一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，将放置有无水乙醇的容器置于恒温油浴锅中，将硅烷偶联剂与还原剂先后加入容器内；搅拌10‑120min，将反应后得到的溶液冷却至室温，得到水溶性绿色荧光硅量子点粗产品。本发明专利技术创造性的使用无水乙醇作为反应溶剂时，无水乙醇可以控制硅烷化试剂缓慢水解生成硅醇分子，更有利于小颗粒硅量子点的合成，同时无水乙醇可以溶解硅醇，并使硅醇更稳定存在于溶液中，减少硅醇的缩合。本发明专利技术制备的硅量子点具有合成方法简便；量子产率高；对抗坏血酸特异性识别能力强，最低检出浓度可达0.04μM，是一种适用于生物体系中痕量标志物检测的理想生物探针。

Preparation and application of a water-soluble green fluorescent silicon quantum dot

The invention discloses a preparation method of water-soluble green fluorescent silicon quantum dots. A container with anhydrous ethanol is placed in a constant temperature oil bath pot, silane coupling agent and reducing agent are added into the container successively, and the solution obtained after reaction is cooled to room temperature by stirring for 10 to 120 minutes to obtain the crude product of water-soluble green fluorescent silicon quantum dots. When absolute ethanol is used as reaction solvent creatively, absolute ethanol can control the slow hydrolysis of silylation reagent to produce silanol molecule, which is more conducive to the synthesis of small particles of silicon quantum dots. At the same time, absolute ethanol can dissolve silanol, make it more stable in solution and reduce the condensation of silanol. The silicon quantum dot prepared by the invention has the advantages of simple synthesis method, high quantum yield, strong specific recognition ability against ascorbic acid, and the lowest detection concentration can reach 0.04 um M. It is an ideal biological probe suitable for the detection of trace markers in biological systems.

