳米材料应用于生物传感和生物成像已经引起了巨大的研究热潮，特别是碳纳米材料，比如石墨烯、富勒烯、纳米金刚石和碳纳米管。然而，这些材料本身也存在一定的缺点，制备纳米金刚石需要昂贵的合成和分离步骤；石墨烯和碳纳米管水溶性较差；而且，这些材料在可见光区域都不能发射明亮的荧光。因此，这些缺点限制了它们进一步的应用。最近，碳量子点作为碳纳米材料里面的新起之秀，凭借其优越的性能已经引起了巨大的关注。相对于传统的金属量子点和有机染料，碳量子点具有很好的化学稳定性和荧光稳定性，良好的生物相容性和细胞通透性，优越的水溶性，易于表面改性，激发波长依赖性和低毒性。这些优越的性能在未来会有广阔的应用前景。碳量子点的尺寸大小一般在10nm以下，具有良好荧光性能的纳米材料。目前，在国内外研究者的不断研究下，已经逐渐形成了一系列合成碳量子点的方法。这些方法可以分为两大类：自上而下合成法和自下而上合成法。自上而下的方法主要是指从大尺寸的碳源(比如石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维)切割成小尺寸的碳量子点。主要方法包括电弧放电法、电化学氧化法和激光消蚀法等；而自下而上的合成方法只要是指以小分子化合物作为碳源进行碳化或者热裂解，只要包括水热法、微波法、超声法、模板法等。这些制备碳量子点的方法中，有些需要昂贵的仪器，有些后续处理比较复杂，不利于节约能源。因此，采用简单快速的方法制备碳量子点是非常有必要的。目前，有关报道制备碳量子点的碳源越来越多，但是，单一的碳源很难制备出高性能的碳量子点，所以，寻找可以制备出高性能的碳量子点的碳源显得越来越重要。近年来，许多制备元素掺杂的碳量子点都要加入表面钝化剂，这样不利于提高制备碳量子点的效率。技术实现要素：本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。鉴于上述和/或现有制备N，P共掺杂碳量子点(简称N-P-CQDs)的制备方法的技术空白，提出了本发明。因此，本发明其中的一个目的是解决现有技术中的不足，提供一种简单快速，不需要加入表面钝化剂的N，P共掺杂碳量子点的制备方法。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种N，P共掺杂碳量子点的制备方法，将AMP溶解于水，在160～180℃的条件下反应4～24h，待反应产物冷却至10～30℃，进行离心、过滤，再对其进行冷冻干燥，制得N，P共掺杂碳量子点。作为本发明所述N，P共掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述AMP与水的比例包括每1gAMP用水40～80mL溶解。作为本发明所述N，P共掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述冷却，其是冷却至10～30℃。作为本发明所述N，P共掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述离心，其是在11000～13000rpm的条件下离心8～12min。作为本发明所述N，P共掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述冷冻干燥，其温度为-60～-50℃，真空度为8～9Pa，处理时间为20～28h。作为本发明所述N，P共掺杂碳量子点的制备方法的一种优选方案，其中：所述N，P共掺杂碳量子点平均粒径为3.8～4.2nm，层间距为0.3～0.4nm，平均荧光寿命为4～4.40ns，其组分以质量百分比计，包括碳47～49％，氧29～31％，氮16～18％，磷2～3％。本发明另一个目的是提供一种N，P共掺杂碳量子点。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种N，P共掺杂碳量子点，其平均粒径为3.8～4.2nm，层间距为0.3～0.4nm，平均荧光寿命为4～4.40ns，其组分以质量百分比计，包括碳47～49％，氧29～31％，氮16～18％，磷2～3％。本发明还有一个目的是提供一种N，P共掺杂碳量子点在农业土壤中Fe3+检测方面的应用。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：取少量的农业土壤于试管中，通过过滤、离心后得到澄清的溶液，加入碳量子点溶液，通过测试其荧光光谱得到土壤中Fe3+浓度。本发明再一个目的是提供一种N，P共掺杂碳量子点在人肺腺癌细胞的荧光成像的应用。为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：取人肺腺癌细胞制成单细胞悬液，置于37℃的CO2培养箱接种12h后，弃去原有的培养液，加入用DMEM培养液配制的0.5mg/mL的N，P共掺杂碳量子点水溶液，在CO2培养箱中静置4h后，弃去原有的N，P共掺杂碳量子点水溶液，用PBS缓冲液清洗3次后，加入适量的5％的多聚甲醛溶液，在4℃的冰箱过夜固定后使用激光扫描共聚焦荧光显微镜在明场、紫外光、蓝光、绿光和红光激发下观察细胞荧光状态，并拍照记录。作为本发明所述在人肺腺癌细胞的荧光成像的应用的一种优选方案，其中：所述人肺腺癌细胞为人肺癌细胞A549细胞。本发明再一个目的是一种N，P共掺杂碳量子点在对农业土壤中Fe3+进行检测的应用。本发明所具有的有益效果：(1)本发明使用5’-腺苷酸二钠为碳源，不需要加入任何的表面钝化剂，一步就能制备N，P共掺杂的高荧光碳量子点，简化了实验过程，提高了制备过程的效率。(2)本发明所制备的碳量子点荧光量子产率高。(3)本发明所制备的碳量子点对铁离子的荧光响应最为灵敏，随着Fe3+浓度增大，荧光不断的减弱。