一种抗氧化铈掺杂碳量子点及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于纳米材料与医学工程领域，涉及一种抗氧化铈掺杂碳量子点及其制备方法与应用。本发明专利技术以甘氨酸为表面钝化剂，柠檬酸为碳源材料，硝酸铈提供铈元素通过一步水热碳化法，经透析和冷冻干燥除去残余物和水分，获得铈掺杂碳量子点。所制备的铈掺杂碳量子点具有较强的荧光性能、较好的抗氧化效果以及良好的生物相容性等优异特性，且成功应用于体外活细胞抗氧化实验，在生物医学领域具有广阔的应用前景。本发明专利技术提供的制备方法具有工艺简单、成本低廉、易于大规模生产的特点。

An Antioxidant Cerium Doped Carbon Quantum Dot and Its Preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种抗氧化铈掺杂碳量子点及其制备方法与应用
本专利技术属于纳米材料与医学工程领域，涉及一种抗氧化铈掺杂碳量子点及其制备方法与应用。
技术介绍
铈（Ce）是稀土元素在周期表中的一种元素，由于其电子结构缺少来自Ce3+中4f轨道的单电子，Ce通常存在于四价和更稳定的状态。尽管如此，CeO2在纳米尺度上表现出更典型的特性。由于萤石结构具有许多立方空间，所以铈离子具有可逆地在三价和四价之间转换的能力。近年来，由于CeO2纳米材料的再生性能和抗氧化性能，被认为是理想的抗氧化材料，在纳米医学中有着广泛的应用前景。正是因为Ce3+／Ce4+较低的还原势能，CeO2可以清除氧自由基，而且Ce3+和Ce4+之间可以相互转换，使得氧化铈纳米材料抗氧化性能可再生。当形成表面氧的缺陷时，Ce4+离子恢复到Ce3+状态，以弥补氧化铈形成过程中的空位，形成了具有可重现性的稳定结构。利用CeO2可再生的抗氧化性能，目前已应用于生物工程和医学领域的研究。除了可减少活性氧簇（ROS）的产生以外，CeO2可模拟超氧化物歧化酶的活性、模拟过氧化氢酶的活性以及清除NO、羟基等作用,并逐渐应用于生物学及医学。近年来，荧光碳量子点（CQDs）作为一种新型碳纳米材料受到广泛关注，碳量子点由于具有良好的生物相容性、化学稳定性和优异的荧光性能，在生物成像、基因传递和生物传感等领域有着广泛的应用。已经开发了广泛的获得杂原子掺杂CQDs（如硫和氮掺杂的CQD）的方法。尽管氧化铈通过其清除自由基的功能可以在一系列生物过程中发挥作用，但迄今为止，现还缺少关于铈掺杂碳量子点制备及其应用方面的研究报道。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种抗氧化铈掺杂碳量子点及其制备方法与应用。本专利技术采用一步水热碳化法，碳量子点的成型、铈掺杂与表面钝化可同时完成，通过本专利技术所述方法制备的铈掺杂碳量子点的生物相容性良好、具有较高荧光性能和抗氧化作用。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种铈掺杂碳量子点，所述的铈掺杂碳量子点为球形，具有非晶格和晶格的混合相结构，铈以两种成键方式存在于铈掺杂碳量子点中，粒径约为1.4~3.7nm，在360nm激发光下有最大的发射波长440nm。本专利技术还提供了上述铈掺杂碳量子点的制备方法，包括如下步骤：（1）将甘氨酸、柠檬酸和六水硝酸铈溶解于双蒸水，室温条件下磁力搅拌充分分散，获得均匀的透明溶液；（2）将步骤（1）中制备的透明溶液放入反应釜中封闭，放入真空干燥箱中高温加热处理，待冷却到室温后把反应釜取出，获得量子点溶液，离心去除大颗粒沉淀，收集上清液；（3）将步骤（2）收集的上清液装入透析袋内进行透析，将透析后的溶液冷冻干燥至粉末状，即获得铈掺杂碳量子点（Ce-dopedCQDs）。更优的，所述步骤（1）为将柠檬酸和六水硝酸铈溶解在双蒸水中螯和后加入甘氨酸，室温条件下磁力搅拌充分分散，获得均匀的透明溶液。进一步地，本专利技术步骤（1）中所述的柠檬酸、六水硝酸铈、双蒸水和甘氨酸的用量比均为0.6~1.5g：0.84~1.68g：0.1~0.8g：20mL。本专利技术步骤（2）中所述的高温加热为160~200℃。本专利技术步骤（3）中所述的透析袋是分子截留量为1000~5000Da的亲水性纤维素透析袋。本专利技术还提供了上述铈掺杂碳量子点在制备抗氧化产品方面的用途，其具有良好的生物相容性和可忽略的细胞毒性，这些性质为进一步的生物医学应用提供参考，进一步地，所述抗氧化产品为用于治疗由自由基引起的疾病的药物。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术以甘氨酸为表面钝化剂，柠檬酸为碳源，硝酸铈提供铈元素通过一步水热碳化法，经透析和冷冻干燥除去残余物和水分，获得铈掺杂碳量子点；本专利技术提供的制备方法中所用甘氨酸为具有优异的生物亲和性的天然小分子伯氨基化合物，其成本低廉、生物毒性小并且环境友好；甘氨酸作为助色基团显著提高碳量子点的荧光量子产率，同时加速脱水碳化形成碳纳米结晶。