一种蓝色铁离子碳量子点及制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种蓝色铁离子碳量子点及制备方法和应用 (Blue iron ion carbon quantum dot and preparation method and application thereof ) 是由 黄赛朋 谢梦瑶 罗庆 周雨霏 杨丹 王文显 温惠云 薛伟明 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种蓝色铁离子碳量子点及制备方法和应用,将L-精氨酸和柠檬酸加入水中,通过微波反应得到固体混合物；将固体混合物和乙醇混合后,进行水热反应,反应结束后,将所得溶液冷却至室温后离心,取上清液并去除乙醇,通过聚苯乙烯凝胶色谱柱分离,在二氯甲烷/乙醇程序洗脱下,收集洗脱比为5：1组分,减压旋转蒸发掉有机溶剂二氯甲烷和乙醇得油状混合物,将油状混合物加入超纯水,然后低温超声,使碳量子点均匀分散在超纯水中,然后用平均孔径为0.22μm的微孔滤膜进行过滤,过滤后用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析；然后冷冻干燥,获得蓝色铁离子碳量子点。本发明所制备的碳量子点能实现细胞水平微量铁离子的快速高灵敏检测。(The invention discloses a blue iron ion carbon quantum dot and a preparation method and application thereof, wherein L-arginine and citric acid are added into water, and a solid mixture is obtained through microwave reaction; mixing the solid mixture with ethanol, carrying out hydrothermal reaction, after the reaction is finished, cooling the obtained solution to room temperature, centrifuging, taking supernate, removing ethanol, separating by using a polystyrene gel chromatographic column, eluting by using a dichloromethane/ethanol program, collecting the eluate with the ratio of 5: 1, performing reduced pressure rotary evaporation to remove organic solvents dichloromethane and ethanol to obtain an oily mixture, adding the oily mixture into ultrapure water, performing low-temperature ultrasonic treatment to uniformly disperse carbon quantum dots in the ultrapure water, filtering by using a microporous filter membrane with the average pore diameter of 0.22 mu m, and dialyzing in the ultrapure water by using a dialysis bag with the molecular weight of 500 daltons after filtering; and then freeze-drying to obtain the blue iron ion carbon quantum dots. The carbon quantum dots prepared by the invention can realize rapid and high-sensitivity detection of cell-level trace iron ions.)
