一种氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点及其批量可控制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料领域，具体涉及一种氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点及其批量可控制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]碳纳米材料(包括碳纳米管、碳纳米棒、金刚石、富勒烯、碳量子点等)具有优良的机械性能、导电性能、热稳定性、特殊的荧光性能及化学稳定性，已应用于光学器件、医疗诊断、催化剂、LED封装材料等诸多方面。荧光碳材料是一种具有纳米结构、化学性质稳定的生物相容性材料，被广泛应用于生物成像。而且最近流行的石墨烯碳点具有丰富的表面官能团，可被修饰改性，具有广阔的应用前景。石墨烯量子点的光致发光源于其尺寸效应和zigzag边缘效应，如果在碳点内引入N、P和S等杂原子会引起碳点内局部的电子富集或缺失，从而调控其带隙和发光波长。
[0003]最近有关碳点合成方法的报道很多，可归纳为两种:(I)自上而下的方式通过物理、化学等方法将大块的石墨烯分割成具有量子效应的纳米粒子；(2)自下而上的方式通过化学合成、微波或超声辅助等方式将小分子化合物合成为碳点。而且有关氮等杂元素掺杂碳点合成方式的报道也层出不穷。但掺杂碳点的合成方式大都是在溶液中进行，样品浓度非常低，导致其合成产物产率较低，不能满足大规模生产及应用的需求。另外，杂元素的掺杂量难以精确调控。
【发明内容】
[0004]本发明针对现有技术中碳点合成方法存在的产率低、工艺相对复杂、合成时间长等问题，提供一种氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点及其批量可控制备方法和应用，该方法工艺简单、可批量生产、掺杂量可精确调控，产品可用于生物荧光标记，能够作为细胞成像的探针使用。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点的批量可控制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)通过自下而上法制备氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点
[0008]将碳源、氮源、磷源和硫源混合均匀，得到混合物，其中混合物中元素C、N、P、S的摩尔比为1: (O?0.8): (O?0.4): (O?0.4)，且混合物中元素N、P、S的含量不同时为0，在空气气氛下将混合物加热至200?350°C，待反应3?60min后，停止反应，自然冷却至室温，得到反应产物；
[0009]2)产物的纯化分离
[0010]将反应产物用硅胶色谱柱分离，除去未反应的碳源、氮源、磷源和硫源，即得到氮、憐、硫惨杂或共惨杂碳点。
[0011]所述的碳源为含羧基或羟基的碳氢氧化合物；氮源为含有氮元素的碳氢氧氮化合物；硫源包括含硫氨基酸、硫化物、硫氢化物和硫酸盐；磷源包括核苷酸、磷酸盐、磷酸氢盐和磷酸二氢盐。
[0012]所述的碳源为酒石酸、蔗糖、葡萄糖、葡萄糖酸钠、柠檬酸、苹果酸、二羟甲基丙酸、衣康酸、咖啡酸及其衍生物中的一种或几种任意比例的混合物。
[0013]所述的氮源为尿素、叶酸、嘧啶、嘌呤、氨基酸、胍及其衍生物中的一种或几种任意比例的混合物；其中叶酸、嘧啶、嘌呤、氨基酸和胍的衍生物能够同时作为碳源和氮源。
[0014]所述的硫源为半胱氨酸、胱氨酸、硫脲、谷胱甘肽、硫化物、硫氢化物和硫酸盐中的一种或几种任意比例的混合物；其中半胱氨酸、胱氨酸和谷胱甘肽能够同时作为碳源、氮源和硫源。