本专利技术制备过程简单，对设备需求低，操作简便，产物不需要进一步纯化，适合大规模工业生产。本专利技术提供的铈掺杂碳量子点具有荧光和抗氧化双重功；不仅具有优异的光学特性，而且具有超氧化物歧化酶特征，可以缓解H2O2引起的氧化损伤，对细胞有一定保护作用。具有良好的生物相容性和可忽略的细胞毒性，这些性质为进一步的生物医学应用提供参考，铈掺杂碳量子点在制备抗氧化产品方面具有广阔的应用前景。附图说明图1是实施例9中制备的Ce-dopedCQDs物理形貌特征的表征图；其中，A是Ce-dopedCQDs的透射电镜图；B.是Ce-dopedCQDs的粒径分布图；图2是实施例9中制备的Ce-dopedCQDs光学性质的表征图；其中，A是Ce-dopedCQDs的紫外吸收光谱，A中右上插图为Ce-dopedCQDs水溶液在紫外灯照射下的荧光图片；B是Ce-dopedCQDs在波长为300nm到4000nm的荧光光谱图；图3是实施例9中制备的Ce-dopedCQDs化学结构表征图，其中，A是.光电子能谱图；B是铈元素分峰谱图；图4是实施例11中Ce-dopedCQDs的生物安全性实验；其中，A是MEF细胞；B是3T3细胞；图5是实施例12中Ce-dopedCQDs的体外抗氧化实验；其中，A是MEF细胞；B是3T3细胞；图6是实施例12中不同浓度Ce-dopedCQDs孵育3T3细胞2小时后在H2O2诱导的氧化应激下通过活死细胞染色3T3细胞的荧光图像。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术做进一步描述说明，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。实施例1：在该实施例中，通过下列步骤制备铈掺杂碳量子点：将0.60g甘氨酸、0.84g柠檬酸和0.10g六水硝酸铈溶解在20mL双蒸水中，室温条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到反应釜中封闭，放入电热恒温真空干燥箱160℃加热4h，冷却至室温，得到量子点溶液，经2000rpm离心15分钟去除大颗粒沉淀。收集上清液注入到分子截留量为1000Da的透析袋内进行透析，透析时间为72h，每间隔12h换一次水。将透析产物进行在-80℃冻干机中进行冷冻干燥至粉末状，获得铈掺杂碳量子点。实施例2：将0.75g甘氨酸、0.84g柠檬酸和0.10g六水硝酸铈溶解在20mL双蒸水中，室温条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到反应釜中封闭，放入电热恒温真空干燥箱200℃加热3h，冷却至室温，得到量子点溶液，经2000rpm离心15分钟去除大颗粒沉淀。收集上清液注入到分子截留量为2000Da的透析袋内进行透析，透析时间为72h，每间隔12h换一次水。将透析产物进行在-80℃冻干机中进行冷冻干燥至粉末状，获得铈掺杂碳量子点。实施例3：将0.90g甘氨酸、0.84g柠檬酸和0.10g六水硝酸铈溶解在20mL双蒸水中，室温条件下磁力搅拌，使其充分溶解获得均匀透明的溶液。将上述溶液加入到反应釜中封闭，放入电热恒温真空干燥箱200℃加热7h，冷却至室温，得到量子点溶液，经2000rpm离心15分钟去除大颗粒沉淀。收集上清液注入到分子截留量为2000Da的透析袋内进行透析，透析时间为72h，每间隔12h换一次本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铈掺杂碳量子点，其特征在于，所述的铈掺杂碳量子点为球形，具有非晶格和晶格的混合相结构，铈以两种成键方式存在于铈掺杂碳量子点中。

【技术特征摘要】
1.一种铈掺杂碳量子点，其特征在于，所述的铈掺杂碳量子点为球形，具有非晶格和晶格的混合相结构，铈以两种成键方式存在于铈掺杂碳量子点中。2.如权利要求1所述的铈掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）将甘氨酸、柠檬酸和六水硝酸铈溶解于双蒸水，室温条件下磁力搅拌充分分散，获得均匀的透明溶液；（2）将步骤（1）中制备的透明溶液放入反应釜中封闭，放入真空干燥箱中高温加热处理，待冷却到室温后把反应釜取出，获得量子点溶液，离心去除大颗粒沉淀，收集上清液；（3）将步骤（2）收集的上清液装入透析袋内进行透析，将透析后的溶液冷冻干燥至粉末状，即获得铈掺杂碳量子点。3.根据权利要求2所述的铈掺杂碳量子点的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）为将柠檬酸和六水硝酸铈溶解在双蒸水中螯和后加入甘氨...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜凤移，赵璐璐，杜凤亭，张苗苗，蔡茸，邹圣强，吴云超，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32