技术领域
本发明涉及碳量子点制备领域，具体涉及一种蓝色铁离子碳量子点及制备方法和应用。
背景技术
铁元素是人体中最丰富的微量元素，在许多生理过程中至关重要。铁浓度异常可导致贫血、血色素沉着、肝损害等。最近的研究表明，过量的三价铁离子对环境及人体有严重的危害作用。血液和细胞中的铁过量会导致通过Fenton反应产生的活性氧种类增加，其与生物分子发生反应，可导致细胞损伤甚至死亡。若体内大量二价铁被氧化成三价铁，则会患高铁血红蛋白血症，这是一种比较少见的代谢性疾病。还可能出现慢性中毒症状：肝、脾有大量铁沉着，可表现为肝硬化、骨质疏松、软骨钙化、皮肤呈棕黑色或灰暗、胰岛素分泌减少而导致糖尿病此外，Fe3+作为工业过程污染物的主要来源之一，对生态环境造成污染。矿物物料的燃烧，使得大气中的铁含量严重超标，对大气产生了严重的污染；工厂排放的含铁废水对水体的色、溴、味都产生了影响；岩石风化是土壤中铁的富集过程，进一步污染了农田。因此，迫切需要建立高效、快速、高选择性、高灵敏性和响应时间短的方法检测生物体系和环境中Fe3+含量。
传统检测铁离子的方法包括电感耦合等离子体质谱法、质谱法、分光光度法、原子吸收光谱法和溶出伏安法等，但涉及耗时的样品预处理步骤限制了它们的应用。荧光传感器因其操作简单、性价比高、灵敏度高、响应直观、快速等优点而受到越来越多的关注。其中，基于碳量子点构建的荧光检测法因具有选择性好、灵敏度高、响应快、操作简单等优势而受到广泛关注。
碳量子点作为一种新型的荧光材料被广泛应用于荧光分析和检测中。碳量子点(Carbon quantum dots，CDs)，是一种尺寸小于10nm的、近似球形的碳纳米材料，一般由无定形结构或sp2杂化纳米晶体结构的碳核与其表面丰富的官能团(例如羧基，羟基，醛基，氨基等)组成。近年来，碳量子点在化学和生物传感、光催化、生物成像、发光二极管和太阳能电池中受到广泛的关注，与有机荧光团和半导体量子点相比，碳点具有良好的稳定性、低的细胞毒性和高的生物相容性。
据文献调研结果所知，基于荧光探针的碳点用于检测Fe3+离子仍然很少见。因此，开发绿色、低成本、高灵敏度的碳点银离子检测探针比较迫切。此外，CDs具有优良的量子产率，不需要进一步的化学修饰和表面功能化，就可以用于重金属离子的荧光检测。观察到新制备的CDs中荧光发射的有效增强，即在较低浓度下加入Fe3+可以明显地增强CDs的。因此，可以建立一个选择性、灵敏的荧光平台，用于水介质中Fe3+的检测。
目前，碳纳米颗粒的合成方法可分为两类：自上而下和自下而上法。自上而下法指从较大的碳结构剥落制备碳纳米颗粒的物理方法，主要包括电弧放电法、激光刻蚀法、电化学氧化法；自下而上法则由分子前驱体制备碳纳米颗粒的化学方法，主要有燃烧法、有机物碳化法、支持合成法、微波法、超声波法和水热合成法。其中，水热合成法相对于其他合成方法而言，其合成步骤简单、反应条件较为容易控制且消耗能耗低，可持续规模生产，产物的荧光量子产率较高，被认为是一种较为经济有效的方法。这种量子点克服了传统金属量子点的缺点，具有无毒、高荧光量子产率、水溶性好、生物相容性好、光稳定性好等优点，使得CDs在金属离子检测、光催化、生物医学成像等领域得到了广泛的探索。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蓝色铁离子碳量子点及制备方法和应用，以克服现有技术存在的问题，本发明所制备的碳量子点能实现细胞水平微量铁离子的快速高灵敏检测。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种蓝色铁离子碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将L-精氨酸和柠檬酸加入水中，通过微波反应得到固体混合物；
步骤二：将步骤一得到的固体混合物和乙醇混合后，进行水热反应，反应结束后，将所得溶液冷却至室温；
步骤三：将步骤二冷却的溶液离心后，取上清液；
