一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子及其制备方法与应用

1.本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及的是一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子及其制备方法与应用。


背景技术：

2.荧光成像是一种非侵入性活体内成像技术，能够提供实时快速反馈，灵敏度高和无害辐射，因此在可视化器官的解剖和功能方面具有很大优势。近年来，近红外二区(secondnear-infrared，nir-ii，1000
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1700nm)的荧光成像技术成为基础研究和临床应用的热门成像技术，在生物医学领域具有很强的应用潜力。与基于可见光/近红外一区(firstnear-infrared，nir-i)的生物成像相比，nir-ii荧光成像由于其适度的组织吸收和相对较低的组织散射、最小化的自发荧光和对活细胞的可忽略光毒性，为深部组织成像提供了高信噪比及高空间和时间分辨率，并能够清晰度地直接可视化和实时监测深层生物结构和过程。
3.近年来，近红外区发射的荧光碳纳米材料由于对生物基质的损害很小，组织穿透深度大且生物样品的自发荧光背景极小，成为生物医学测定和治疗方面很有前景的候选者。然而，近年来报道的由紫外线(uv)/蓝光触发的大多数荧光碳纳米粒子(cnps)呈现短于820nm的nir-i发射，严重阻碍了它们在体内的应用。目前仍缺乏有效的方法制备nir-ii发射的cnps。此外，在仅有的关于nir-i发射的cnps的报道中，这些cnps的制备方法复杂，且生物相容性不够理想。碳源的选择在制备cnps中非常重要，来自自然界的生物质碳源具有廉价，无毒，广泛等优点。因此，开发一种基于生物质碳源、制备方法简单、工艺要求较低、可量化生产、生物相容性较好的并具有nir-ii发射的nir触发的cnps非常重要。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子及其制备方法与应用。
5.为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子，其中：所述生物质衍生碳纳米粒子由硼/氮共掺杂碳纳米粒子以及包裹在表面的覆膜材料组成，覆膜材料为透明质酸、牛血清白蛋白、聚乙烯醇或者聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种，生物质衍生碳纳米粒子的晶体直径为5~200nm，在波长为808nm激光下被激发，呈现波长从900nm~1200nm的明显近红外二区发射，波峰的峰值中心为928nm。
6.进一步的，所述氮源为氮化硼、硼氮苯、3-氨基苯硼酸、尿素、三聚氰胺或者柠檬酸铵中的一种或多种；所述硼源为氮化硼、硼氮苯、3-氨基苯硼酸、粒状硼砂或者无水四硼酸钠中的一种或多种；所述生物质碳源为葡萄、梨、西瓜、猕猴桃、苹果或者草莓中的一种或多种。
7.一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、将生物质碳源榨汁，所得溶液离心分离，转速为3000~12000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、将氮源和硼源共同溶于无水乙醇中，氮源、硼源与无水乙醇的质量体积比为（100mg-1000mg）：（100mg-1000mg）：1ml，超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为30~60min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5~30min，制得混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到聚四氟乙烯高压反应釜中，100~200℃温度条件下反应3~10小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，转速为5000~12000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体；s4、将覆膜材料加入去离子水中，覆膜材料与去离子水的质量体积比为（20mg-100mg）：1ml，超声分散后高速搅拌直至溶液呈透明状态，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为5min，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得覆膜材料溶液；s5、将步骤s3制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体配制成分散均匀的硼/氮共掺杂碳纳米粒子水溶液；然后，将硼/氮共掺杂碳纳米粒子水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的覆膜材料溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5~15h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为5000~12000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子。
8.一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子应用于荧光成像、光热治疗、红外防伪或者药物载体中。
9.与现有技术相比本发明的有益效果为：1、本发明提供的具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子是由氮源、硼源与生物质碳源在极性溶液中经脱水碳化反应后形成；所制备得到的生物质衍生碳纳米粒子能够在波长为808nm的激光下被激发，呈现从900~1200nm的明显nir-ii发射，并且具有高效的光热转换特性；2、本发明的生物质衍生碳纳米粒子毒性低，具有很好的生物相容性；3、本发明制造成本低，制备方法简单，可大规模批量制备生物质衍生碳纳米粒子。
附图说明