【技术实现步骤摘要】
一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法及应用
本专利技术涉及纳米材料科学和分子生物学
，具体涉及一种绿色环保的水溶性硅量子点的制备方法对于生物样品中痕量谷胱甘肽和抗坏血酸具有高选择性、高灵敏度。
技术介绍
近年来，硅量子点(SiQDs)因其在材料科学，生物科学等领域的出色表现而受到广泛关注。硅量子点具有量子产率高，尺寸可调，在水溶液或环境空气中具有较高的光稳定性，荧光寿命长，良好的生物相容性和易于与生物分子相结合等优点。与其他类型量子点相比，SiQDs最突出的优势在于其无毒，在合成以及应用的过程中均不会产生环境污染，由于这一优势，研究者在许多新兴领域对硅量子点的应用进行了广泛的探索，包括生物成像、给药、催化和生物传感。生物标志物(Biomarker)是指可以标记系统、器官、组织、细胞及亚细胞结构或功能的改变以及可能发生的改变的生化指标，具有非常广泛的用途。通过对它的测定可以获知机体所处的生物学进程。因此生物标志物可用于疾病诊断、判断疾病分期或者用来评价新药或新疗法在目标人群中的安全性及有效性。监测生物活性物质在生物体中的分布和水平，对于了解其生理功能和病理效应，以及对一些严重疾病的早期诊断具有重要意义。抗坏血酸(VitC，AA)是人体内一种重要的反应性生物分子，它具有多种作用，包括酶辅助因子、抗氧化作用和参与神经递质相关酶的作用。此外，各种流行病学研究和临床试验表明，抗坏血酸的水平异常与许多疾病有关，如坏血病、抑郁症、结缔组织缺损和腹泻。因此，开发有效的抗坏血酸水平生物体系监测方法已成为当前生物化学研究的一个重要课题。目前检测抗坏血酸的方法主要有比色法、色谱法、电化学分析法、荧光法等。在众多检测方法中，荧光探针成像技术具有灵敏度高、实时、现场监测、不损坏样品等优点，是生物活性物检测的理想选择，因此本专利技术选择荧光探针来检测抗坏血酸。到目前为止，通过检索，从我们所掌握的资料中还没有发现选用无水乙醇通过一步反应用于硅量子点的合成以及用于抗坏血酸检测的报道。
技术实现思路
本专利技术为抗坏血酸的检测提供一种新的思路，选用无水乙醇通过一步反应用于硅量子点的合成。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了如下的技术方案：一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，将放置有无水乙醇的容器置于恒温油浴锅中，将硅烷偶联剂与还原剂先后加入容器内；在15-75℃下搅拌10-120min，将反应后得到的溶液冷却至室温，得到水溶性绿色荧光硅量子点粗产品。硅烷化试剂与还原剂反应原理如下：硅烷化试剂分子中含有两种不同的反应性基团，其化学结构为：Y-R-Si-(OX)3，其中X是可以进行水解反应生成硅醇(Si-OH)的基团。在量子点制备过程中，第一步硅烷化试剂进行水解生成硅醇，硅醇与还原剂通过氧化-还原反应形成纳米晶核。第二步为奥斯特-瓦尔德熟化阶段，即纳米晶体在生长过程中会溶解具有较大比表面和小体积低稳定性的小纳米晶体，最终产生更稳定和更大尺寸的纳米晶体。由以上原理可知，在整个纳米晶体制备的过程中，硅烷化试剂水解产生硅醇的速度直接影响纳米晶的成核，进一步影响纳米晶的粒径大小和发光性质。现在以硅烷化试剂APTMS为例，其制备纳米晶的过程如下：第一步：硅烷化试剂的水解第二步：硅醇氧化-还原反应制备纳米晶NH2(CH2)3-Si(OH)3+VC→SiNPs从以上反应可以看出，硅烷化试剂该水解过程为可逆反应，产物为甲醇及硅醇。当使用纯水作为反应溶剂时：硅烷化快速的水解会生成过量的硅醇，因此会产生过量的纳米晶核，在奥斯特-瓦尔德熟化阶段，过量的纳米晶核会逐渐团聚形成较大的纳米晶。同时硅烷化试剂快速水解后生成的大量硅醇存在缩合反应：过量的硅醇发生进一步缩合反应得到Si-O-Si聚氧硅，聚氧硅不能够与还原剂发生氧化还原反应生成纳米晶，因此要尽量避免缩合反应，减少副产物的生成。而本专利技术创造性的使用无水乙醇作为反应溶剂时，无水乙醇可以控制硅烷化试剂缓慢水解生成硅醇分子，更有利于小颗粒硅量子点的合成，同时无水乙醇可以溶解硅醇，并使硅醇更稳定存在于溶液中，减少硅醇的缩合。公开号为CN201610354100的专利技术专利一种微波法制备掺氟的荧光硅量子点的方法及公开号为CN201610246277的专利技术专利一种比率型纳米硅量子点荧光探针及其制备方法和应用；均为采用一锅法将还原剂与硅烷偶联剂反应生成硅量子点，但是其反应溶液中均有水，反应速率快，不能缓慢水解，然后再利用抗坏血酸还原，仅能制备出发蓝光光的量子点；为验证硅烷化试剂水解速率对量子点合成的影响，我们分别采用去离子水及乙醇作为APTMS溶剂。其实验结果如图6所示：图6(a)为以去离子水为溶剂时硅量子点荧光强度随反应时间的变化；图6(b)为以无水乙醇为溶剂时硅量子点荧光强度随时间的变化；由图6可知，当反应以去离子水为溶剂时，反应初期体系荧光迅速增强，这是因为APTMS中含有强极性基团氨基，在碱性环境中对水解反应起着催化的作用，APTMS全部得以水解，生成大量硅醇用以和还原剂反应。随着反应的进行，体系荧光值不再上升，这是因为大量的硅醇开始发生缩合反应，生成Si-O-Si聚硅氧烷，溶液当中有浑浊现象，如果反应继续会观察到体系荧光强度急剧降低，这是由于硅量子点与硅氧烷发生团聚，因此单纯采用去离子水作为溶剂不可取。当溶剂为无水乙醇时，整个反应过程中体系初期较弱荧光，随着反应的进行体系荧光逐渐增强，这是因为硅烷化试剂与还原剂溶液中少量的水发生水解反应生成硅醇，硅烷化试剂在乙醇中实现了水解过程的有序进行，采用乙醇作为溶剂可实现反应可控有序进行，提高原子利用率。为了进一步考察量子点的发光情况，我们分别在水溶液和乙醇溶液重制备了相应的硅量子点，并测试了它们的荧光性能，结果如图7所示，从图7中可知，在相同激发波长下，在水溶液中合成的量子点最大发射波长在470nm，呈现蓝光，这一结果与文献报道的一致。在乙醇溶液中合成的量子点最大发射波长在530nm，呈现绿光。进一步的，硅烷偶联剂与还原剂的摩尔比为1：0.0225～0.225。进一步的，所述的还原剂为抗坏血酸钠。进一步的，所述的硅烷化合物为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷。进一步的，所得的水溶性绿色荧光硅量子点粗产品的纯化方法为将其转移至透析袋中透析至无色透明后放入低温冰柜中冷冻，待冷冻完全后转入进行冷冻干燥。进一步的，透析前将透析袋置于含有碳酸氢钠和EDTA的溶液中将透析袋煮沸8～15分钟，然后用去离子水彻底洗净透析袋，再置于EDTA溶液中煮沸10分钟，冷却后使用去离子水洗净。本专利技术通过一步合成反应以无水乙醇为溶剂制备了一种水溶性绿色荧光硅量子点，与现有技术相比，本专利技术制备的硅量子点具有合成方法简便；量子产率高；可控制硅量子点生长速度达到控制其尺寸的目的，抗干扰能力强；灵敏度高，对抗坏血酸特异性识别能力强，最低检出浓度可达0.04μM；制备原材料3-氨丙基三甲氧基硅烷与3-氨丙基三乙氧硅烷性质稳定，抗坏血酸钠无毒，是一种绿色还原剂；对生物环境无潜在危害等优点，是一种适用于生物体系中痕量标志物检测的理想生物探针。硅量子点作为一种新型荧光纳米材料，在构造生物荧光探针领域应用广泛，但将其用于构建荧光探针用于检测抗坏血酸仍未见实例。将水溶性硅量子点作为新型荧光探针，用于检测生物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，将放置有无水乙醇的容器置于恒温油浴锅中，将硅烷偶联剂与还原剂先后加入容器内；在15‑75℃下搅拌10‑120min，将反应后得到的溶液冷却至室温，得到水溶性绿色荧光硅量子点粗产品。

【技术特征摘要】
1.一种水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，将放置有无水乙醇的容器置于恒温油浴锅中，将硅烷偶联剂与还原剂先后加入容器内；在15-75℃下搅拌10-120min，将反应后得到的溶液冷却至室温，得到水溶性绿色荧光硅量子点粗产品。2.如权利要求1所述的水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，硅烷偶联剂与还原剂的摩尔比为1：0.0225～0.225。3.如权利要求2所述的水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，所述的还原剂为抗坏血酸钠。4.如权利要求2或3所述的水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，所述的硅烷化合物为3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-氨丙基三乙氧基硅烷。5.如权利要求1所述的水溶性绿色荧光硅量子点的制备方法，其特征在于，所得的水溶性绿色荧光硅量子点粗产品的纯化方法为将其转移至透析袋中透析至无色透明后放入低温冰柜中冷冻，待...

【专利技术属性】
技术研发人员：李想，吴甜，付元奇，张雅晶，段兴帆，樊静，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41