碳量子点及基于碳量子点的成像剂和荧光探针的制备方法技术

本发明专利技术公开了碳量子点及基于碳量子点的成像剂和荧光探针的制备方法，碳量子点的制备方法，包括：将碳源与水混合；将所得到的混合物进行碳化处理并收集上清液；将所得到的上清液离心去除沉淀并透析纯化；将所得到的溶液冷冻干燥，获得碳量子点材料。还公开荧光成像剂的制备方法及铁离子检测荧光平台的制备方法。本发明专利技术所提出的制备方法，可通过碳化三维胶原支架材料直接获得发荧光的碳量子点，该制备过程简便，绿色环保，原材料广泛，有利于实现工业化大规模生产，还可通过改变碳源的自组装方式来调控碳量子点的结构和性能。

【技术实现步骤摘要】
碳量子点及基于碳量子点的成像剂和荧光探针的制备方法
本专利技术涉及材料领域，具体是碳量子点及基于碳量子点的成像剂和荧光探针的制备方法。
技术介绍
荧光碳量子点，尺寸在10纳米以下，由于其低光漂白性、良好生物相容性、良好的水溶性和极好的细胞膜通透性得到了极大的关注。这些性能使得碳量子点在生物体系中优于有机染料及无机重金属半导体量子点。通常，碳量子点可由富含碳组分的物质中通过脱水碳化得到。而前驱体的初级结构包含原子组成、连接的化学键都决定了碳量子点的性能。在生物体系中，生物大分子通常倾向于组装成复杂的三维结构来达到不同的生物功能。然而，这种高级结构是否对于碳量子点的合成及性能产生影响还未明确。胶原，作为一种生物体中常见的具有自组装性能的蛋白质，是研究这一体系的最佳模型。五个游离的原胶原分子首先自组装为三螺旋的微纤维。然后，进一步组装为海绵状的三维多孔支架，并通过分子间氢键、静电作用及疏水作用形成多层次等级结构。这些结构在水热法制备碳量子点的过程中将通过超分子间相互作用固定官能团、并紧密堆积基团促进交联反应，进而达到碳量子点交联增强的发射性能。同时由于杂原子的掺杂提高了光稳定性，使得荧光碳量子点可用于生物成像。并且，由于组装达到的官能团的堆叠，达到了对铁离子高度的亲和性。因此，需要利用生物常见的三维胶原支架为碳源，以符合工业化“自下而上”的大规模生产需求、满足工艺简单且绿色环保的要求制备荧光碳量子点材料，用于考察组装超结构对于碳量子点的性能影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供碳量子点及基于碳量子点的成像剂和荧光探针的制备方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。本专利技术人在研究过程中发现，胶原蛋白的基本结构单位是原胶原分子，原胶原肽链的一级结构具有(Gly-X-Y)n重复序列，其中X常为脯氨酸，Y常为羟脯氨酸或羟赖氨酸。原胶原是由三条α-肽链组成的纤维状蛋白质，相互拧成三股螺旋状构型，长300nm，直径1.5nm。这种特有的结构使得胶原具有独特的生物活性。组装超结构可以通过堆叠官能团促进量子点的胶联增强发射性能。胶原蛋白中的氮原子、磷原子的杂原子掺杂还可以提升碳量子点的光稳定性。专利技术人深入研究发现，用具备组装超结构的三维胶原支架为碳源制备的碳量子点可作为良好的生物成像显色剂，由于组装产生的堆叠官能团对于铁离子的亲和力提高，可作为灵敏性选择性的检测环境中铁离子。与不具备组装结构的原胶原分子碳源做对比，胶原支架产生的碳量子点光稳定性更佳，对铁离子的检测灵敏度更高。有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种具有多层次等级结构的三维胶原组装支架为碳源，以分子组装的机理来探讨碳源对于碳量子点结构和性能的影响。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种碳量子点的制备方法，包括以下步骤：1)将碳源与水混合；2)将步骤1)中所得到的混合物进行碳化处理并收集上清液；3)将步骤2)中所得到的上清液离心去除沉淀并透析纯化；4)将步骤3)中所得到的溶液冷冻干燥，获得碳量子点材料。作为本专利技术进一步的方案：在步骤1)中，碳源为具有多层级等级结构的三维胶原支架材料或原胶原分子；制得的混合物中，碳源在水中的质量浓度为0.001～25mg/mL。作为本专利技术进一步的方案：在步骤2)中，所述碳化处理为水热法、微波法和回流法；其中，水热法使用特氟龙内衬的反应釜控制温度在100～200℃保持0～5小时；微波法使用家用微波炉在低火至高火中保持0～30分钟；回流法使用氢氧化钠溶液在50～120℃下回流1～72小时。作为本专利技术进一步的方案：在步骤3)中，采用超纯水透析1～72小时。专利技术人发现，三维胶原支架所具备的多层级等级结构可堆叠羧基、氨基等官能团从而促进结构交联，进而产生了碳量子点的交联增强性荧光发射。利用其增强的荧光性能及光稳定性，绿色安全的碳量子点可作为体内、体外成像剂使用。由于小尺寸导致的高细胞膜通透性能够便于碳量子点进出细胞。完全生物来源的前驱体——无论是三维胶原支架还是原胶原分子都保障了材料的安全性和低毒副性。进一步，组装造成官能团堆叠，而羧基、胺基交错区域对于铁离子具有特异性的亲和力。