10.图1为实施例1所合成的cnps的透射电子显微镜图(tme)；图2为实施例1所合成的cnps的水合粒径统计图；图3为实施例1所合成的cnps的傅里叶红外(ftir)吸收光谱；图4为实施例1所合成的cnps的nir-ii荧光图及其荧光光谱图；图5为实施例1所合成的cnps的可见-近红外二区吸收光谱；图6为实施例1所合成的cnps的balb/c小鼠nir-ii荧光活体成像图；图7为实施例1所合成的cnps的光热性能图。
具体实施方式
11.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
12.实施例1一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml西瓜汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒，可以应用于荧光成像、光热治疗、红外防伪或者药物载体中。
13.本实施例1中，将制备得到的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒溶于去离子水，通过鼠尾静脉注射进行给药，检测碳纳米颗粒的成像性能。
14.图1为实施例1所合成的cnps的透射电子显微镜图(tem)。由图可知，所合成cnps形貌规整，粒度分布均一，且直径约为38nm。
15.图2为实施例1所合成的cnps的水合粒径统计图。由图可知，所合成cnps粒度均一，且约94.7%的cnps水合粒径为190nm。
16.图3为实施例1所合成的cnps的傅里叶红外(ftir)吸收光谱。由图可知，3218cm-1
、2912cm-1
、1498cm-1
、1074cm-1
和751cm-1
处的吸收峰分别属于n-h、c-h、b-o、c-o和b-o-b伸缩振动，证明成功合成b/n-cnps，其表面富含含氧、含氮以及含硼官能团。
17.图4为实施例1所合成的cnps的nir-ii荧光图及其荧光光谱图。由图可知，所合成cnps呈现波长从900至1200nm的明显nir-ii发射，波峰的峰值中心为928nm。
18.图5为实施例1所合成的cnps的可见-近红外二区吸收光谱。由图可知，在uv区域的约230nm和285nm处显示出两个明显吸收峰，并且在nir-ii区域的约1153nm处显示出一个吸收峰。
19.图6为实施例1所合成的cnps的balb/c小鼠nir-ii荧光活体成像图。由图可知，在balb/c小鼠尾静脉给药后，小鼠的肺部和肝部的荧光强度在6h仍持续在一个较高的水平，特别是呈现出较好的肺靶向成像能力。
20.图7为实施例1所合成的cnps的光热性能图。由图可知，不同浓度的cnps溶液在波
长为1064nm激光照射下均呈现快速升温，相比之下，纯水的温度几乎保持不变。
21.实施例2一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml猕猴桃汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒。
22.实施例3一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml葡萄汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒。
23.实施例4一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml草莓汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒。
24.实施例5一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取40ml西瓜汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为5000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，200℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒。
25.实施例6
一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml西瓜汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取1800mg氮化硼加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg牛血清白蛋白加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的牛血清白蛋白包裹碳纳米颗粒。
26.实施例7一种具有近红外二区光发射特性的生物质衍生碳纳米粒子的制备方法，包括以下步骤：s1、取35ml西瓜汁置于离心管中离心分离，离心分离转速为4000r/min，取上清液，弃去沉淀；s2、取3-氨基苯硼酸1500mg加入5ml无水乙醇中，置于超声波分散仪内超声分散均匀，超声分散的频率为50khz，超声分散的时间为50min，然后加入步骤s1制得的上清液中搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为5min，制得乳白色混合溶液；s3、将步骤s2制得的混合溶液转移到100ml聚四氟乙烯高压反应釜中，180℃温度条件下反应8小时，然后将获得的溶液离心分离、冷冻干燥，离心分离转速为6000r/min，制得硼/氮共掺杂碳纳米粒子粉体（b/n-cnps）；s4、将1200mg透明质酸加入200ml去离子水中，置于超声波分散仪内进行溶解分散，频率50khz，分散时间5min，28℃搅拌5min，直至溶液呈透明状态，制得牛血清白蛋白水溶液；s5、将步骤s3制得b/n-cnps粉体400mg加入40ml去离子水中，配制成配置成分散均匀的、质量浓度为10mg/ml的b/n-cnps水溶液；然后，将b/n-cnps水溶液缓慢滴加入步骤s4制得的牛血清白蛋白水溶液中，充分搅拌，搅拌温度为28℃，搅拌时间为10h；最后，经洗涤、离心分离、冷冻干燥，离心分离的转速为6000r/min，制得具有近红外二区光发射特性的透明质酸包裹碳纳米颗粒。
27.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵
盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。