本发明所制得的碳量子点可对土壤中Fe3+的进行检测，防止由于土壤中Fe3+超标而影响农作物的生长。(4)本发明所制备的碳量子点尺寸小，并且具有良好的水溶性、没有细胞毒性以及优越的生物相容性等特点，给未来的碳量子点在生物和农业等领域的应用奠定了重要的理论基础。(5)本发明所制备的碳量子点通过调节激发波长实现具有多色发光的性能。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点的透射电镜图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚。图2是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点的粒径分布图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点平均粒径为4nm。图3是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点XRD光谱图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点2θ为27.12°处出现特征吸收峰，层间距大约是0.33nm,具有良好的晶体结构。图4是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点荧光衰减曲线图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点在激发波长430nm的平均荧光寿命为4.28ns。图5是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点在不同pH值下的荧光光谱图；图中显示出pH值为1和13的时候，N，P共掺杂的碳量子点的荧光几乎被猝灭，而随着pH从3到11，N-P-CQDs的荧光强度总体呈下降的趋势。图6是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点的红外光谱图；图中显示出3420cm-1处出现了O–H或N–H的伸缩振动，这可能是N-P-CQDs表面上羟基或氨基的特征吸收峰，而且，N-P-CQDs在1600cm-1的吸收峰是N-H的弯曲振动。1300cm-1吸收峰对应P＝O的伸缩振动，说明P成功掺杂到CQDs上，1670cm-1的吸收峰有可能是C＝C和C＝O的伸缩振动，而1400cm-1和1600cm-1的吸收峰分别归因于羧酸阴离子的对称和不对称的伸缩振动，这进一步说明N-P-CQDs表面上连有大量的羧酸基团。图7是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点的EDS光谱图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点含有C、N、O、P和Na，其中C的含量为47.98％，O的含量为30.35％，N的含量为17.41％，P的含量为2.71％。图8是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点的紫外吸收光谱图、荧光激发和发射光谱的组合图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点在250nm处有一个强的吸收峰，这是因为π–π*电子跃迁所造成的，最大的激发波长为360nm,最大的发射波长为430nm。图9是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点不同激发波长下的发射光谱图；表明N，P共掺杂的碳量子点拥有激发波长依赖性。图10是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点在不同离子下的相对荧光强度比较图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点对不同离子的荧光响应图，从图中可以看出N，P共掺杂的碳量子点对铁离子的荧光响应最为灵敏。图11是本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点不同Fe3+浓度下的荧光发射光谱图；表明N，P共掺杂的碳量子点随着Fe3+浓度增大，荧光不断的减弱，Fe3+浓度在5mM时，N，P共掺杂的碳量子点的荧光基本淬灭。图12本发明实施例1的N，P共掺杂的碳量子点与A549细胞培养后的激光共聚焦显微镜成像图。从图中可以看出，激发波长在405nm时，细胞显示的蓝色荧光，激发波长在488nm时，细胞显示的绿色荧光，激发波长在543nm时，细胞显示的红色荧光，表明碳量子点具有多色发光的性能。具体实施方式为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。实施例1N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入30mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在180℃下恒温加热8h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-50℃，时间为24h，真空度为8.7Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。图1为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点的透射电镜图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚。图2为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点的粒径分布图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点平均粒径为4nm。图3为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点XRD光谱图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点2θ为27.12°处出现特征吸收，层间距大约是0.33nm，具有良好的晶体结构。图4为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点荧光衰减曲线图；图中显示出N，P共掺杂的碳量子点在激发波长430nm的平均荧光寿命为4.28ns。图5为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点在不同pH值下的荧光光谱图；图中显示出pH值为1和13的时候，N，P共掺杂的碳量子点的荧光几乎被猝灭，而随着pH从3到11，N-P-CQDs的荧光强度总体呈下降的趋势。图6为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点的红外光谱图；1300cm-1吸收峰对应P＝O的伸缩振动，说明P成功掺杂到CQDs上，1670cm-1的吸收峰有可能是C＝C和C＝O的伸缩振动，而1400cm-1和1600cm-1的吸收峰分别归因于羧酸阴离子的对称和不对称的伸缩振动，这进一步说明N-P-CQDs表面上连有大量的羧酸基团。图7为本实施例制得的N，P共掺杂的碳量子点的EDS光谱图，其中C的含量为47.98％，O的含量为30.35％，N的含量为17.41％，P的含量为2.71％。实施例2N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入30mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在180℃下恒温加热4h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥-50℃，时间为24h，真空度为8.7Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。对所制得的N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末进行成分及特性检测得，所制得的制得的N，P共掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚；制得的N，P共掺杂的碳量子点平均粒径为4.2nm；制得的N，P共掺杂的碳量子点的层间距大约是0.36nm，具有良好的晶体结构；制得的N，P共掺杂的碳量子点在激发波长430nm的平均荧光寿命为4.40ns；制得的N，P共掺杂的碳量子点的EDS光谱图，其中C的含量为48.85％，O的含量为29.21％，N的含量为17.98％，P的含量为2.88％。实施例3N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入30mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在180℃下恒温加热6h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-54℃，时间为24h，真空度为8.7Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。对所制得的N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末进行成分及特性检测得，所制得的制得的N，P共掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚；制得的N，P共掺杂的碳量子点平均粒径为3.8nm；制得的N，P共掺杂的碳量子点的层间距大约是0.35nm，具有良好的晶体结构；制得的N，P共掺杂的碳量子点在激发波长430nm的平均荧光寿命为4.38ns；制得的N，P共掺杂的碳量子点的EDS光谱图，其中C的含量为49.00％，O的含量为29.21％，N的含量为17.02％，P的含量为2.37％。实施例4N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入30mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在180℃下恒温加热24h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至20℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以12000r/min的转速离心10min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-50℃，时间为24h，真空度为8.7Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。