铁离子与碳量子点结合并产生荧光共振能量转移，使得碳量子点的荧光强度随加入铁离子的浓度增加而降低。利用该原理，碳量子点可作为检测铁离子浓度的荧光探针。由于分子组装超结构的引入，由三维胶原支架得到的碳量子点较原胶原分子得到的量子点在检测铁离子方面显现出更高的灵敏度。这种制备方法具有来源广泛、原料易得、简便易行的特点，以水为溶剂，还具有绿色无污染的优点。碳量子点的制备方法可以分为：自上而下式如弧放电、激光烧蚀、电化学氧化、燃烧/加热等；自下而上式，即对前驱体进行脱水、聚合、碳化、钝化等。通常认为，水热法或微波法是直接有效的一步法碳化各种碳源得到碳量子点的方法。专利技术人创造性的使用具有多层级等级结构的三维胶原支架作为碳源，以水热法或微波法制备出荧光碳量子点。专利技术人意外地发现，三维胶原支架的组装结构可有效聚集官能团，并在水热反应或微波加热中促进交联反应的发生，从而导致所产生的碳量子点具备交联增强的性能。与不具备组装结构的原胶原分子为碳源制备出的碳点相比，三维胶原支架制备的碳点具有更高的量子产率，更稳定的荧光发射，和对铁离子检测更高的灵敏度。一种碳量子点材料，所述碳量子点是通过所述的碳量子点的制备方法获得的。作为本专利技术进一步的方案：所述碳量子点具有高度荧光稳定性及生物相容性。作为本专利技术进一步的方案：所述碳量子点具有铁离子敏感性和特异性。一种荧光成像剂的制备方法，包括以下步骤：a)将碳量子点冻干粉末溶于适量水中，其中，所述碳量子点如上所述；b)将所述碳量子点溶液加入到细胞环境中，在37℃下培养两小时，以获得荧光成像图。一种铁离子检测荧光平台的制备方法，包括以下步骤：a)将碳量子点冻干粉末溶于适量水中，其中，所述碳量子点如上所述；b)将所述碳量子点溶液加入到含铁离子的溶液中，并孵育二十分钟，以获得荧光变化图谱。所述的碳量子点材料在成像、传感、医药和电子学中的用途。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术所提出的制备方法，可通过碳化三维胶原支架材料直接获得发荧光的碳量子点，可通过对原胶原分子的组装实现官能团的堆叠，进而在碳化处理中使得官能团实现碳点的交联增强荧光发射。该制备过程简便易行，绿色环保，原材料广泛，有利于实现工业化大规模生产，还可通过改变碳源的自组装方式来调控碳量子点的结构和性能。附图说明图1为碳量子点I的TEM图像以及紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图。图2为碳量子点II的TEM图像以及紫外-可见吸收光谱和荧光发射光谱图。图3为碳量子点的红外光谱、表面光电子能谱以及瞬态荧光光谱。图4为碳量子点的稳定性研究图。图5为碳量子点的毒性试验研究CCK-8模式图。图6为碳量子点用于细胞成像的荧光图。图7为碳量子点用于铁离子检测的荧光图谱及荧光强度与铁离子浓度的线性关系图，以及针对铁离子的选择性检测试验。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳源与水混合；2)将步骤1)中所得到的混合物进行碳化处理并收集上清液；3)将步骤2)中所得到的上清液离心去除沉淀并透析纯化；4)将步骤3)中所得到的溶液冷冻干燥，获得碳量子点材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳量子点的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将碳源与水混合；2)将步骤1)中所得到的混合物进行碳化处理并收集上清液；3)将步骤2)中所得到的上清液离心去除沉淀并透析纯化；4)将步骤3)中所得到的溶液冷冻干燥，获得碳量子点材料。2.根据权利要求1所述的碳量子点的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，碳源为具有多层级等级结构的三维胶原支架材料或原胶原分子；制得的混合物中，碳源在水中的质量浓度为0.001～25mg/mL。3.根据权利要求2所述的碳量子点的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，所述碳化处理为水热法、微波法和回流法；其中，水热法使用特氟龙内衬的反应釜控制温度在100～200℃保持0～5小时；微波法使用家用微波炉在低火至高火中保持0～30分钟；回流法使用氢氧化钠溶液在50～120℃下回流1～72小时。4.根据权利要求3所述的碳量子点的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，采用超纯水透析...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘燕，周彦恒，罗聃，秦肖雲，
申请(专利权)人：杭州恒睿生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33