步骤四：去除上清液中乙醇，通过聚苯乙烯凝胶色谱柱分离，在二氯甲烷/乙醇程序洗脱下，收集洗脱比为5：1组分，减压旋转蒸发掉有机溶剂二氯甲烷和乙醇得油状混合物，将油状混合物加入超纯水，然后低温超声，使碳量子点均匀分散在超纯水中，然后用平均孔径为0.22μm的微孔滤膜进行过滤，过滤后用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析；
步骤五：将步骤四纯化好的滤液冷冻干燥，获得蓝色铁离子碳量子点。
进一步地，步骤一中每20mL水中加入0.174g L-精氨酸和0.21g柠檬酸。
进一步地，步骤一中微波反应时间为4-13min。
进一步地，步骤二中乙醇与步骤一中水的体积比为3:2。
进一步地，步骤二中水热反应的温度为180℃，时间为10小时。
进一步地，步骤三中离心转速为10000rpm，时间为10分钟。
进一步地，步骤四中在50℃的温度下减压旋转蒸发上清液以除去乙醇，步骤四中低温超声时间为5-15min；步骤四中用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析24h，且每隔6h换一次超纯水。
进一步地，步骤五中冷冻干燥条件为：将纯化好的滤液冷冻成冰，真空冷冻干燥6-18h。
一种蓝色铁离子碳量子点，采用上述的一种蓝色铁离子碳量子点的制备方法制得。
一种蓝色铁离子碳量子点在Fe3+检测上的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以L-精氨酸(L-Arg)和柠檬酸(CA)为原料，通过一步水热法合成了CDs，对其进行了透射电镜、紫外可见光谱、红外光谱、荧光光谱表征，同时考察了碳量子点的选择性和抗干扰能力，证实所构建的碳量子能够选择性识别铁离子，其荧光强度在一定范围内与铁离子浓度呈线性关系。生物实验证实本发明所构建的碳量子点能实现细胞水平微量铁离子的快速高灵敏检测。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明制备的荧光碳量子点的透射电镜图；
图2为本发明制备的荧光碳量子点的红外光谱图；
图3为本发明制备的荧光碳量子点紫外-可见吸收光谱；
图4为本发明制备的荧光碳量子点荧光发射光谱；
图5为不同金属离子对荧光碳量子点的荧光猝灭图；
图6为荧光强度随Fe3+浓度的增加的趋势图；
图7为荧光强度和Fe3+浓度的线性关系；
图8为碳量子点与细胞共培养结果图；
图9为碳量子点在细胞水平监测Fe3+的适用性和可行性。
具体实施方式
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是实施例的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
实施例1
一种蓝色铁离子碳量子点的制备方法，以L-精氨酸(L-Arg)和柠檬酸(CA)为原料，通过一步水热法合成了CDs。将0.174g L-Arg，0.21g CA和20mL水的混合物，先微波反应8min得固体混合物，然后加30ml乙醇混合，入到50mL内衬的高压反应釜中，然后在180℃下反应10小时。反应结束后，将所得溶液冷却至室温。以10000rpm离心10分钟，取上清液。然后在50℃的温度下减压旋转蒸发上清液8min以除去乙醇，通过聚苯乙烯凝胶色谱柱分离，在二氯甲烷/乙醇程序洗脱下，收集洗脱比为5：1组分，减压旋转蒸发掉有机溶剂二氯甲烷和乙醇得油状混合物，将其加入50ml超纯水，然后低温超声10min，使碳量子点均匀分散在超纯水中，并用平均孔径为0.22μm的微孔滤膜进行过滤，过滤后用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析24h，每隔6h换一次超纯水。最后，将纯化好的滤液冷冻成冰，真空冷冻干燥12h，获得深棕色固体粉末，即为蓝色铁离子碳量子点。
从透射电镜图(图1)可看出所合成的碳量子点，形状近似球形，尺寸在5nm左右，并且分散性良好。
图2为荧光碳量子点的红外光谱图，其中3392cm-1处的吸收峰可归因于O-H和N-H的拉伸振动。将2982和1437cm-1处的吸收带分配给C-H的拉伸和弯曲振动。在1130和1077cm-1处的特征峰反映了C-O键的拉伸。1707cm-1处的峰归因于C＝O键的拉伸振动，而1286和1024cm-1处的谱带被分配给C-N振动。同时，碳量子点表面含有丰富的羟基、羧基、羰基等亲水性官能团，使其具有良好的水溶性和优异的荧光性能。