[0015]所述的磷源为腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸、尿嘧啶核苷酸、磷酸盐、磷酸氢盐、磷酸二氢盐中的一种或几种任意比例的混合物；其中腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸、胸腺嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸能够同时作为碳源、氮源和磷源。
[0016]所述步骤I)中的混合均匀是将碳源、氮源、磷源和硫源装入球磨机或研钵中，通过研磨使其混合均匀。
[0017]氣、憐、硫惨杂或共惨杂碳点的批M可控制备方法制得的氣、憐、硫惨杂或共惨杂碳点的尺寸为I?10nm，发出的荧光颜色范围为蓝色到绿色，在100ug/mL浓度以下没有细胞毒性。
[0018]氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点在生物荧光标记及细胞成像方面的应用。
[0019]相对于现有技术，本发明具有以下有益效果:
[0020]本发明提供的氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点的批量可控制备方法，通过调节碳源、氮源、磷源和硫源的加入量来调节C、N、P、S的元素含量，从而能够制备出不同杂原子掺杂量的碳点。将碳源、氮源、磷源和硫源混合均匀后加热至熔融温度敞口进行碳化和脱氢反应，使混合物中的氨基、羟基、羧基等反应性官能团相互作用，脱去水分子形成酯键或酰胺键进而逐步反应使产物体积不断扩大，最终达到纳米尺度(1-1Onm)，并且产物中含有的少量未反应的原料可以通过柱层分离除去。该方法工艺简单、合成时间短、可批量生产、掺杂量可精确调控，具有良好的经济效益。
[0021]本发明制得的氮、磷、硫掺杂或共掺杂碳点含有丰富的羧基和羟基，使其具有良好的水溶性及生物相容性。而且由于作为原料的碳源、氮源、磷源和硫源本身生物相容性较好，因此聚合成碳点以后没有明显的细胞毒性，并且由于制得的碳点具有稳定的荧光性能，可用于生物荧光标记和细胞成像，是一种具有实际应用价值的安全有效的“绿色”荧光纳米材料。
[0022]本发明制备碳点所用的碳源、氮源、磷源和硫源均可通过商业途径得到。制得的碳点的细胞毒性通过MTT、WST-1等细胞毒性测试发现，在浓度100 μ g/mL以下对两种细胞(Hela和H9C2细胞)培养48h后，细胞存活率均在90%以上，说明制得的碳点没有明显的细胞毒性。并且将制得的碳点用于Hela细胞和H9C2细胞的成像，可以发现由于细胞的种类不同，虽然碳点在细胞中的分布和成像情况不同，但都能达到良好的成像效果。
【附图说明】
[0023]图1是本发明中以甘氨酸反应为例所制备的氮掺杂碳点的透射电镜照片。
[0024]图2是图1的局部放大图。
[0025]图3是本发明中以半胱氨酸反应为例所制备的氮硫共掺杂碳点的透射电镜照片。
[0026]图4是本发明中以甘氨酸反应为例所制备的氮掺杂碳点的表面光电子能谱(XPS)表征图。
[0027]图5是本发明中以半胱氨酸反应为例所制备的氮硫共掺杂碳点的表面光电子能谱(XPS)表征图。
[0028]图6是本发明中以7种氨基酸反应为例所制备的氮掺杂或氮硫共掺杂碳点水溶液在不同光激发下的照片。
[0029]图7是本发明中以甘氨酸(a)和半胱氨酸(b)反应为例所制备的氮掺杂或氮硫共掺杂碳点的细胞毒性研宄结果。
[0030]图8是本发明中以半胱氨酸反应为例所制备的氮硫共掺杂碳点标记的细胞激光共聚焦成像结果，两种细胞分别是Hela细胞(a)和H9C2细胞(b)。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体实施例对本发明作进一步的阐释，而不是要以此对本发明进行限制。
[0032]本发明中的碳源可以为含羧基或羟基的碳氢氧化合物，如酒石酸、蔗糖、葡萄糖、葡萄糖酸钠、柠檬酸、苹果酸、二羟甲基丙酸、衣康酸、咖啡酸及其衍生物等，可以选择其中一种或多种化合物的混合物作为碳源。氮源可以为富含氮元素的碳氢氧氮化合物，如尿素、叶酸、嘧啶、嘌呤、氨基酸、胍及其衍生物等，可以选择其中一种或多种化合物的混合物作为氮源。其中叶酸、嘧啶、嘌呤、氨基酸和胍的衍生物中