对所制得的N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末进行成分及特性检测得，所制得的制得的N，P共掺杂的碳量子点分散性良好，均一，没有团聚；制得的N，P共掺杂的碳量子点平均粒径为4.1nm；制得的N，P共掺杂的碳量子点的层间距大约是0.39nm，具有良好的晶体结构；制得的N，P共掺杂的碳量子点在激发波长430nm的平均荧光寿命为4.30ns；制得的N，P共掺杂的碳量子点的EDS光谱图，其中C的含量为47.85％，O的含量为29.69％，N的含量为17.44％，P的含量为2.9％。实施例5N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入40mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在170℃下恒温加热10h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至10℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以11000r/min的转速离心8min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-60℃，时间为28h，真空度为8.0Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。实施例6N，P共掺杂碳量子点的制备：步骤1，称取0.5g的5’-腺苷酸二钠粉末置于50mL的干净烧杯中，加入20mL的去离子水，完全溶解得到无色透明的水溶液。步骤2，将无色溶液转移到聚四氟乙烯水热反应釜中，置于真空干燥箱中，在160℃下恒温加热20h。步骤3，反应结束后，待合成产物自然冷却至30℃。步骤4，将得到的黄色溶液置于离心机中以11000r/min的转速离心8min，接着用0.22μm的微孔滤头进行过滤后得到澄清的碳量子点溶液。步骤5，将得到澄清的碳量子点溶液通过真空冷冻干燥其中温度为-50℃，时间为20h，真空度为8.5Pa得到N，P共掺杂的荧光碳量子点粉末。对实施例1～6制得的碳量子点，进行荧光强度检测，结果如下。组别实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6荧光强度520610650550480510实施例7采用硫酸奎宁作为参比物质，它的荧光量子产率为54％。首先，称取适量的硫酸奎宁粉末溶于0.1M的硫酸溶液中，适量的N，P共掺杂碳量子点粉末溶于去离子水中；然后，在激发波长为360nm下同时测定N，P共掺杂碳量子点和硫酸奎宁的吸光度值，使得两者的吸光度值都小于或等于0.05；同时，在激发波长为360nm下测定N，P共掺杂碳量子点和硫酸奎宁的荧光发射光谱，计算出两者的积分荧光强度。最后，N，P共掺杂碳量子点的相对荧光强度通过以下的公式计算：上述公式中，ΦS和ΦR分别表示样品的荧光量子产率和硫酸奎宁的荧光量子产率；FS和FR分别表示样品的积分荧光强度和硫酸奎宁的积分荧光强度；AS和AR分别表示样品的吸光度值和硫酸奎宁的吸光度值；两者的η均为1.33。比较结果见下表2。表2N，P共掺杂碳量子点在不同吸光度下的荧光量子产率本发明制得的N，P共掺杂碳量子点与其他类碳点的荧光量子产率的比较结果见下表3。表3不同原材料制备碳量子点的荧光量子产率由此可见，我方发明制得的N，P共掺杂碳量子点在碳量子点的荧光量子产率方面，具有十分突出的进步。实施例8将各种金属离子溶于去离子水配制成0.5μm的溶液，然后分别加入实施例1所制备的N，P共掺杂碳量子点水溶液中，在紫外灯的照射下看荧光的情况；最后再测试各种含有金属离子的N，P共掺杂碳量子点水溶液的荧光发射光谱。将铁离子配制成不同浓度的水溶液，然后分别加入实施例1所制备的N，P共掺杂碳量子点水溶液中，最后再测试各种含有铁离子的N，P共掺杂碳量子点水溶液的荧光发射光谱。实施例1所制备的N，P共掺杂碳量子点水溶液荧光可以被铁离子淬灭，如图10；随着铁离子的浓度的增加，N，P共掺杂碳量子点的荧光强度下降，如图11所示。实施例9取出生长状况良好的人肺癌细胞A549细胞，在酒精灯下把培养瓶打开，弃去原有的培养液，加入2mLPBS缓冲液清洗细胞的表面2次，弃去PBS后，加入1mL的胰蛋白酶消化液充分消化后，吸取适量的10％胎牛血清DMEM培养液终止消化，反复的轻轻吹打细胞使其从瓶壁脱落，使其形成均匀的单细胞悬液，吸取1mL的细胞悬液于Petri培养皿中，置于37℃的CO2培养箱接种12h后，弃去原有的培养液，加入用DMEM培养液配制的0.5mg/mL的N，P共掺杂碳量子点水溶液，在CO2培养箱中静置4h后，弃去原有的N，P共掺杂碳量子点水溶液，用PBS缓冲液清洗3次后，加入适量的5％的多聚甲醛溶液，在4℃的冰箱过夜固定后，使用激光扫描共聚焦荧光显微镜在明场、紫外光(UV)、蓝光(Blue)、绿光(Green)和红光(Red)激发下观察细胞荧光状态，并拍照记录。实施例1制备的N，P共掺杂碳量子点水溶液(0.5mg/mL)用于标记A549细胞，如图12所示，细胞形态良好，可见N，P共掺杂碳量子点没有细胞毒性，可以用于追踪活细胞。由此可见，本发明使用5’-腺苷酸二钠为碳源，不需要加入任何的表面钝化剂，一步就能制备N，P共掺杂的高荧光碳量子点，简化了实验过程，提高了制备过程的效率；本发明所制备的碳量子点荧光量子产率高；本发明所制备的碳量子点对铁离子的荧光响应最为灵敏，随着Fe3+浓度增大，荧光不断的减弱。本发明所制得的碳量子点可对土壤中Fe3+的进行检测，防止由于土壤中Fe3+超标而影响农作物的生长；本发明所制备的碳量子点尺寸小，并且具有良好的水溶性、没有细胞毒性以及优越的生物相容性等特点，给未来的碳量子点在生物和农业等领域的应用奠定了重要的理论基础；本发明所制备的碳量子点通过调节激发波长实现具有多色发光的性能。应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页1 2 3