本发明测定了紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱。如图3所示，CDs的紫外-可见吸收光谱在209和374nm处出现两个峰。碳点在374nm处的特征吸收峰,归因于碳量子点表面羧基中C＝O双键的n→π*跃迁吸收。随后，测定了CDs的荧光性能，如图4，在最佳激发波长(368nm)下,氮掺杂碳量子点449nm处呈现明显的荧光发射峰,且该发射峰的峰位和强度随激发波长的变化发生明显变化。当激发波长从320nm增加到370nm时,荧光发发射峰位发生红移,荧光强度明显增加,之后随发射波长的不断增加,荧光强度反而降低，这种随激发波长依赖的特性被认为是由于碳量子点的尺寸效应或表面发光位点不同所引起。
从图5中可以看Fe3+对荧光碳量子点有明显的荧光猝灭作用，而其他金属离子(Fe2 +，Mn2+，Ba2+，Ca2+，K+，Zn2+，Mg2+，Na+等)对碳量子点荧光强度的猝灭作用影响甚微，可忽略，因此，制备的碳量子点对Fe3+的检测具有较强的选择性，且不同金属离子对Fe3+的荧光猝灭干扰性很小。
从图6中可以看出，随着Fe3+浓度的增加，荧光强度呈现出逐渐减弱的趋势。从图7中可以看出，当Fe3+浓度在0～80μmol/L范围内，两者呈良好的线性关系，相关系数为0.993，y＝0.0222x+1.1205。
为了研究碳量子点进入细胞的时间，将碳量子点与细胞共培养不同的时间间隔，从图8中发现碳量子点能够在15分钟内进入细胞并显示出较亮的蓝光，孵育1小时后蓝光更加明显。
为了进一步研究CDs在细胞水平监测Fe3+的适用性和可行性，将外源Fe3+引入CDs预处理的细胞中。如图9所示，用含有外源Fe3+的培养基孵育的细胞只能看到相当弱的蓝色荧光，这归因于Fe3+对CDs的荧光性能的淬灭作用。因此，上述现象表明这种纳米材料CDs可用于细胞内Fe3+的检测。
实施例2
一种蓝色铁离子碳量子点的制备方法，以L-精氨酸(L-Arg)和柠檬酸(CA)为原料，通过一步水热法合成了CDs。将0.174g L-Arg，0.21g CA和20mL水的混合物，先微波反应4min得固体混合物，然后加30ml乙醇混合，入到50mL内衬的高压反应釜中，然后在180℃下反应10小时。反应结束后，将所得溶液冷却至室温。以10000rpm离心10分钟，取上清液。然后在50℃的温度下减压旋转蒸发上清液8min以除去乙醇，通过聚苯乙烯凝胶色谱柱分离，在二氯甲烷/乙醇程序洗脱下，收集洗脱比为5：1组分，减压旋转蒸发掉有机溶剂二氯甲烷和乙醇得油状混合物，将其加入50ml超纯水，然后低温超声5min，使碳量子点均匀分散在超纯水中，并用平均孔径为0.22μm的微孔滤膜进行过滤，过滤后用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析24h，每隔6h换一次超纯水。最后，将纯化好的滤液冷冻成冰，真空冷冻干燥6h，获得深棕色固体粉末，即为蓝色铁离子碳量子点。
实施例3
一种蓝色铁离子碳量子点的制备方法，以L-精氨酸(L-Arg)和柠檬酸(CA)为原料，通过一步水热法合成了CDs。将0.174g L-Arg，0.21g CA和20mL水的混合物，先微波反应13min得固体混合物，然后加30ml乙醇混合，入到50mL内衬的高压反应釜中，然后在180℃下反应10小时。反应结束后，将所得溶液冷却至室温。以10000rpm离心10分钟，取上清液。然后在50℃的温度下减压旋转蒸发上清液8min以除去乙醇，通过聚苯乙烯凝胶色谱柱分离，在二氯甲烷/乙醇程序洗脱下，收集洗脱比为5：1组分，减压旋转蒸发掉有机溶剂二氯甲烷和乙醇得油状混合物，将其加入50ml超纯水，然后低温超声15min，使碳量子点均匀分散在超纯水中，并用平均孔径为0.22μm的微孔滤膜进行过滤，过滤后用分子量500道尔顿的透析袋在超纯水中透析24h，每隔6h换一次超纯水。最后，将纯化好的滤液冷冻成冰，真空冷冻干燥18h，获得深棕色固体粉末，即为蓝色铁离子碳量子点。
以上所述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。